输电线缆弧垂监测系统及方法

本发明涉及输电线缆弧垂监测，特别是涉及一种输电线缆弧垂监测系统及方法。

背景技术：

1、随着现代社会对电力供应的不断增长需求，输电线路作为电力能量传输的重要通道，其安全性和稳定性显得尤为重要。为保证输电线路的安全性和稳定性，对输电线缆进行弧垂监测必不可少。然而，传统的输电线缆弧垂监测方法主要采用人工巡检和固定传感器等手段，此传统输电线缆弧垂监测方法存在一些明显的弊端，限制了电力系统的稳定运行和安全性保障。

2、存在的弊端：

3、1、人工巡检效率低下：传统的人工巡检需要人员登上输电线塔进行视觉检查，不仅耗时耗力，还存在一定的安全风险，而且可能因为人为疏忽或主观判断产生误差。

4、2、固定传感器限制：固定传感器通常只能监测特定位置的弧垂情况，无法全面覆盖整条输电线路，因此容易出现监测盲区，无法及时掌握线路的整体状态。

5、3、实时性不足：传统方法的数据采集和传输速度较慢，无法实现对输电线路弧垂状态的实时监测，导致无法迅速响应异常情况。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种输电线缆弧垂监测系统及方法，能够提高监测效率与正确性，消除人工巡检的安全隐患；能够实现远程实时监测与预警，实现智能分析与管理，提高实时性；能够消除监测盲区，实现对整条线路的全方位监测。

2、一种输电线缆弧垂监测系统，其关键在于，所述硬件模块设置有数据采集模块和数据传输模块；所述数据采集模块用于采集线缆张力数据，并对该线缆张力数据进行初步处理；所述数据传输模块用于将初步处理后的线缆张力数据传输至系统数据后台，该系统数据后台通过还原函数将所述线缆张力数据还原成弧垂高度数据；

3、所述软件模块设置有数据处理模块、数据存储模块和数据可视化模块；所述数据处理模用于获取系统数据后台中的所述弧垂高度数据，并对该弧垂高度数据进行预处理；所述数据存储模块用于将预处理后的弧垂高度数据进行存储；所述数据可视化模块用于调用所述数据存储模块中的弧垂高度数据创建图表，实现可视化监测。

4、硬件模块主要用于感知线缆张力变化，获取相应的电信号，并将该信号发送至系统数据后台；软件模块主要是将硬件所获得的数据进行处理，并提供存储方案和可视化功能，实现实时的可视化监测。

5、输电线缆弧垂监测系统借助硬件与软件双重系统之协作，切实实现对于极端天气条件下输电线缆弧垂数据的全面监测，提高了实时监测和预警功能，提高了输电线缆的安全性和稳定性，为电力输送事业提供了坚实的保障。

6、所述数据采集模块设置有传感器单元和数据采集单元；

7、所述传感器单元设置有至少2个高精度张力传感器，至少2个所述高精度张力传感器分布式固定在线缆上，用于实时感知该线缆张力变化；

8、所述数据采集单元包括有arduino微控制器，所述arduino微控制器用于采集所述高精度张力传感器实时感知的线缆张力数据；

9、所述数据采集单元还包括模数转换器和嵌入式处理器fpga，所述模数转换器将所述线缆张力数据从模拟信号转换成数字信号，所述嵌入式处理器fpga用于对转换后的线缆张力数据进行初步处理；

10、所述数据传输模块采用lora技术，将初步处理后的线缆张力数据远距离传输至所述系统数据后台。

11、采用分布式布置固定高精度张力传感器，能够全面覆盖输电线路各个关键位置，消除了监测盲区，确保对整条线路的全方位监测；选用arduino微控制器能够快速采集和传输数据，确保数据能够即时地反映输电线的状态，保障了数据的实时性；通过数模转换器和嵌入式处理器fpga对信号进行转换和处理，可以提高数据的稳定性和质量，便于后续进行数据分析；lora技术能够实现远程数据传输，适用于远程监测场景。

12、所述数据处理模块设置有处理空值、剔除异常值和滤波处理；

13、所述数据存储模块设置有时间序列数据库influxdb，该时间序列数据库influxdb对预处理后的数据按照时间顺序进行数据存储，并自动为时间和标签字段建立索引；所述数据存储模块中还设置有mysqldump工具，对时间序列数据库influxdb进行定期的备份，防止数据丢失，保障数据安全；

14、所述数据可视化模块设置有grafana工具，该grafana工具调用所述时间序列数据库influxdb中的数据，生成弧垂高度时序图、弧垂高度分布图和弧垂高度地理分布图，从而实现可视化监测。

15、因为弧垂高度的数据具有很强的时间序列特性，为此选用时间序列数据库influxdb来进行数据存储；该influxdb具有简单的数据模型和查询语言，其查询语言influxql具有强大的查询和聚合功能，能够通过influxql进行数据的查询和计算，例如获取某个时间段的数据和计算某个时间段的平均弧垂高度；该influxdb还在设计上针对时间序列数据进行了优化，具有高写入和高查询性能，能够处理大规模的数据量；该influxdb还能通过时间序列数据的特性进行数据压缩，可以有效地减小数据存储的大小；除此之外，该influxdb支持水平扩展，可以通过添加更多的节点来增加存储和查询能力。

16、一种输电线缆弧垂监测方法，其关键在于，包括以下步骤：

17、步骤1：张力传感器实时感知线缆张力变化，产生电压信号，并发送至信号采集单元；

18、步骤2：所述信号采集单元中的模数转换器将所述电压信号转化成数字信号，并发送至嵌入式处理器fpga；

19、步骤3：所述嵌入式处理器fpga对所述数字信号进行滤波和噪声消除的初步处理；

20、步骤4：数据传输模将初步处理后的数字信号发送至系统数据后台；

21、步骤5：在所述系统数据后台内通过还原函数，将所述数字信号还原成弧垂高度数据；

22、步骤6：数据处理模块采集系统数据后台内的所述弧垂高度数据，并对该弧垂高度数据进行预处理；

23、步骤7：数据存储模块将预处理后的弧垂高度数据进行存储；

24、步骤8：数据可视化模块调用所述数据存储模块中的弧垂高度数据，生成可视化图表，实现可视化监测。

25、在上述方法中张力传感器实时感知线缆张力变化，发出电压信号，通过模数转换器和嵌入式处理器fpga，将该电压信号从模拟信号转化为数字信号，并进行滤波和噪声消除操作，提高该电压信号的质量和稳点性，保证该信号在传输中不会被篡改或泄露。

26、通过线缆特性分析数据得到转换函数，通过该还原函数将电压信号还原成弧垂高度数据，并且通过预处理消除所述弧垂高度数据噪音，提高了该弧垂高度数据的质量和稳点性，方便数据存储模块存储和数据可视化模块调用。

27、步骤5中的还原函数表达式为：

28、f(x)＝-a×x2+b×x-c；

29、其中，x为线缆张力值与线缆张力基准值比值，f(x)为输出弧垂高度，a、b、c均为常数。

30、所述线缆张力基准值对应弧垂高度基准值，在该基础上任意一线缆张力值与线缆张力基准值进行比值换算，通过还原函数将线缆张力数据还原成一一对应的弧垂高度数据，实现了弧垂高度数据的有效采集。

31、线缆跨度为100m时，所述常数a＝-116.1905、常数b＝322.7619、常数c＝204.9000，代入所述还原函数表达式，得出线缆跨度为100m的还原函数；

32、所述线缆跨度为100m的还原函数为：

33、f(x100)＝-116.1905×x1002+322.7619×x100-204.9000；

34、其中，x100为线缆跨度为100m的线缆张力值与线缆张力基准值比值，f(x100)为线缆跨度为100m的输出弧垂高度；

35、线缆跨度为200m时，所述常数a＝-135.0000、常数b＝369.7738、常数c＝235.4042，代入所述还原函数表达式，得出线缆跨度为200m的还原函数；

36、所述线缆跨度为200m的还原函数为：

37、f(x200)＝-135.0000×x2002+369.7738×x200-235.4042；

38、其中，x200为线缆跨度为200m的线缆张力值与线缆张力基准值比值，f(x200)为线缆跨度为200m的输出弧垂高度。

39、采集n个线缆张力比值和与对线缆张力比值应的弧垂高度值，作为训练样本，将训练样本代入还原函数表达式，得到确定的常数a、b、c。

40、所述训练样本与线缆跨度一一对应，通过不同的训练样本，拟合出不同跨度线缆的还原函数。

41、步骤1中的电压信号随着线缆张力变化而变化。

42、所述电压信号为电压值，该电压值大小与线缆张力大小一一对应。根据电压值大小能够换算出与之对应的线缆张力数据，便于后续进行数据还原。

43、步骤6中的预处理包括有处理空值、剔除异常值和滤波处理；

44、所述处理空值是通过插值或删除值对所述弧垂高度数据进行处理；所述剔除异常值是在所述弧垂高度数据中进行查找，查找到异常数据时，对该异常数据进行剔除；所述滤波处理是通过卡尔曼滤波器对所述弧垂高度数据进行滤波处理，从而减少所述弧垂高度数据噪音。

45、预处理能够提高数据质量和准确性，提高数据的可靠性和可信度，确保数据分析的结果可靠。

46、步骤7中的所述数据存储模块采用时间序列数据库influxdb，该时间序列数据库influxdb将预处理后的弧垂高度数据按照时间顺序进行插入存储，并且在插入所述弧垂高度数据时，自动为时间和标签字段建立索引。

47、弧垂高度数据具有很强的时间序列特性，采用时间序列数据库influxdb能够根据所述弧垂高度数据的时间序列特性来进行数据存储；同时该influxdb强大的查询和聚合功能，能够满足弧垂高度数据的查询和计算要求，便于后续实现可视化监控。

48、步骤8中的所述可视化模块采用grafana工具，该grafana工具与所述时间序列数据库influxdb相连，并添加该时间序列数据库influxdb作为数据源；

49、所述grafana工具调用所述时间序列数据库influxdb中的弧垂高度数据创建弧垂高度时序图、弧垂高度分布图和弧垂高度地理分布图，并同时设置查询语句。

50、所述弧垂高度时序图是最基本的可视化形式，能够直观地展示线缆弧垂高度随时间的变化情况；所述弧垂高度分布图能够展示所有线缆弧垂高度的分布情况，帮助了解整体弧垂高度情况；所述弧垂高度地理分布图是根据线缆的地理位置信息，将弧垂高度的信息与地图结合，展示出每根线缆的位置和其弧垂高度的情况；通过所述弧垂高度时序图、所述弧垂高度分布图和所述弧垂高度地理分布图，实现了线缆弧垂情况的远程实时监测与预警，实现了线缆弧垂情况的智能分析与管理。

51、有益效果：1、实现自动化监测，消除人工巡检的安全隐患，避免人为疏忽或主观判断产生误差，提高监测效率与正确性。

52、2、分布式布置张力传感器，全面覆盖整条输电线路，消除监测盲区，实现整条线路的全方位监测，能够及时掌握线路的整体状态。

53、3、提高了数据采集和传输速度，提高了实时性，实现了远程实时监测与预警，实现智能分析与管理，能够迅速响应异常情况。