一种现场环境下输电线路监测装置计量系统及方法与流程

本发明涉及电力计量设备领域，特别是一种现场环境下输电线路监测装置的计量标准系统。

背景技术：

导线受到微风吹拂时，将产生周期性振动，称为微风振动。其特点是振幅小，一般不超过10mm；频率范围为(5-100)Hz，振型为正弦拍频波；振动概率很大，一般认为导线一直处于微风振动状态。线路所处地形及档距大小与微风振动关系较大。大档距跨河(海)线路振动较强烈。特别是导线上线夹出口处，由于长期处于曲折状态，若不采取任何防振措施，线股上将产生很大的动弯应变，导致疲劳断股，影响线路安全。

目前电力部门已经开展对输电线路微风振动进行在线监测的技术和装置的研究，用于测量导线的振动响应，了解导线的实际振动水平，判断振动是否合格。一旦发现振动水平超标，可以采用相应的防振措施，阻止导线产生或加剧疲劳断股，延长导线的运行寿命，同时可以评价已安装仿真装置的效果。因此，输电线路微风振动在线监测装置对振动情况的测量结果在很大程度上影响电力部门是否或如何选择合适的防振措施，必须有较高的可靠性。

但是现阶段输电线路微风振动在线监测装置的对导线振动情况测量结果的可靠性还无法得到有效保证。原因在于，目前虽然很多有针对振动的校准，但主要还是针对振动采集单元即振动传感器进行校准。这些方法适用于普通的振动传感器，并不能够直接对整个微风振动在线监测装置进行校准。普通的振动传感器往往安装于一个基准面，其测量的振幅是相对与一个静止的参照物，而微风振动监测装置传感器测出的振幅是监测点相对与线夹的弯曲振幅，而不仅仅是监测点本身的绝对振幅。因此，有必要对现有的振动传感器校准方法及装置进行改进，研制针对微风振动在线监测装置的计量标准器，从而有效保证微风振动在线监测装置测量结果的可靠性。

实现对微风振动在线监测装置在实验室环境下的校准，对微风振动在线监测装置测量数据准确性和可靠性的提升还是不够大。原因在于，现场环境与实验室环境有着极大的不同，如温度、湿度、电磁干扰和辐射等干扰容易引起测量误差的变化，现场环境对电气装置的影响。同时，如图1-1。我国在微风振动在线监测领域，在“现场使用环境下”测量数据的准确性和可靠性方面，仍然存在着性能参数参差不齐、标准化程度低等诸多问题，在很大程度上影响了微风振动在线监测技术的标准化、规范化、实用化发展。图1-1为现场环境对被试设备的影响来源；

对监测装置进行现场环境下的与实验室环境下的校准工作具有较大的区别。在实验室环境下的校准并不能够完全反应监测装置的实际运行情况。

在现场使用环境下对在线监测装置测量数据准确性可靠性评价方法、现场计量标准装置和核查标准的研究工作国内还未见开展。在线监测装置的量值溯源体系中目前主要有国家电网公司企业标准文件可以依据，大部分工作都未进行。因此，有必要研究微风振动在线监测装置在“现场环境下”的校准或核查方法，研制针对微风振动在线监测装置在“现场环境下”的计量标准器或核查标准，从而有效保证微风振动在线监测装置测量结果的可靠性。

输电线路在线监测技术是在不影响设备运行的条件下，通过直接安装在输电线路上的监测设备，对线路运行状态的特征量进行连续或定时记录。输电线路在线监测技术是智能电网建设中输电环节的重要组成部分，是实现输电线路状态检修、提升输电线路安全运行水平的重要技术手段。目前，输电线路在线监测装置可分为电气类、机械类和运行环境类等，主要监测参数包括电压、电流、放电、雷击、微风振动、舞动、覆冰、弧垂、张力、杆塔倾斜、气象、污秽、图像视频等，较为全面的覆盖了导线、地线、金具、绝缘子、杆塔等输电线路的基础设施的状态环境参数。

输电线路在线检测系统通常包含监测单元、在线监测基站、监测管理平台等，是典型的二级网络结构。其工作过程如下：在导地线、绝缘子、杆塔上安装监测单元，实时或定时将受控监测设备的状态数据及气象环境信息，通过无线传感器网络发送至装在杆塔上的在线监测基站，基站再通过无线传输通信网络将信息数据发送至监测管理平台，监测管理平台对信息进行储存、分析处理、显示及预警。监测单元也可以发出控制指令，通过监测基站控制监测单元进行数据采集，或改变监测单元的工作状态。

现有装置价格十分昂贵，且由于距离、气候等因素影响，整个测量准确性和应用范围受到很大限制，难以推广使用。

因此，需要一种现场环境下输电线路监测装置计量系统。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种现场环境下输电线路监测装置计量系统。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的：

本发明提供的一种现场环境下输电线路监测装置计量系统，包括激振模块、测振模块、测试接口和振动控制仪；

所述激振模块用于向在线监测装置提供振动源；所述测振模块用于检测在线监测装置在振动源所激励振动的各个参数；所述测试接口将测量数据传输到振动控制仪进行数据处理。

进一步，所述激振模块包括振动台、传感器、振动控制仪、功率放大器和冷却系统；

所述振动台上设置有传感器用于获取激励振动参数；所述振动控制仪与传感器连接；所述功率放大器与振动控制仪连接；所述冷却系统分别与振动台和功率放大器连接。

进一步，所述振动台包括机座、中心磁极、磁缸底、励磁线圈、驱动线圈、磁缸盖、上罩圈、动圈、环状气隙和台体；

所述台体设置于机座上，所述励磁线圈设置于台体上，所述励磁线圈和驱动线圈之间设置有环状气隙，所述驱动线圈设置于台体上，所述磁缸盖设置于台体上，所述上罩圈设置于磁缸盖上，所述动圈设置于上罩圈上。

进一步，所述测试接口包括模拟导线和底座；模拟导线经底座与振动台底座相连。

进一步，所述振动控制仪按照预设的逐渐逼近振动控制方法进行操作，所述逐渐逼近振动控制方法具体采用以下步骤来实现：

设置试验频率和振级参数；

初始化信号发生器；

将信号发生器的输出从零逐渐调节到最佳输出范围下限值；

调节功率放大器增益，使信号发生器的输出保持在最佳输出范围内；

测出振动台的实际振级；

判断信号发生器的输出与振动台目标参数的差值是否达到预设阈值，如果是则输出信号发生器的输出值；

如果否，则调整信号发生器输出大小返回步骤直到振动台的达到目标参数。

本发明还提供了一种现场环境下输电线路监测装置计量方法，包括以下步骤：

设置试验频率和振级参数；

初始化信号发生器；

将信号发生器的输出从零逐渐调节到最佳输出范围下限值；

调节功率放大器增益，使信号发生器的输出保持在最佳输出范围内；

测出振动台的实际振级；

判断信号发生器的输出与振动台目标参数的差值是否达到预设阈值，如果是则输出信号发生器的输出值；

如果否，则调整信号发生器输出大小返回步骤直到振动台的达到目标参数。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提供的现场环境下输电线路监测装置计量系统，可加强在实验室环境下对输电线路微风振动在线监测装置的质量管控，推动状态检修工作的可靠、有效开展。提高对输电线路微风振动在线监测装置测量数据准确性、可靠性的技术管控能力。通过基于计量保证方案原理的输电线路微风振动在线监测装置测量数据准确度、可靠性评价关键技术及标准装置的研究，将提高对状态检修测量装备的技术管控能力，加强对输电线路微风振动在线监测装置测量数据的准确性和可靠性的监督，有效提高事故预判和排查能力，提高安全生产水平和检修工作效率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1-1为本发明的现场环境对被试设备的影响来源。

图2-1为本发明的在线监测系统框图之一。

图2-2为本发明的在线监测系统框图之二。

图3-1为本发明的计量标准器设计方案的原理图。

图3-2为本发明的标准振动系统的结构图。

图3-3为本发明的振动台的原理图。

图3-4为本发明的功率放大器的逻辑原理图。

图3-5为本发明的振动控制仪的软件功能图。

图3-6为本发明的振动控制仪的传递函数图。

图3-7为本发明的逐渐逼近振动控制算法的流程图。

图3-8为本发明的定频校准流程图。

图中，1为激振模块、2为测振模块、3为测试接口、4为振动控制仪；

51为机座、52为中心磁极、53为磁缸底、54为励磁线圈、55为驱动线圈、56为磁缸盖、57为上罩圈、58为动圈、59为环状气隙、510为台体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图所示，本实施例提供的一种现场环境下输电线路监测装置计量系统，包括激振模块1、测振模块2、测试接口3和振动控制仪4；

所述激振模块用于向在线监测装置提供振动源；所述测振模块用于检测在线监测装置在振动源所激励振动的各个参数；所述测试接口将测量数据传输到振动控制仪进行数据处理。

所述激振模块包括振动台、传感器、振动控制仪、功率放大器和冷却系统；

所述振动台上设置有传感器用于获取激励振动参数；所述振动控制仪与传感器连接；所述功率放大器与振动控制仪连接；所述冷却系统分别与振动台和功率放大器连接。

所述振动台包括机座51、中心磁极52、磁缸底53、励磁线圈54、驱动线圈55、磁缸盖56、上罩圈57、动圈58、环状气隙59和台体510；

所述台体设置于机座上，所述励磁线圈设置于台体上，所述励磁线圈和驱动线圈之间设置有环状气隙，所述驱动线圈设置于台体上，所述磁缸盖设置于台体上，所述上罩圈设置于磁缸盖上，所述动圈设置于上罩圈上。

所述测试接口包括模拟导线和底座；模拟导线经底座与振动台底座相连。

所述振动控制仪按照预设的逐渐逼近振动控制方法进行操作，所述逐渐逼近振动控制方法具体采用以下步骤来实现：

设置试验频率和振级参数；

初始化信号发生器；

将信号发生器的输出从零逐渐调节到最佳输出范围下限值；

调节功率放大器增益，使信号发生器的输出保持在最佳输出范围内；

测出振动台的实际振级；

判断信号发生器的输出与振动台目标参数的差值是否达到预设阈值，如果是则输出信号发生器的输出值；

如果否，则调整信号发生器输出大小返回步骤直到振动台的达到目标参数。

本实施例还提供了一种现场环境下输电线路监测装置计量方法，包括以下步骤：

设置试验频率和振级参数；

初始化信号发生器；

将信号发生器的输出从零逐渐调节到最佳输出范围下限值；

调节功率放大器增益，使信号发生器的输出保持在最佳输出范围内；

测出振动台的实际振级；

判断信号发生器的输出与振动台目标参数的差值是否达到预设阈值，如果是则输出信号发生器的输出值；

如果否，则调整信号发生器输出大小返回步骤直到振动台的达到目标参数。

实施例2

本实施例提供的架空输电线路微风振动在线检测系统，使用弯曲振幅法作为测量地导线微风振动的标准方法。弯曲振幅法的定义如图2，测取电线距线夹出口89mm处电线相对于线夹的弯曲振幅，并以此值大小来测算导线在线夹出口处的动弯应变，作为测量导线振动的标准方法。采用相对振幅的测量方法，来衡量导线受微风振动的危害程度，实践证明是测量悬垂线夹处导线振动的实用方法。

本实施例提供的微风振动在线监测装置的参数如下：

振幅测量范围：依据被测导地线的类型，微风振动采集单元的振幅测量范围为下列二种之一：a)0～0.6mm(p－p)；b)0～1.3mm(p－p)。频率测量范围：频率测量范围至少为0～150Hz。

依据Q/GDW 245-2010《架空输电线路在线监测系统通用技术条件》，在线监测系统分两种情况：

第一种是：数据采集单元设置有短距离无线通信接口，用来与数据集中器进行数据通信，能自组织式进行相应的自检、采集、测量，并能将测量结果传输到数据集中器中，然后通过GPRS/GSM/CDMA等远距离通信网络将测量结果传输到数据处理系统，如图2-1所示；图2-1在线监测系统框图之一。

第二种是：数据采集单元本身携带有无线通信接口，直接与数据处理系统通过GPRS/GSM/CDMA等远距离通信网络与数据处理系统进行通信。能自组织式进行相应的自检、采集、测量，并能将测量结果传输到数据处理系统，如图2-2所示；图2-2在线监测系统框图之二。

输电线路微风振动在线监测装置计量系统如下：

根据Q/GDW 245-2010《输电线路微风振动监测装置技术规范》，微风振动在线监测装置按照JJG 676-2000《工作测振仪检定规程》中检定条件和方法进行校准：幅值非线性度的点应不少于6个，且均匀分布在整测量范围内(包括最大振动幅值)；频率响应的校准点不少7个，且分布在整个测量范围内(包括频响上限)。

整个计量标准装置分为激振模块、测振模块和测试接口组成。激振模块主要包括一个振动台、数字计数器、信号发生器、功率放大器组成，主要用于提供一个振动源。测振模块由一个标准传感器、放大器、数字电压表组成，主要用于测量振动源所激励振动的各个参数作为标准值。测试接口由模拟导线及底座组成，模拟导线经底座与振动台底座相连。为了减小测量误差，采用刚性连接。

具体方案如图3-1所示。图3-1为计量标准器设计方案的原理图

本项目提出的计量标准采用比较法校准，有两个关键点。

1.振动台是计量标准的激振模块的核心，需要产生一稳定的正弦振动，试品的传感器探头和标准传感器在振动台面上分别测量这一振动。本项目中的振动台提供标准的机械信号，应满足如下要求：

2.失真度要小，在2Hz～200Hz频率范围内，加速度失真应小于1％。

3.信噪比要高，一般要求信噪比应大于60dB。

4.横向运动分量要小。传感器具有横向效应，在校准时如果振动台面除了轴向运动外还有横向运动分量，被校传感器将对这一横向运动分量产生输出信号并叠加在轴向输出中，引入较大的附加误差。

5.频率范围要宽。输电线路微风振动在线监测装置的频率测量范围跨越低频和中频，尽可能在同一振动台上完成全部频率范围的校准。

6.要有较大的推力输出。推力与振动频率的平方成正比，当频率增大时，要求推力要有更大的裕度。

7.要有一定的负荷能力。

8.台面振动输出要稳定。振动台的频率和振幅稳定时，传感器的输出才能稳定，才能在稳定状态下得到准确的校准结果。一般要求加速度不稳定度在校准过程中应小于0.5％。

9.台面要有一定的刚度和表面光洁度。其粗糙度应优于0.8μm，这是一般传感器所要求的正常工作条件。

10.要尽量减少非振动环境对传感器的影响。振动台不产生或少产生对传感器灵敏度有影响的非振动环境。

在比较校准中，标准传感器的灵敏度是否准确和稳定，以及传感器的本身的性能质量如何，对校准结果有直接的影响。因此，需要对标准传感器有一定的要求或规定。具体地，应符合以下要求：

1.灵敏度必须准确。通常是用激光绝对法或互易法校准的。其参考灵敏度校准不确定度应在0.5％以内。

2.灵敏度长期稳定性要好。即在检定周期内灵敏度不应有明显变化。一般要求年稳定度应优于0.5％。

3.横向灵敏度一般应小于2％。

4.线性度应小于3％。

5.非振动环境灵敏度要低，如温度响应误差、磁灵敏度、基座应变灵敏度等应尽量地小。敏感元件应用天然石英或高稳定度的硬陶瓷材料等长期稳定性好且温度效应低的材料制成。

6.标准加速度计在校准和使用时，应与配套电荷放大器一起校准和使用。

4.1.2激振模块、测振模块的设计

在具体实施上，激振模块和测振模块可以由一个标准振动系统来实现，如图3-2所示。标准振动系统是一个在工作过程中能够自动控制振动参数量级的闭环控制系统，主要硬件包括：振动台体、功率放大器、标准传感器、控制仪和冷却系统。如图所示。

其工作原理是：振动控制仪中的信号发生器产生一个正弦信号，由功率放大器放大后驱动振动台产生标准的振动信号。振动控制仪中的数字频率计接收信号发生器的正弦信号，测量出该信号的频率作为频率标准值。标准传感器用于测量振动台的所提供机械信号的振幅，测量结果作为振幅标准值。图3-2为标准振动系统的结构图

振动台是标准振动系统的核心，结构如图3-3所示。

励磁线圈在振动台台体内建立磁场，励磁线圈与直流电源相连，在环行气隙里产生一个高磁通量。动圈部件，包括台面、骨架和驱动线圈，悬挂在振动台的环行气隙里。当交流电流通过驱动线圈时，电磁力会在驱动线圈的绕组上产生，使得台面产生向上和向下的往复移动，如图示中双向箭头处显示。台面的移动量取决于振动控制仪发出的驱动信号的大小和频率以及所加的负载质量。图3-3为振动台的原理图

功率放大器采用数字式(开关管式)设计，是一种高效率、模块化、风冷式功率放大器，当它与匹配的振动台和振动控制仪构成一个试验系统后，能够连续有效地工作。在放大器中采用的是脉宽调制技术(PWM)，能以非常高的效率放大电流。通过调制高频信号并将不必要的开关频率滤波后，能获得光滑的输出波形。其原理如图3-4所示。图3-4为功率放大器的逻辑原理图。

功率放大器提供振动台台体励磁线圈用的励磁电流、功率模块使用的电源，主要包括功率放大模块、逻辑模块及保护电路等。

振动控制仪是整个标准振动系统的关键部件，其主要对信号发生器、数字频率计、计数器和各个通信接口进行控制，通过人机交互界面输入控制参量，实现信号的按要求输出，完成传感器输出信号的采集、处理等功能。

振动控制仪内置软件系统可以协调各个硬件进行控制信号的输出驱动振动台，并采集传感器的输出信号进行处理，从而实现对试品的校准。其主要功能如图3-5所示。图3-5振动控制仪的软件功能图。

系统自检是对系统中各个硬件的功能和物理连接进行检查，以保证校准过程能够安全、稳定、可靠的进行。主控模块主要进行控制相应的硬件进行不同模式的信号发生、频率计数、数据采集及处理等功能，并将测量结果返回人机交互界面进行显示、保存及打印。

在设计振动控制仪控制算法时，需要考虑三个问题：

1.振动台激励响应时间。由于标准振动系统是一个反馈系统，如图3-6所示。在达到设置的振动参数时需要不断的调整，将采集到的数据经过处理后反馈给系统，以校正振动台的运动。信号发生器输出信号后，振动台的动作并不是随着信号马上改变，而是有一定的时延，需要一定的响应时间。图中：K(S)——振动控制算法传递函数；Ka(S)——功率放大器传递函数；H(S)——振动台传递函数；T(S)——传感器传递函数。图3-6振动控制仪的传递函数图。

2.振动的连续性。信号发生器一般是数字式的，导致其输出不是连续的，而是阶跃式变化，这将给振动台带来冲击。针对这种情况，需要确定一个合适的步长，使振动台在振动调整过程中，既不会产生明显的冲击，又能满足快速达到目标参数要求。

3.信号发生器的极限输出。在振动台工作过程中，当信号发生器的最大输出电压达到最大值或最小值时，还未达到目标振动参数，系统将会出现死循环。针对这种情况，需要动态调整功率放大器的增益。

基于这三个问题，设计了逐渐逼近振动控制算法，其流程如图3-7所示。

图中，m_freq——试验频率；m_level——试验振级；m_ampl——信号发生器输出；delta——信号发生器输出递增步长；truel——振动台实际振级；信号发生器最佳输出范围为(0.2～5)。

图3-7逐渐逼近振动控制算法的流程图

为了达到目标振动参数，该算法主要分为三个部分：

1.将信号发生器的信号输出增大到最佳输出范围下限。

2.经过系统反馈计算，将信号发生器输出信号增大到接近目标振动参数。

3.缓慢调整至目标振动参数。

在控制开始阶段，完成试验频率和振级等目标参数的输入，同时完成信号发生器的初始化工作。为了避免对振动台的冲击，将信号发生器的输出从零逐渐调节到最佳输出范围下限值。

调节功率放大器增益，使信号发生器的输出保持在最佳输出范围内，测出振动台的实际振级，根据信号的增大对振动台的影响基本是线性关系，从理论上计算出最终信号发生器的输出，该输出接近于振动台达到目标参数时信号发生器的输出。

将信号发生器的输出逐渐增大到接近理论最终输出值，通过不断的比较振动台实际振级与目标参数的差异，调整信号发生器输出大小，最终使振动达到稳定的目标参数。

为了能更简捷的对微风振动在线监测装置，本方案较多采用采用了定频校准模式，即每次校准点都选择固定振动的频率和振级。其流程如图3-8所示，图3-8为定频校准流程图。

增加微风振动在线监测装置的测试接口，使其可以对整个微风振动在线监测装置进行校准。

测试接口由模拟导线及底座组成，模拟导线经底座与振动台底座相连，采用刚性连接。进行校准时，输电线路微风振动在线监测装置安装在模拟导线上，调整传感器探头接触在振动台面上。标准传感器中心和试品传感器探头以振动台面中心对称放置。针对无探头的试品，可以直接安装在振动台面上的刚性模拟导线上。

计量标准的设计参数，输电线路微风振动在线监测装置的计量标准器主要对试品的频率、振幅进行校准。

采用微风振动在线监测装置的计量标准对微风振动在线监测装置进行校准，可使在线监测装置的量值溯源关系更加清晰明确，这是有效校准微风振动在线监测装置的关键。

本实施例提供的多种溯源方案，可直接溯源至振动台检定装置(频率测量范围为0.1Hz～5kHz，加速度测量范围为0.1m/s2～1000m/s2，不确定度为0.3％)，同时，因为计量标准需要溯源的参量分别是振幅和频率，分别由标准传感器和数字频率计测量得出。其中标准传感器可以依据JJG 676-2000《工作测振仪检定规程》，溯源至更高准确度的标准振动传感器或激光干涉仪，直至国家基准。数字频率计可以依据JJG349-2014《通用计数器检定规程》溯源至湖北计量测试研究院铷原子频率标准，直至国家时间基准。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。