摘要：现如今，我国的科技在不断的发展，为了对输电线路振动进行有效阻尼控制，提出了一种惯性测量参数的时间序列分段模式的输电线路振动分析方法。首先设计一种MIMU测量节点，采用一定长度的弹性杆进行信号物理放大和防磁干扰，并对采集的输电线路振动信息进行AＲ-Kalman滤波处理;然后把处理过的数据分为不同数据段，静止时数据作为基准段，把后采集的数据段与基准段进行变异分析，计算变异度，预测输电线路振动幅度;对相邻两段数据进行相似度量，计算相似度，预测输电线路振动频率，分析振动趋势;最后设计了振动台、转台和输电线路模拟实验，采集不同振动幅度及频率的MIMU信号，通过幅度、频率及趋势的综合分析，获取本地区输电线路振动特性，实验结果表明，处理数据结果能够反映输电线路振动变化规律，说明输电线路振动分析方法是有效的，可为输电线路的振动阻尼控制器设计提供参数。
关键词：MIMU；输电线路；振动
引言
输电线路运动监测是智能电网建设的关键技术之一，由于自然环境的影响，输电线在一定的气象条件下出现运动现象。输电线运动主要包括微风振动、次档距振荡和覆冰舞动。微风振动高频(约3Hz～150Hz)微幅(一般不超过导线直径)，次档距振荡中频(约1Hz～3Hz)中幅(0．1m～0．5m)，覆冰舞动低频(约0．1Hz～3Hz)大振幅(约为导线直径的5倍～300倍)。这3种形式的运动给输电线路带来了很多危害，而3种运动本质上属于自激振动。在低频范围内，振动强度与位移(振幅)成正比;在高频范围内，振动次数多，过程短，加速度计的数值及变化量大，振动强度大，故对频率的监测较为重要。
1MIMU输电线运动监测系统设计
在现有输电线路监测系统基础上，设计了MIMU输电线运动在线监测系统，实现导线平动和转动幅度估计及运动频率识别。该系统结构如图1所示，系统包括导线运动监测装置CMD、气象传感器、状态监测代理CMA、状态信息接入网关机CAG、通信网络等。其中CMA及各类气象传感器安装在杆塔上，气象传感器通过ＲS485与CMA通讯。CMD安装在导线上，每个待测导线档距间只需在距档端1/8处安装一个，以避开常见舞动半波的节点(节点处运动位移为0)。对CMD进行防磁干扰处理。CMD完成对数据的预处理后将处理后的数据通过光纤通信传输至CMA，CMA通过对监测数据进行既定算法处理得出导线运动状态，结合气象信息做出预警信息，将预警信息和处理后的数据打包通过专用光纤传输通道发给CAG，在CAG的专家软件进行状态显示。CMD和CMA等都采用跳塔安装方式，即每隔一个杆塔安装一套监测装置，可大大降低监测成本，其监测的信息也能根据所设计的算法准确得出输电线运动状态。系统选用地理坐标系作为导航坐标系，CMD安装坐标系如图2所示，即载体坐标系。载体坐标系与地理坐标系间可由姿态矩阵进行转换。CMD由主控制器、电源模块、惯性传感器和通信模块组成。其中主控制器采用STM32F103C8T6处理器;电源模块采取导线就地取电配合锂电池的方式进行供电;惯性传感器选用集三轴加速度计和陀螺仪为一体的全MEMS惯性器件MPU6050来测量比力和角速度信息。
图1系统总体示意图
图2CMD安装坐标系
2输电线路振动分析
2.1输电线路平动特征提取
输电线路平动时，会出现X，Y，Z三个轴的平动，如图3所示，平动幅度与输电线路所受外界合冲击加速度有关，冲击加速度越大，平动幅度越大，平动幅度近似正比于输电线路振动加速度a，因此输电线路的平动必然会引起振动加速度监测数据的变化，选取振动加速度信号时间序列作为平动特征量，记为ak，为消除偶然误差同时压缩数据量，对其进行滑动分段模式表示。将AＲ-Kalman滤波处理的振动加速度数据每L个为一组，每滑动l个数取一次平均，第i段记为ai(ai1，ai2，ai3，…，aiN)，其中N=L/l，ain为
图3输电线平动示意图
将输电线路静止条件下振动加速度数据作为初始时间序列数据段，初始序列段均值记为a0。
2.2输电线路振动分析
综上分析，输电线路平动、扭转分析流程如图4所示，通过对连续采集的运动加速度、重力加速度变异度、相似性分析，计算振动幅度和频率系数(系数越大，说明振动幅度、频率越大)。由前文分析知，振动幅度和频率系数的计算，依赖Damax、DEamax、Dgmax、DEgmax四个参数的确定。实际应用中，此四个参数的确定方法如下:①获取本地区输电线最大允许(或统计最大)平动或扭转频率，分别记为fa，fg;本地区输电线最大允许(或统计最大)振动角记为θ，最大平动振幅A=d•tan(θ)(d为MIMU安装点到绝缘子串悬挂点距离);②振动台以振幅A，频率fa振动时采集MIMU加速度及角速度数据;摇摆台以频率fg，摇摆角θ摇摆运动时采集MIMU加速度及角速度数据;③通过前述流程计算相应的Dai0，Daii+1，Dgi0，Dgii+1多次重复上述过程，分别取Dai0，Daii+1，Dgi0，Dgii+1对应的均值作为Damax，DEamax，Dgmax，DEgmax。以平动频率系数为横坐标、平动程度为纵坐标作幅频系数图，对应点称为平动点;以扭转频率系数为横坐标、扭转程度为纵坐标作幅-频系数图，对应点称为扭转点，通过分析本地区平动点、扭转点分布区域获取本地区输电线路振动特性，为后续振动阻尼器设计提供参数。
图4输电线路振动分析流程图
结语
针对通过多点MIMU解算导线运动轨迹来分析本地区输电线路振动特点精度不高且难以实现长期监测，提出一种惯性测量参数的时间序列分段模式的输电线路振动分析方法。设计了一种MIMU测量节点并采用一定长度的弹性杆进行信号物理放大和防磁干扰，通过对MIMU时间序列变异度分析和相似性度量，预测输电线路平动、扭转程度及频率，进而评估输电线路运动异常程度。
参考文献:
[1］叶志雄．输电线微风振动及次档距振荡控制研究［D］．武汉:华中科技大学，2009．
［2］张帆，熊兰，刘钰．基于加速度传感器的输电线舞动监测系统［J］．电测与仪表，2009，46(1):30-33．
论文作者:陈伟,陈娇,马树春,李超,汪豪达,李文广,李家勇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/6
标签：线路论文; 输电线论文; 加速度论文; 数据论文; 频率论文; 导线论文; 坐标系论文; 《电力设备》2018年第22期论文;