本發(fā)明涉及配網(wǎng)架空線路運(yùn)維，尤其涉及一種基于輸電線路固有頻率進(jìn)行共振式除冰方法。

背景技術(shù)：

1、冬季是低溫少雨的氣候，當(dāng)?shù)蛯哟髿庵杏心鏈貙樱乇頊囟仍?5?到-1°c?之間時(shí)，滴落在其上的雨水就會(huì)凍結(jié)成雨凇，并迅速地包覆住輸電線，很容易形成線路覆冰，而在降雪時(shí)，輸電線上也容易出現(xiàn)積雪。當(dāng)覆冰積雪產(chǎn)生的掛冰載荷超過一定的極限值，會(huì)使桿塔倒塌令供電中斷，危及輸電安全，輸電線路覆冰對(duì)世界各國(guó)均造成過巨大危害。

2、目前，面對(duì)覆冰較厚的輸電線路情況，一般只能采用人工線上除冰的方法進(jìn)行清除操作，而使用人工除冰不僅安全保障較低，且效率較低。人工除冰方法有時(shí)會(huì)受到地形、地貌、氣候和安全等條件的限制，在工作效率上難以滿足大規(guī)模除冰任務(wù)的需求，當(dāng)輸電線上的覆冰較厚且凍結(jié)了較長(zhǎng)的時(shí)間，使用人工方法進(jìn)行除冰還常常會(huì)出現(xiàn)無法徹底清除，容易二次結(jié)冰，甚至出現(xiàn)不能有效除冰的情況。

3、輸電線路的覆冰問題一直部分地區(qū)在冬季面臨的一個(gè)顯著挑戰(zhàn)，它不僅威脅到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還增加了工人進(jìn)行除冰作業(yè)時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于目前存在的問題，本發(fā)明提供一種基于輸電線路固有頻率進(jìn)行共振式除冰方法，該共振式除冰方法基于輸電線路固有頻率的基礎(chǔ)上施加外部激勵(lì)頻率，使輸電線路產(chǎn)生共振現(xiàn)象，增強(qiáng)配網(wǎng)架空線路的振動(dòng)幅度，使輸電線路舞動(dòng)，從而進(jìn)行配網(wǎng)架空線路的防冰保護(hù)。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種基于輸電線路固有頻率進(jìn)行共振式除冰方法，該共振式除冰方法基于在配網(wǎng)架空線路上間隔安裝觀冰模塊和振動(dòng)模塊，包括以下步驟：

4、步驟1，觀冰模塊利用ai圖像識(shí)別對(duì)配網(wǎng)架空線路進(jìn)行覆冰檢測(cè)；

5、步驟2，后臺(tái)管理系統(tǒng)根據(jù)配網(wǎng)架空線路覆冰檢測(cè)結(jié)果，在確認(rèn)存在覆冰情況下啟動(dòng)振動(dòng)傳感器，通過振動(dòng)傳感器采集配網(wǎng)架空線路固有頻率數(shù)據(jù)；

6、步驟3，后臺(tái)管理系統(tǒng)基于振動(dòng)傳感器采集的配網(wǎng)架空線路固有頻率數(shù)據(jù)，向振動(dòng)模塊下達(dá)啟動(dòng)信號(hào)；振動(dòng)模塊啟動(dòng)時(shí)先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的全面初始化，并進(jìn)入持續(xù)運(yùn)行的工作狀態(tài)；

7、步驟4，振動(dòng)模塊工作時(shí)，其單片機(jī)產(chǎn)生pwm波控制振動(dòng)發(fā)生裝置的振動(dòng)頻率，同時(shí)振動(dòng)模塊的加速度計(jì)收集加速度數(shù)據(jù)計(jì)算為振幅數(shù)據(jù)，作為反饋控制振動(dòng)發(fā)生裝置始終運(yùn)行在振幅最大點(diǎn)；

8、步驟5，振動(dòng)模塊持續(xù)工作，并通過觀冰模塊利用ai圖像識(shí)別對(duì)配網(wǎng)架空線路進(jìn)行覆冰檢測(cè)，直至后臺(tái)管理系統(tǒng)通過觀冰模塊識(shí)別到覆冰已清除，則控制振動(dòng)模塊停止；

9、該共振式除冰方法基于輸電線路固有頻率的基礎(chǔ)上通過振動(dòng)模塊施加外部激勵(lì)頻率，使輸電線路產(chǎn)生共振現(xiàn)象，并通過調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率增強(qiáng)配網(wǎng)架空線路的振動(dòng)幅度，使輸電線路舞動(dòng)進(jìn)行配網(wǎng)架空線路的防冰保護(hù)。

10、進(jìn)一步，步驟1中進(jìn)行覆冰檢測(cè)，包括：采集配網(wǎng)架空線路圖像、外部環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)和配網(wǎng)架空線路溫度數(shù)據(jù)，并將配網(wǎng)架空線路圖像、外部環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)和配網(wǎng)架空線路溫度數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)管理系統(tǒng)。

11、進(jìn)一步，步驟2中后臺(tái)管理系統(tǒng)基于配網(wǎng)架空線路圖像、外部環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)和配網(wǎng)架空線路溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，得到配網(wǎng)架空線路覆冰檢測(cè)結(jié)果；分析過程包括以下步驟：

12、步驟2.1，后臺(tái)管理系統(tǒng)基于配網(wǎng)架空線路圖像，通過灰度修正進(jìn)行圖像增強(qiáng)，得到預(yù)處理圖像；

13、步驟2.2，后臺(tái)管理系統(tǒng)使用小波變換或形態(tài)學(xué)方式對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)；

14、步驟2.3，后臺(tái)管理系統(tǒng)基于擬合角平分線方式進(jìn)行邊界跟蹤，得到圖像邊緣提取結(jié)果；采用像素級(jí)融合方式進(jìn)行圖像融合；讀取裸線圖像數(shù)據(jù)與圖像融合后數(shù)據(jù)比對(duì)，輸出配網(wǎng)架空線路覆冰判定結(jié)果。

15、進(jìn)一步，步驟2.1中，灰度修正采用直方圖均衡化，基于概率論原理，通過調(diào)整像素點(diǎn)的灰度值，使得整個(gè)圖像的灰度分布更加均勻；

16、若一幅灰度圖像的灰度級(jí)數(shù)為n，假設(shè)灰度級(jí)為i的像素點(diǎn)出現(xiàn)概率為，圖像中i級(jí)灰度所對(duì)應(yīng)的熵為：

17、；

18、式中，為圖像中i級(jí)灰度所對(duì)應(yīng)的熵；為灰度級(jí)為i的像素點(diǎn)出現(xiàn)概率。

19、進(jìn)一步，步驟4中，基于卡爾曼濾波、傅里葉變換和時(shí)域積分三種算法的協(xié)同作用，對(duì)加速度計(jì)收集加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理，計(jì)算出振幅數(shù)據(jù)，具體包括以下步驟：

20、步驟4.1，架空配網(wǎng)架空線路上的覆冰積雪，在振動(dòng)發(fā)生裝置不間斷周期性外力的作用下，產(chǎn)生受迫振動(dòng)，振動(dòng)發(fā)生裝置轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的周期性的外力，即為驅(qū)動(dòng)力；基于驅(qū)動(dòng)力，得到配網(wǎng)架空線路受迫振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程；基于等幅運(yùn)動(dòng)，計(jì)算配網(wǎng)架空線路位置；根據(jù)理論計(jì)算，得到幅值數(shù)據(jù)；

21、步驟4.2，基于步驟4.1得到的振幅數(shù)據(jù)，進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算，卡爾曼濾波會(huì)根據(jù)測(cè)量在不同時(shí)間下的值，考慮各時(shí)間下的聯(lián)合分布，再產(chǎn)生對(duì)未知變數(shù)的估計(jì)；

22、步驟4.3，將時(shí)域信號(hào)通過傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻域表示；

23、步驟4.4，通過時(shí)域積分將加速度振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成速度或位移信號(hào)。

24、進(jìn)一步，步驟4.1中，驅(qū)動(dòng)力f設(shè)為：

25、；

26、式中，為驅(qū)動(dòng)力幅值，為驅(qū)動(dòng)力的角頻率；t為時(shí)間；

27、在驅(qū)動(dòng)力下，運(yùn)動(dòng)方程為：

28、；

29、令，，則得到：

30、；

31、式中，為物體的質(zhì)量；代表物體的位置；t為時(shí)間；為彈性常數(shù)；為驅(qū)動(dòng)力的幅值；為驅(qū)動(dòng)力的角頻率；為固有頻率；β為阻尼系數(shù)；

32、基于等幅運(yùn)動(dòng)，則得到：

33、；

34、式中，代表物體的位置；為振幅；為驅(qū)動(dòng)力的角頻率；t為時(shí)間；為初相位，表示運(yùn)動(dòng)開始時(shí)的位置相位；

35、根據(jù)理論計(jì)算，得到振幅為：

36、；

37、式中，為驅(qū)動(dòng)力的幅值；為物體的質(zhì)量；為固有頻率；為驅(qū)動(dòng)力的角頻率；β為阻尼系數(shù)。

38、進(jìn)一步，步驟4.2中，包括以下步驟：

39、預(yù)測(cè)狀態(tài)估計(jì)：

40、；

41、式中，為k時(shí)刻對(duì)狀態(tài)的預(yù)測(cè)估計(jì)；為時(shí)對(duì)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)；為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；為控制矩陣；為外部控制輸入；

42、預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差：

43、；

44、式中，為k的預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣；表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，用于描述從時(shí)刻k-1到時(shí)刻k狀態(tài)的變化；為k-1時(shí)對(duì)狀態(tài)誤差的最優(yōu)估計(jì)協(xié)方差矩陣；為過程噪聲的協(xié)方差矩陣；為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的轉(zhuǎn)置，表示對(duì)誤差傳播的影響；

45、更新卡爾曼增益：

46、；

47、式中，表示卡爾曼增益；為k的預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣；為觀測(cè)矩陣；為觀測(cè)矩陣的轉(zhuǎn)置；為觀測(cè)噪聲的協(xié)方差矩陣；

48、更新狀態(tài)估計(jì)：

49、；

50、式中，表示在時(shí)刻k更新后的狀態(tài)估計(jì)；為k時(shí)刻對(duì)狀態(tài)的預(yù)測(cè)估計(jì)；表示卡爾曼增益；為時(shí)刻k的觀測(cè)值；為觀測(cè)矩陣；

51、更新誤差協(xié)方差：

52、；

53、式中，為在時(shí)刻k更新后的狀態(tài)誤差協(xié)方差矩陣；為單位矩陣；表示卡爾曼增益；為觀測(cè)矩陣；為k的預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣；

54、通過預(yù)測(cè)狀態(tài)估計(jì)、預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差、更新卡爾曼增益、更新狀態(tài)估計(jì)和更新誤差協(xié)方差進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)。

55、進(jìn)一步，步驟4.3中，n點(diǎn)序列x(r)的n點(diǎn)離散傅里葉變換可表示成：

56、；

57、式中，為離散傅里葉變換dft后的頻域信號(hào)，表示對(duì)應(yīng)頻率k的復(fù)數(shù)幅度和相位信息；表示時(shí)域信號(hào)，表示在時(shí)刻r的樣本值；表示復(fù)指數(shù)函數(shù)，用于將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域，形成頻率k的基函數(shù)；j為虛數(shù)單位；n為信號(hào)的總采樣點(diǎn)數(shù)；k頻域信號(hào)的索引，取值范圍從0到n-1；r為時(shí)域信號(hào)的索引，取值范圍從0到n-1。

58、進(jìn)一步，步驟4.4中，時(shí)域積分算法如下：

59、；

60、式中，在時(shí)刻k的積分結(jié)果，表示從時(shí)域信號(hào)x中計(jì)算得到的積分值；為時(shí)間步長(zhǎng)，表示兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔；為時(shí)域信號(hào)的采樣值，在時(shí)刻i的信號(hào)值；i為積分過程的索引，表示從1到k的每一個(gè)采樣點(diǎn)；k表示當(dāng)前的時(shí)刻索引，從1到n進(jìn)行積分。

61、進(jìn)一步，所述安裝于配網(wǎng)架空線路上還安裝有對(duì)觀冰模塊和振動(dòng)模塊供電的取電模塊；取電模塊包括電流互感器、與電流互感器連接的儲(chǔ)能元件、以及與儲(chǔ)能元件并聯(lián)的整流電路；整流電路包括位于電流互感器與儲(chǔ)能元件間連接線路上的鉗位電路、整流濾波電路、以及dc/dc模塊；所述儲(chǔ)能元件采用磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容；

62、當(dāng)一次輸電電流較小時(shí)，儲(chǔ)能元件作為補(bǔ)充儲(chǔ)能對(duì)觀冰模塊和振動(dòng)模塊供電；當(dāng)一次電流較大，二次輸出功率較大時(shí)，電流互感器直接對(duì)觀冰模塊和振動(dòng)模塊供電，并且將多余電能存儲(chǔ)于儲(chǔ)能元件；

63、根據(jù)電磁理論，設(shè)輸出電壓的峰值為u，得：

64、；

65、式中，為線圈激勵(lì)電流的頻率；n2為特制線圈繞制匝數(shù)；為線圈橫截面的磁通量幅值；bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值；s為鐵心截面積；λ為鐵心疊片系數(shù)；

66、由安培環(huán)路定律：

67、；

68、式中，為磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值；為一次側(cè)繞組匝數(shù)；l為平均磁路長(zhǎng)度；i為一次側(cè)繞組中的電流；

69、磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值bm與磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值hm的關(guān)系為：

70、；

71、式中，為真空磁導(dǎo)率；為相對(duì)磁導(dǎo)率；

72、由此能夠計(jì)算出相應(yīng)的取能線圈繞阻匝數(shù)，選取適合除冰裝置的電流互感器來進(jìn)行輸電導(dǎo)線感應(yīng)取電，對(duì)觀冰模塊和振動(dòng)模塊供電。

73、有益效果：

74、基于輸電線路固有頻率進(jìn)行共振式除冰方法的有益效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

75、1.提高除冰效率：通過利用輸電線路的固有頻率，該方法能在特定頻率下產(chǎn)生共振效應(yīng)，進(jìn)而高效地使覆冰和積雪振動(dòng)并脫落。這種共振增強(qiáng)了振動(dòng)幅度，使得除冰過程更加迅速和有效，降低了除冰作業(yè)所需的時(shí)間和人力成本。

76、2.安全性提升：傳統(tǒng)的人工除冰作業(yè)存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在惡劣的冬季天氣條件下?；谠摴舱袷匠椒?，充分利用自動(dòng)化的振動(dòng)模塊和ai技術(shù)，減少了對(duì)人工作業(yè)的依賴，從而顯著降低了工人進(jìn)行除冰作業(yè)時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

77、3.精確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：采用ai圖像識(shí)別技術(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤和監(jiān)測(cè)輸電線路的覆冰情況。通過對(duì)路況和氣候變化的分析，后臺(tái)管理系統(tǒng)能及時(shí)做出決策，確保遵循最佳的除冰時(shí)機(jī)。

78、4.適應(yīng)性強(qiáng)：該方法可以根據(jù)不同的環(huán)境條件和線路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性。例如，可以針對(duì)不同配網(wǎng)架空線路段的外部溫濕度和線路固有頻率進(jìn)行個(gè)性化的振動(dòng)頻率設(shè)置，確保除冰效果最優(yōu)。

79、5.降低維護(hù)成本減少了人工干預(yù)和設(shè)備維護(hù)的必要，降低了運(yùn)維成本。此外，由于能夠有效防止覆冰的積累，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看可以減少設(shè)備的故障率和維護(hù)頻率，從而實(shí)現(xiàn)更低的長(zhǎng)周期維護(hù)成本。

80、6.友好的環(huán)境影響：通過減少對(duì)化學(xué)除冰劑的依賴，該方法特別適用于環(huán)保要求高的區(qū)域。通過物理振動(dòng)實(shí)現(xiàn)除冰，減少了潛在的環(huán)境污染。

81、7.增強(qiáng)的供電可靠性：消除了覆冰對(duì)輸電線路的負(fù)面影響，提升了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，從而能夠確保在冬季惡劣天氣下的持續(xù)供電，減少了因覆冰導(dǎo)致的停電事件。

82、綜上所述，基于輸電線路固有頻率進(jìn)行的共振式除冰方法在提高效率、安全性及經(jīng)濟(jì)性等方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，為現(xiàn)代電力系統(tǒng)配網(wǎng)架空線路的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)提供了創(chuàng)新的解決方案。