輸電線路舞動(dòng)監(jiān)測技術(shù)綜述

任鵬亮 謝 凱 陳 釗 宋高麗 李夢麗 呂中賓

（1.河南恩湃高科集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450052；2.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院輸電線路舞動(dòng)防治技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450052）

輸電線路舞動(dòng)一般是非圓形的覆冰導(dǎo)線在風(fēng)的作用下產(chǎn)生的一種低頻率（0.1～3Hz左右）、大振幅（約為導(dǎo)線直徑的20～300倍）的自激振動(dòng)現(xiàn)象［1］。輸電線路舞動(dòng)輕則會(huì)引起相鄰線路的閃絡(luò)、跳閘，重則發(fā)生金具及絕緣子損壞，更嚴(yán)重的甚至?xí)斐蓷U塔倒塌等事故。舞動(dòng)涉及各個(gè)電壓等級的輸電線路，我國又是舞動(dòng)發(fā)生比較頻繁的國家之一，特別是近年來，隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，以及災(zāi)害性氣象條件的影響，我國輸電線路舞動(dòng)事故發(fā)生的頻率和強(qiáng)度有了明顯增加［2-4］。

舞動(dòng)的觀測與研究源于20世紀(jì)30年代，美、加、日等國進(jìn)行了較多的觀測、研究與治理工作［5-7］。美國的鄧哈托于1932年發(fā)表了“輸電導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)”一文，首次從理論上闡述了輸電線路舞動(dòng)的發(fā)生機(jī)理，并且證明了當(dāng)升力曲線的負(fù)斜率比阻力曲線的幅值大時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定性［5-7］。加拿大的愛德華滋等人于1953年1月至1954年在安大略省柏林頓、丹尼斯和肯沃斯地區(qū)先后進(jìn)行了舞動(dòng)的觀測，并建成了與實(shí)際尺寸相同的7檔試驗(yàn)線路，對系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行了較為全面的試驗(yàn)［5-7］。日本在笠取山地區(qū)也建立了試驗(yàn)線路，進(jìn)行了長期的監(jiān)測研究［5-7］。我國有關(guān)舞動(dòng)的記載始于20世紀(jì)50年代，而真正進(jìn)行大規(guī)模治理與研究則是從1987年湖北省中山口大跨越發(fā)生舞動(dòng)導(dǎo)致斷線之后才開始進(jìn)行的。

輸電線路舞動(dòng)的研究和防治是一個(gè)非常復(fù)雜的綜合性課題，它涉及空氣動(dòng)力學(xué)、耦合振動(dòng)學(xué)、氣象學(xué)、力學(xué)等多個(gè)學(xué)科［3］。輸電線路舞動(dòng)監(jiān)測就是通過對線路舞動(dòng)的振幅、頻率、階次等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而利用監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行更加深入分析的一種手段，它對于舞動(dòng)機(jī)理研究、防舞裝置開發(fā)和防舞方案制定都具有重要的意義。

目前，輸電線路舞動(dòng)監(jiān)測技術(shù)主要分為現(xiàn)場監(jiān)測法和在線監(jiān)測法?，F(xiàn)場監(jiān)測法常用的包括簡易觀測法和單目測量法，主要便于線路運(yùn)維人員現(xiàn)場觀測舞動(dòng)的參數(shù)，有利于針對性地開展舞動(dòng)防治和治理；在線監(jiān)測法主要有基于加速度傳感器的在線監(jiān)測法和基于慣性測量單元的在線監(jiān)測法，主要便于大數(shù)據(jù)的積累和分析，為舞動(dòng)機(jī)理的研究、舞動(dòng)預(yù)警和舞動(dòng)治理方案的制定提供依據(jù)。本文對現(xiàn)有常用的舞動(dòng)監(jiān)測技術(shù)，從基本原理、應(yīng)用場合、適用性等角度進(jìn)行分析和探討，同時(shí)指出了進(jìn)一步的研究發(fā)展方向。

1 輸電線路舞動(dòng)監(jiān)測技術(shù)

1.1 簡易觀測法

簡易觀測法是指在沒有任何攝像設(shè)備、測量設(shè)備情況下粗略估算輸電線路舞動(dòng)振幅的方法。圖1所示為該方法的原理圖。

圖1 簡易觀測法原理圖

該方法操作步驟：觀測人員在離輸電線路一定距離正對輸電線路，根據(jù)半波數(shù)確定出振幅波腹的位置伸直手臂，用兩指夾住筆桿，使筆桿成垂直狀態(tài)，用一只眼睛觀測，使筆桿上端與輸電線路舞動(dòng)上限在同一視線上時(shí)，保持筆桿不動(dòng)，記下與該點(diǎn)的舞動(dòng)下限點(diǎn)成同一視線的筆桿上的位置，筆桿上記錄的位置到筆桿上端的距離L1即反映了舞動(dòng)的峰-峰值。使用同樣方法在同樣遠(yuǎn)的距離處測量另一已知尺寸參照物的尺寸H對應(yīng)筆桿上的距離L2，根據(jù)比例關(guān)系估算出舞動(dòng)的幅值A(chǔ)，計(jì)算公式如公式1所示。

簡易觀測法一般是在線路巡視人員突遇舞動(dòng)，又沒有隨身攜帶監(jiān)測設(shè)備的情況下使用的一種方法，一般巡視人員經(jīng)過簡單學(xué)習(xí)即可學(xué)會(huì)。由于其沒有使用監(jiān)測設(shè)備，僅靠觀測人員目測，因此準(zhǔn)確度很難保證，但對舞動(dòng)統(tǒng)計(jì)、防舞裝置安裝位置的選擇具有參考價(jià)值。

1.2 單目測量法

單目測量法是使用便攜式視頻采集裝置，對輸電線路進(jìn)行視頻錄制，運(yùn)用圖像匹配、圖像跟蹤等處理算法，計(jì)算特征點(diǎn)的舞動(dòng)幅值變化，進(jìn)而得到整檔線路的縱向軌跡變化曲線，最后分析得到舞動(dòng)的幅值、階次等參數(shù)的一種監(jiān)測方法。圖2所示為單目測量法特征點(diǎn)選取示意圖，其中紅色方框標(biāo)注的位置即為對舞動(dòng)進(jìn)行分析時(shí)選取的特征點(diǎn)。

圖2 單目測量法特征點(diǎn)選取示意圖

單目測量法的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在簡單易行，操作人員只需要使用視頻采集裝置、測距儀等簡單設(shè)備即可完成監(jiān)測。另外，與簡易觀測法相比，單目測量法不僅能得到舞動(dòng)的幅值、頻率等參數(shù)，而且能得到整檔導(dǎo)線的舞動(dòng)軌跡。

單目測量法在對所錄制的視頻進(jìn)行分析時(shí)，為了更好地對特征點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，需要線路與線路背景有明顯的差異，因此，在使用視頻采集裝置錄制視頻時(shí)需要選擇合適的觀測點(diǎn)。

1.3 基于加速度傳感器的在線監(jiān)測法

基于加速度傳感器的在線監(jiān)測法是指將安裝在線路上的多個(gè)加速度傳感器作為傳感單元，通過對其進(jìn)行二次積分等算法還原被測點(diǎn)空間位移變化情況的一種方法［8-10］。圖3為加速度傳感器安裝位置示意圖，圖4為系統(tǒng)架構(gòu)圖。

該方法的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：能夠從開始到結(jié)束較完整的記錄一次舞動(dòng)，如果結(jié)合風(fēng)速和覆冰監(jiān)測，就能準(zhǔn)確的得出舞動(dòng)的激發(fā)和終止條件；缺點(diǎn)主要有：安裝大量傳感器可以得到更多的監(jiān)測數(shù)據(jù)，曲線擬合更好，精度也越高，但相應(yīng)的成本也越大，且安裝過多的傳感器還有可能破壞輸電導(dǎo)線舞動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，反之傳感器安裝過少，由于監(jiān)測點(diǎn)有限，就不能精確地計(jì)算、擬和輸電線路的舞動(dòng)軌跡；基于加速度傳感器的在線監(jiān)測法采用的三軸加速度傳感器沒有考慮導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)對數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的影響，因此，隨著時(shí)間的積累可能會(huì)放大導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)引起的誤差，導(dǎo)致累積誤差增大，數(shù)據(jù)失真。

1.4 基于慣性測量單元的在線監(jiān)測法

為了解決導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)對監(jiān)測精度影響的問題，出現(xiàn)了基于慣性測量單元的在線監(jiān)測法，該監(jiān)測法與基于加速度傳感器的在線監(jiān)測法有些類似，只是將輸電線路上安裝的加速度傳感器換成了慣性測量單元。由于一個(gè)慣性測量單元可以同時(shí)測量輸電線路舞動(dòng)時(shí)的加速度值和角速度值，因此，它不僅能推算出被測點(diǎn)舞動(dòng)時(shí)的位移變化情況，還能獲取被測點(diǎn)舞動(dòng)時(shí)的扭轉(zhuǎn)情況，進(jìn)而完整、準(zhǔn)確的還原輸電線路舞動(dòng)時(shí)的姿態(tài)。

圖5和圖6是實(shí)際現(xiàn)場一個(gè)測量點(diǎn)記錄的某一次舞動(dòng)事件。圖5為水平和豎向位移隨時(shí)間變化的曲線圖，從中明顯地看到從開始到止舞的過程，圖6為該點(diǎn)的舞動(dòng)軌跡圖，能夠清晰的得到水平和豎向位移變化情況。

現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用時(shí)，基于慣性測量單元的在線監(jiān)測法也具有傳感器布點(diǎn)多少直接影響最終獲得線路軌跡的精度等不利因素。

2 分析與討論

與現(xiàn)場監(jiān)測法相比，簡易觀測法由于其簡單易學(xué)，普通觀測人員經(jīng)過簡單學(xué)習(xí)即可掌握，雖然其觀測手段過于簡單，精度無法保證，但對舞動(dòng)統(tǒng)計(jì)、防舞裝置安裝位置的選擇有重要的參考價(jià)值；單目測量法與簡易觀測法相比，精度上有了很大提高，不僅可以得到舞動(dòng)的幅值、頻率、階次參數(shù)，而且可以得到整檔導(dǎo)線的舞動(dòng)軌跡，具有較好的實(shí)用和推廣價(jià)值。

基于加速度傳感器和慣性測量單元的在線監(jiān)測技術(shù)，雖然都可以實(shí)時(shí)獲得大量的線路舞動(dòng)數(shù)據(jù)，但前者沒有考慮導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)的影響，從原理上來說數(shù)據(jù)的可靠性較差；后者測量加速度的同時(shí)，對角速度也進(jìn)行測量，通過算法能夠獲取精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度和可靠性較高。盡管在線監(jiān)測技術(shù)有很大的優(yōu)勢，但也存在一些共性的難點(diǎn)。

2.1 系統(tǒng)可靠性 由于在線監(jiān)測裝置需要安裝在野外，常年受風(fēng)、雨、冰、雪、高溫和低溫等惡劣天氣以及劇烈擺動(dòng)的影響，其故障率高，壽命短。同時(shí)，如果出現(xiàn)故障，維修難度大。因此，提高其運(yùn)行的可靠性，是目前所有輸電線路舞動(dòng)在線監(jiān)測裝置都急需要解決的問題。

2.2 電源 處于野外的在線監(jiān)測裝置需要配備穩(wěn)定的電源系統(tǒng)，目前多采用以下兩種方案：太陽能板加蓄電池的方式，該系統(tǒng)中太陽能板轉(zhuǎn)化效率低，且受天氣影響較嚴(yán)重；線圈取能的方式，該取能系統(tǒng)中，線圈易受外界環(huán)境影響，難以得到可靠穩(wěn)定的電源。因此，上述兩種方案都有自己的缺點(diǎn)，難以根本上解決電源問題。

2.3 通訊 舞動(dòng)在線監(jiān)測系統(tǒng)在通訊方式上，一般選擇在桿塔上安裝數(shù)據(jù)基站，接收輸電線路上監(jiān)測裝置發(fā)送來的數(shù)據(jù)，打包后通過無線公網(wǎng)發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器。其中監(jiān)測裝置與數(shù)據(jù)基站之間，受輸電線路自身電暈和通訊距離的影響，可能造成數(shù)據(jù)丟失；數(shù)據(jù)基站與后臺(tái)服務(wù)器之間，受地形和公網(wǎng)信號無法完全覆蓋的影響，容易導(dǎo)致通訊受阻。因此，通訊也是制約舞動(dòng)在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)因素。

現(xiàn)場監(jiān)測法作為線路巡視人員現(xiàn)場使用的方法，能夠直觀的觀測舞動(dòng)發(fā)生時(shí)的情形，對舞動(dòng)統(tǒng)計(jì)、防舞方案的制定等具有重要意義。在線監(jiān)測法能夠更加精確的獲取舞動(dòng)的幅值、頻率和階次等參數(shù)，同時(shí)結(jié)合氣象等數(shù)據(jù)，為研究舞動(dòng)機(jī)理和制定有效的防舞方案提供第一手資料。因此，二者應(yīng)用場合不同，是不可替代，相互補(bǔ)充的關(guān)系。

3 結(jié)論

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，輸電線路舞動(dòng)對電力系統(tǒng)的破壞作用越來越大。由于線路結(jié)構(gòu)和地形的影響，舞動(dòng)治理的難度也越大。輸電線路舞動(dòng)監(jiān)測對于研究舞動(dòng)機(jī)理、開發(fā)防舞裝置和制定防舞方案具有重要意義。目前的輸電線路舞動(dòng)監(jiān)測技術(shù)，由于原理和應(yīng)用場合的原因，都具有一定局限性，需要進(jìn)一步的研究和開發(fā)?，F(xiàn)場監(jiān)測法與在線監(jiān)測法由于其應(yīng)用場合不同，兩者不僅不可替代，更是相互補(bǔ)充的關(guān)系。

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