专利名称：基于微惯性测量组合的输电导线舞动定位系统及定位方法
技术领域：
本发明属于输变电设备状态在线监测技术领域，涉及一种输电导线舞动定位系统，具体涉及一种基于微惯性测量的输电导线舞动定位系统，本发明还涉及上述系统的定位方法。
背景技术：
近年来，随着我国特高压输电工程的迅速开展，架空输电线路舞动事故发生的频率和强度明显增加，舞动已成为当前我国威胁线路安全的最主要因素之一。我国是世界上导线舞动多发区之一，舞动涉及到各个电压等级的输电线路。2000年以来，我国几乎每年都发生较严重的舞动事故，严重影响了电网的安全运行，造成了巨大的经济损失。架空输电线路舞动的研究涉及空气动力、悬索振动、气固耦合、气象研究等学科， 是一门多学科的综合课题，目前国内外对输电线路导线舞动的研究主要还是集中在舞动的激发机理、舞动的数学模型、防舞装置的设计等方面。导线舞动监测方法主要有远程图像监控、舞动在线监测装置等，远程图像监控得到的舞动图片只能实现对线路的定性分析，不能为舞动机理分析和防舞装置的设计提供科学数据和基本资料，且其工作受环境影响较大； 在舞动在线监测装置方面，目前尚没有稳定、可靠的装置实现输电线路舞动的精确监测， 经过研究分析，提出了基于微惯性测量组合的输电导线舞动定位方法，采用惯性测量组合 (加速度传感器和陀螺仪)器件，通过算法处理解算得到物体的实时位置、姿态等信息，并通过数学模型进行舞动轨迹修正，实现了对输电线路舞动最直接、最直观的监测，大大提高了监测的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微惯性测量的输电导线舞动定位系统，解决了现有导线舞动监测系统只能实现对线路的定性分析，不能为舞动机理分析和防舞装置的设计提供科学数据和基本资料，且其工作受环境影响较大的问题。本发明的另一目的是提供一种上述系统的定位方法。本发明所采用的技术方案，基于微惯性测量的输电导线舞动定位系统，包括相连接的监控中心及杆塔监测主机，杆塔监测主机上通过无线连接有至少两个无线惯性传感器节点，每个无线惯性传感器节点包括三轴加速度传感器及三轴陀螺仪。本发明所采用的另一技术方案，基于微惯性测量的输电导线舞动定位方法，采用基于微惯性测量的输电导线舞动定位系统，该系统的结构为包括相连接的监控中心及杆塔监测主机，杆塔监测主机上通过无线连接有至少两个无线惯性传感器节点，每个无线惯性传感器节点包括三轴加速度传感器及三轴陀螺仪；具体按照以下步骤实施步骤1 在架空输电线路某一档距内安装两个或两个以上无线微惯性传感器节点，三轴加速度传感器采集导线节点上三个方向的加速度分量；三轴陀螺仪采集导线空间运动的角速率，将采集到的导线节点上三个方向的加速度分量、导线空间运动的角速率，通过zigbee模块传输至微处理器单元，微处理器单元对得到的数据进行编码和压缩处理，经 GPRS模块送至监控中心；步骤2 监控中心对步骤1得到的处理后的数据进行舞动轨迹还原计算，依次进行消除趋势项和直流分量、数字滤波及卡尔曼滤波处理、矩阵坐标变换、位移积分运算，得到导线舞动的频率和幅值，根据导线舞动的频率和幅值得到整条输电线路的舞动波形。本发明的特点还在于，其中的杆塔监测主机，包括微处理器单元，以及微处理器单元上分别连接的数据存储单元、ZigBee模块、GPRS模块、液晶显示模块、系统电源及微气象信息监测单元。其中的微气象信息监测单元包括温湿度传感器、雨量传感器、风向传感器、风速传感器及日照传感器。其中的步骤2中的消除趋势项和直流分量，具体按照以下步骤实施均值法消除直流分量，选用去均值的方法，首先计算η个采样点的平均值
权利要求
1.基于微惯性测量的输电导线舞动定位系统，其特征在于，包括相连接的监控中心 (4)及杆塔监测主机(1)，杆塔监测主机(1)上通过无线连接有至少两个无线惯性传感器节点O)，每个无线惯性传感器节点( 包括三轴加速度传感器(2-1)及三轴陀螺仪0-2)。
2.根据权利要求1所述的基于微惯性测量的输电导线舞动定位系统，其特征在于，所述的杆塔监测主机(1)，包括微处理器单元(5)、以及微处理器单元( 上分别连接的数据存储单元(6)、ZigBee模块(7)、GPRS模块(3)、液晶显示模块(8)、系统电源(9)及微气象信息监测单元(10)。
3.根据权利要求2所述的基于微惯性测量的输电导线舞动定位系统，其特征在于，所述的微气象信息监测单元(10)包括温湿度传感器(10-1)、雨量传感器(10-2)、风向传感器 (10-3)、风速传感器(10-4)及日照传感器(10-5)。
4.基于微惯性测量的输电导线舞动定位方法，其特征在于，采用基于微惯性测量的输电导线舞动定位系统，该系统的结构为包括相连接的监控中心(4)及杆塔监测主机(1)， 杆塔监测主机(1)上通过无线连接有至少两个无线惯性传感器节点O)，每个无线惯性传感器节点( 包括三轴加速度传感器(2-1)及三轴陀螺仪0-2)；具体按照以下步骤实施步骤1 在架空输电线路某一档距内安装两个或两个以上无线微惯性传感器节点0)， 三轴加速度传感器(2-1)采集导线节点上三个方向的加速度分量；三轴陀螺仪(2- 采集导线空间运动的角速率，将采集到的导线节点上三个方向的加速度分量、导线空间运动的角速率，通过zigbee模块(7)传输至微处理器单元(5)，微处理器单元( 对得到的数据进行编码和压缩处理，经GPRS模块C3)送至监控中心；步骤2 监控中心(4)对步骤1得到的处理后的数据进行舞动轨迹还原计算，依次进行消除趋势项和直流分量、数字滤波及卡尔曼滤波处理、矩阵坐标变换、位移积分运算，得到导线舞动的频率和幅值，根据导线舞动的频率和幅值得到整条输电线路的舞动波形。
5.根据权利要求4所述的基于微惯性测量的输电导线舞动定位方法，其特征在于，所述的杆塔监测主机(1)，包括微处理器单元(5)，以及微处理器单元( 上分别连接的数据存储单元(6)、ZigBee模块(7)、GPRS模块(3)、液晶显示模块(8)、系统电源(9)及微气象信息监测单元(10)。
6.根据权利要求5所述的基于微惯性测量的输电导线舞动定位方法，其特征在于，所述的微气象信息监测单元(10)包括温湿度传感器(10-1)、雨量传感器(10-2)、风向传感器 (10-3)、风速传感器(10-4)及日照传感器(10-5)。
7.根据权利要求4所述的基于微惯性测量的输电导线舞动定位方法，其特征在于，所述的步骤2中的消除趋势项和直流分量，具体按照以下步骤实施均值法消除直流分量，选用去均值的方法，首先计算η个采样点的平均值
8.根据权利要求4所述的基于微惯性测量的输电导线舞动定位方法，其特征在于，所述的步骤2中的数字滤波及卡尔曼滤波处理，具体按照以下步骤实施首先将采集到的离散数据点X(η)，经过离散傅里叶变换得到一个复数序列X(k)，然后对X(k)进行数字频域滤波处理，其表达式为
9.根据权利要求4所述的基于微惯性测量的输电导线舞动定位方法，其特征在于，所述的步骤2中的矩阵坐标变换，具体按照以下步骤实施采用欧拉角法描述刚体的角位置 两个坐标系之间的角位置可以用三个独立转动的转角来确定，第一次转动绕刚体坐标系的任意一根轴，第二次转动可以绕其余两根轴的任一根，第三次绕两根中的另一根进行；假设初始状态载体坐标系OxmyiA1与地理坐标系OXtlYc^重合，随着导线的舞动，载体坐标系 OXmyiA1S生扭转，先绕0 顺时针方向转动α角到达位置oXlylZl ；再绕Oy1轴顺时针方向转动β角，到达位置ox2y2z2，最后饶0 转动Y角到达位置oxnynzn，载体坐标系相对地理坐标系转过的角度α，β，Y称为欧拉角，根据坐标轴转动的顺序，载体坐标系与地理坐标系之间的转换矩阵为
10.根据权利要求4所述的基于微惯性测量的输电导线舞动定位方法，其特征在于，所述的步骤2中的位移积分运算，具体按照以下步骤实施时域积分假定物体从时刻、运动到时刻tn做变速运动，初始速度为Vtl，位移为s，加速度为 (i = 1，2，. . . η)，根据数学积分公式可得咖如糊如徘.....如
全文摘要
本发明公开的基于微惯性测量的输电导线舞动定位系统，包括相连接的监控中心及杆塔监测主机，杆塔监测主机上通过无线连接有至少两个无线惯性传感器节点，每个无线惯性传感器节点包括三轴加速度传感器及三轴陀螺仪。采用上述系统进行定位的方法，通过无线惯性传感器节点采集导线监测点三个方向加速度值和状态空间角度，监控中心对各监测点数据采用傅里叶变换、最小二乘法、数字滤波、卡尔曼滤波、矩阵坐标变换、频域积分运算等算法进行处理和分析，拟合得到整条线路的舞动轨迹，并依据舞动特征量与微气象条件关系的数学模型，对舞动轨迹修正，提高了舞动监测的精度，实现了输电线路舞动最直接、最直观的监测。
文档编号G01M7/02GK102279084SQ20111011231
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月3日 优先权日2011年5月3日
发明者李国倡, 赵隆, 黄新波 申请人:西安工程大学