本发明涉及输电线路领域，尤其涉及一种基于振动信号分析的架空输电线外力破坏预警方法。
背景技术：
架空输电线路故障会影响着电力系统的安全运行，严重时将导致大面积电力供应瘫痪，给国民经济造成重大损失。架空输电线路的振动是引起导线疲劳断股、金具磨损失效、甚至线路断裂等事故的主要原因；而架空输电线路振动则主要受线路周围气候因素的影响，现有的防振理论、防振装置都是建立在工作经验基础之上，只是减轻了架空输电线路振动的危害，远远不能杜绝因架空输电线路振动造成的输电线路故障。而架空输电线路大多建在地形复杂、人迹罕至的地带，采用人工定期巡线的方式不仅成本高，而且不能准确的判断出架空输电线路的运行状态，鉴于此，研究架空输电线路振动监测预警方法具有重要意义。
现有方法具有以下几个缺点：1)输电线路是由各种材料绞制而成，线路表面并不光滑平整，因此会影响传统的接触测量方式的准确性。2) 传统的测量方法所需要用到的设备必须安装到输电线路上，设备本身的重量等因素会影响到测量的准确性。3)输电线路周围存在强磁场会影响测量设备的正常工作。4)传统测量方法的安装难度大、安装成本高。由此可见，如何保证架空输电线路振动监测的精确性，降低振动监测装置的安装难度，减少安装成本是本领域内的技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于振动信号分析的架空输电线外力破坏预警方法，能够保证架空输电线路振动监测的精确性，且振动检测装置的安装难度低。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种基于振动信号分析的架空输电线外力破坏预警方法，包括以下步骤：
在输电线上设置极低频振动传感器，所述极低频振动传感器用于检测频率为0.5HZ以下的线路舞动信号；
在输电线上设置中频振动传感器，所述中频振动传感器用于检测频率为10至2000HZ的线路振动信号。
进一步，根据所述极低频振动传感器的检测信号对线路舞动的分析步骤为：
S1、对所述极低频率振动传感器采集的极低频振动信号进行预处理；
S2、对预处理后的所述振动信号进行离散小波变换，得到小波系数；
S3、对所述小波系数进行快速傅里叶变换，得出小波系数的频谱，以及各层小波系数的样点数；
S4、按照频率的高低顺序，将所述各层小波系数的样点数合成完整频谱；
S5、计算所述各层小波系数的能量；
S6、将振动信号特征频带范围量与设定阈值进行比较，以确定输电线是否舞动。
进一步，根据中频振动传感器的检测信号进行微风振动和线路异常的分析步骤为：
1)、对所述中频振动传感器采集的中频振动信号进行预处理；
2)、对预处理后的振动信号进行离散小波变换，得到小波系数；
3)、对所述小波系数进行快速傅里叶变换，得出小波系数的频谱，以及各层小波系数的样点数；
4)、按照频率的高低顺序，将所述各层小波系数的样点数合层完整频谱；
5)、计算所述各层小波系数能量；
6)、将振动信号特征频带范围量与设定阈值进行比较，以确定输电线是否舞动；
进一步，A1、分别对所述极低频振动信号和所述中频振动信号分析得到的小波系数能量建立能量特征矩阵；
A2、计算能量特征矩阵的特征值，将非零特征值组成一个特征向量；
A3、选取特征向量中的最大值作为线路潜在外力破坏的特征参数，根据特征参数的变化幅度和绝对幅值与设定阈值的比较结果，发出预警信号。
进一步，步骤S1中，极低频振动信号进行预处理为信号滤波处理。
进一步，步骤S2中，小波系数的获取方式为：
其中，为第0层小波包，s(n)为采集的原始振动信号，为是第j层小波包分解中的第i个小波包系数，hk为离散低通滤波器的第k个系数， gk为离散高通滤波器的第k个系数，j为小波分解的层数。
进一步，步骤S3中，所述小波系数的频谱获取方式为：计算原始信号数据s(n)的采样频率Fs及信号的频率范围F，对小波系数进行FFT 快速傅里叶变换，根据计算变换后的幅值，以频率范围F为横坐标画出频谱图，得到小波系数的频谱。
进一步，所述极低频率振动传感器为磁悬浮式超低频振动传感器。
其中，极低频振动传感器和中频振动传感器与信号处理电路相连接，信号处理电路和DSP信号处理单元相连接，DSP信号处理单元与无线通信单元相连接，无线通信单元用于向远程发送DSP信号处理单元处理后的振动信号。
为了保证电源供应，供电单元为线路高压感应取电装置和锂电池的组合电源。其中，线路高压感应取电装置包括卡环取电模块，卡环取电模块包括高压感应去电卡环和电源转换模块，电源转换模块内置两种电源转换芯片，分别为：LM2575HVS芯片和AMS1117芯片，分别用于5v电源提供和 3.3v电源提供。
卡环取电模块的基本工作原理：当输电导线通过交变大电流时，其周围产生交变磁场，经过铁芯和线圈组成的卡环后，在感应线圈两端产生感应电动势，再经过整流桥，将交流电转换为直流电，同时经过电源转换模块，转换成不同的电压给实现各个模块供电和锂电池充电。
DSP信号处理单元采用TMS320系列芯片。信号处理电路包括依次连接的滤波电路、放大电路和A/D转换电路。
该装置无需繁杂的布线工作，安装、调试简单且结果准确度高，可实时监测输电线路是否存在导致输电线路发生线路异常的振动信号。
本发明的有益效果为：本发明方法适用于线路覆冰、线路挂载漂浮物等异常机械载荷的预警；无需繁杂的布线工作，安装、调试简单且结果准确度高，可实时监测输电线路，自动判断天气等外力破坏是否导致输电线路发生线路机械载荷异常或线路弧垂变化，当确定输电线路发生异常时及时进行预警，以便采取防御措施，防止事故的发生，避免电网受到更大范围的影响。
附图说明
图1为本发明一种基于振动信号分析的架空输电线外力破坏预警方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，一种基于振动信号分析的架空输电线外力破坏预警方法，包括以下步骤：
在输电线上设置极低频振动传感器，所述极低频振动传感器用于检测频率为0.5HZ以下的线路舞动信号；
在输电线上设置中频振动传感器，所述中频振动传感器用于检测频率为10至2000HZ的线路振动信号。
根据所述极低频振动传感器的检测信号对线路舞动的分析步骤为：
S1、对所述极低频率振动传感器采集的极低频振动信号进行预处理；
其中，极低频振动信号进行预处理为信号滤波处理。
S2、对预处理后的所述振动信号进行离散小波变换，得到小波系数；
步骤S2中，小波系数的获取方式为：
其中，为第0层小波包，s(n)为采集的原始振动信号，为是第j层小波包分解中的第i个小波包系数，hk为离散低通滤波器的第k个系数， gk为离散高通滤波器的第k个系数，j为小波分解的层数。
S3、对所述小波系数进行快速傅里叶变换，得出小波系数的频谱，以及各层小波系数的样点数；
步骤S3中，所述小波系数的频谱获取方式为：计算原始信号数据s(n) 的采样频率Fs及信号的频率范围F，对小波系数进行FFT快速傅里叶变换，根据计算变换后的幅值，以频率范围F为横坐标画出频谱图，得到小波系数的频谱。
S4、按照频率的高低顺序，将所述各层小波系数的样点数合成完整频谱；
S5、计算所述各层小波系数的能量；
S6、将振动信号特征频带范围量与设定阈值进行比较，以确定输电线是否舞动。
根据中频振动传感器的检测信号进行微风振动和线路异常的分析步骤为：
1)、对所述中频振动传感器采集的中频振动信号进行预处理；
2)、对预处理后的振动信号进行离散小波变换，得到小波系数；
其中，步骤2)中，小波系数的获取方式为：
其中，为第0层小波包，s(n)为采集的原始振动信号，为是第j层小波包分解中的第i个小波包系数，hk为离散低通滤波器的第k个系数， gk为离散高通滤波器的第k个系数，j为小波分解的层数。
3)、对所述小波系数进行快速傅里叶变换，得出小波系数的频谱，以及各层小波系数的样点数；
步骤3)中，频谱的获取为：计算原始信号数据s(n)的采样频率Fs及信号的频率范围F，对小波系数进行FFT快速傅里叶变换，根据计算变换后的幅值，以频率范围F为横坐标画出频谱图，得到小波系数的频谱。
4)、按照频率的高低顺序，将所述各层小波系数的样点数合层完整频谱；
5)、计算所述各层小波系数能量；
6)、将振动信号特征频带范围量与设定阈值进行比较，以确定输电线是否舞动；
A1、分别对所述极低频振动信号和所述中频振动信号分析得到的小波系数能量建立能量特征矩阵；
A2、计算能量特征矩阵的特征值，将非零特征值组成一个特征向量；
A3、选取特征向量中的最大值作为线路潜在外力破坏的特征参数，根据特征参数的变化幅度和绝对幅值与设定阈值的比较结果，发出预警信号。
所述极低频率振动传感器为磁悬浮式超低频振动传感器。
其中，极低频振动传感器和中频振动传感器与信号处理电路相连接，信号处理电路和DSP信号处理单元相连接，DSP信号处理单元与无线通信单元相连接，无线通信单元用于向远程发送DSP信号处理单元处理后的振动信号。
为了保证电源供应，供电单元为线路高压感应取电装置和锂电池的组合电源。其中，线路高压感应取电装置包括卡环取电模块，卡环取电模块包括高压感应去电卡环和电源转换模块，电源转换模块内置两种电源转换芯片，分别为：LM2575HVS芯片和AMS1117芯片，分别用于5v电源提供和 3.3v电源提供。
卡环取电模块的基本工作原理：当输电导线通过交变大电流时，其周围产生交变磁场，经过铁芯和线圈组成的卡环后，在感应线圈两端产生感应电动势，再经过整流桥，将交流电转换为直流电，同时经过电源转换模块，转换成不同的电压给实现各个模块供电和锂电池充电。
DSP信号处理单元采用TMS320系列芯片。信号处理电路包括依次连接的滤波电路、放大电路和A/D转换电路。
该装置无需繁杂的布线工作，安装、调试简单且结果准确度高，可实时监测输电线路是否存在导致输电线路发生线路异常的振动信号。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。