专利名称：基于差分gps的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统输电线路导线测量技术领域，尤其涉及一种基于差分 GPS(GlobalPositioning System)的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统。
背景技术：
20世纪30年代以来，输电线路舞动事故较多的美、加、苏、英、日等国相继投入了 巨大的人力与物力，从舞动机理、防舞措施及相关理论、模型与现场试验、计算机仿真等方 面进行了研究。输电线舞动是发生于恶劣的自然条件下受许多因素影响的三维运动，发生机理非 常复杂，迄今还没有被普遍接收的机理学说，特别是线路采用分裂导线后，增添了子导线问 相互影响的因素，问题更趋复杂。导线舞动的影响因素研究主要来源于现场的相关数据，因 此，导线舞动监测技术在舞动研究中具有重要地位，通过监测，可以掌握舞动发生的范围、 频度、以及易于舞动的气象、地形条件，监测又是验证防舞动设计计算理论、确定防舞动方 案以及防舞动效果的重要手段。尽管世界上早在上世纪30年代就开始对导线的风偏问题开始研究，但因其机理 十分复杂，迄今为止的研究成果还远不能满足工程实际的需求。由于我国风偏研究工作开 展较晚，监测工作还远未跟上，显然，为了获取全面、可靠的第一手资料，有必要加强导线风 偏实时监控，同时也应对导线风偏的监测技术加以研究。导线风偏监测的目的是获取有关风偏的一系列基本数据，从而进一步为风偏分析 研究提供科学依据和基本资料。基于这一目的，风偏监测的内容可分为两个部分，一部分是 风偏时的气象资料；另一部分是风偏本身的振动特征参数，包括一档内的振动半波数、振动 频率、振幅及张力变动等内容。输电线舞动、风偏远程监测系统应用实时监测原理，监测输电线舞动、风偏时现场 的气候条件、实时地远程监测高压输电线的舞动风偏情况。通过无线网络由监护中心计算 机保存，实时分析在各种天气条件下的舞动、风偏特点和规律，为舞动、风偏的理论研究提 供第一手资料，为电力部门的运行提供可以参考的技术手段。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种基于差分GPS的输电线路导 线舞动与风偏在线监测系统，克服现有方法在实时测量输电线路导线舞动与风偏时的不 足，实现对输电线路导线舞动与风偏的实时准确测量。为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案差分GPS基准站和多个差分GPS移动站；所述差分GPS基准站，包括第一 GPS接收机、网络服务器、第一无线发送与接收机， 第一 GPS天线；所述第一 GPS天线通过电缆线与第一 GPS接收机连接；所述第一 GPS接收机 通过串口线与网络服务器相连，将获得的差分信号传送到网络服务器；所述网络服务器通过网络接口与第一无线发送与接收机连接；所述第一无线发送与接收机以无线传输方式将 差分信号发送给差分GPS移动站的第二无线发送与接收机；所述差分GPS移动站，包括第二 GPS天线、第二 GPS接收机、第二无线发送与接收 机、网络信号装换装置；所述第二 GPS天线通过电缆线连接第二 GPS接收机；所述第二 GPS 接收机将获得的定位信息通过串口线传送到网络信号装换装置；所述网络信号转换装置将 差分信号通过串口线传送到第二 GPS接收机；所述网络信号转换装置与第二无线发送与接 收机连接；所述第二无线发送与接收机以无线传输方式接收来自差分GPS基准站传输过来 的差分信号。所述差分GPS基准站和差分GPS移动站，还分别包括蓄电池、太阳能电池、感应取 能装置；所述感应取能装置用于在输电线路有电流流过时为差分GPS基准站或差分GPS移 动站提供电能；所述太阳能电池用于当输电线路没有电流流过时，通过太阳能来给GPS基 准站或差分GPS移动站的各个元件提供电能；所述蓄电池用于储存多余电能。所述差分GPS基准站，还包括数据处理服务器，该数据处理服务器与网络服务器 连接，用于保存测量数据。所述感应取能装置由感应取能部件和转换与控制电路构成，所述 感应取能部件采用电流互感器的形式，其中可闭合的铁心套多单根高压线作为互感器的原 边，铁心上所绕的线圈作为互感器的副边；所述转换与控制电路包括整流逆变电路以及电压、电流的控制电路部分；所述感应取能部件与所述转换与控制电路部分的线路滤波元件的输入端相连，线 路滤波元件的输出端通过导线与一次整流部分的输入端连接，一次整流的输出端与功率因 数改善部分的输入端相连。所述网络信号转换装置与第二无线发送与接收机之间的信息传递是双向传输；所 述网络信号转换装置与第二 GPS移动站接收机之间通过两根串口线分别单向传输。所述差分GPS基准站的第一 GPS天线，安装在输电线路杆塔或变电站内杆塔上；所述差分GPS移动站的第二 GPS天线，安装在需要测量的输电线路的导线上。本发明具有以下优点和积极效果1)能对输电线路导线的舞动与风偏进行全天候实时监测；2)既能在线监测输电线路的舞动，也能在线监测输电线路的风偏情况；3)基于差分GPS的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统的定位精度高，定位误 差在0. 1米内；4)同时采用高压线感应取电装置、太阳能电池板加蓄电池的联合供电方式，可保 证系统长期在线工作时的可靠供电，抗干扰能力非常强。
图1是本发明提供的差分GPS基准站的定位设备构成示意图。图2是本发明提供的差分GPS移动站的定位设备构成示意图。图3是本发明提供的差分GPS基准站和差分GPS移动站的安装位置示意图。图4是本发明中差分GPS基准站和差分GPS移动站之间的差分GPS信息交换示意 图。
图5是本发明实施例中采用DL-4双频后处理方案的基准站(DL-V3-L1L2)和移动 站(ProPak-V3-RT2-A)之间的差分GPS信息交换示意图。
具体实施例方式本发明提供的基于差分全球定位系统(GPS)的输电线路导线舞动与风偏在线监 测系统，具体采用以下技术方案，具体结合图1-2详细描述本发明的组成结构基于差分全球定位系统(GPS)的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统，包括一 个差分全球定位系统(GPS)基准站和多个差分全球定位系统(GPS)移动站；1、差分GPS基准站包括GPS接收机、网络服务器、无线发送与接收机(电台)、蓄电 池、太阳能电池、感应取能装置、GPS天线，下面结合图1所示的差分GPS基准站的定位设备 构成示意图详细描述GPS天线通过电缆线与GPS接收机连接，GPS天线把接收到的GPS卫星信号通过电 缆传输给GPS接收机，再通过GPS接收机把接收到的卫星信号转换成反映GPS天线位置的 信息，这些信息包括精度、纬度、高度等，这些转换之后的天线位置信息与之前通过精确测 量得到并保存在GPS接收机的天线的位置信息进行比较，得出通过GPS基准站接收机得到 的定位信息与精确测量的位置信息的差值，把这个差值作为移动站GPS的差分信号，基准 站GPS接收机通过串口线与网络服务器相连，把得到的差分信号传送到网络服务器，网络 服务器再通过网络接口与无线发送与接收机(电台)连接，通过无线发送与接收机(电台) 就把基准站GPS接收机得到的差分信号发送给移动站端的无线发送与接收机(电台)，实现 了差分信号的传输。感应取能装置、太阳能电池、蓄电池都是给差分GPS基准站的各个元件提供电能 的装置，感应取能装置是用来在输电线路有电流流过的时候来提供电能的，在提供电能的 同时还把一部分电能储存到蓄电池中，而太阳能电池是主要用来当输电线路没有电流流过 的时候通过太阳能来给GPS基准站各个元件提供电能的，同时也能把一部分电能储存到蓄 电池中。具体连接见图1，其中感应取能装置及蓄电池通过双线箭头给GPS接收机、网络服 务器、无线发送与接收机(电台)三个元件提供电能。而差分信号是通过单线箭头传输，其 传输方向是先GPS接收机，然后是网络服务器，最后是无线发送与接收机(电台)。需要说明的是网络服务器与无线发送与接收机(电台)之间的信息传递是双向 的，他们通过网络连接线相连，从网络服务器到无线发送与接收机(电台)的是差分信息， 而从无线发送与接收机(电台)到网络服务器的是差分GPS移动站部分的经过差分信号校 正的定位信息，基准站还包括服务器，该服务器通过串口线与网络服务器相连，以保存来自 差分GPS移动站部分测量得到的定位数据。基准站还包括数据处理服务器，以保存测量数据。感应取能装置由感应取能部件和转换与控制电路构成。感应取能部件采用电流 互感器的形式，其中，可闭合的铁心套多单根高压线作为互感器的原边，铁心上所绕的线圈 作为互感器的副边。当线路流过额定范围的电流时，可由互感器转换成合适等级的电压供 给电压转换与控制电路。转换与控制电路包括整流逆变电路以及输入、输出电压、电流的控 制电路部分，通过感应取能部件电流互感器获得的电流进入转换与控制电路部分，接入线路滤波的输入端，经过线路滤波、一次整流、功率因数改善、逆变等环节，逆变之后在根据电 压、电流输入、输出的控制信号调整电流输入输出的大小，电流调整之后经过二次整流得到 低压直流电，最后转换与控制电路部分输出可控的低压直流供监测系统及蓄电池使用。感应取能部件和转换与控制电路的连接关系是感应取能部件与转换与控制电路 部分的线路滤波元件的输入端相连，线路滤波元件的输出端通过导线与一次整流部分的输 入端连接，一次整流的输出端与功率因数改善部分的输入端相连，功率因数改善部分输出 端又与逆变电路的电流信号输入端相连，同时转换与控制电路部分的电压、电流控制部分 通过一个通/断时间比控制电路与逆变电路的控制信号的输入端相连，逆变电路的输出端 与二次整流平滑电路部分的输入端相连，二次整流平滑电路部分的输出端直接与监测系统 及蓄电池相连，给它们提供电能。由于基准站和移动站定位设备的供电存在困难，采取利用感应取电的方式直接从 输电线路的导线上获取，通过感应取能装置将线路上的交流电流变为直流电供设备使用。 由于线路电流是变化的，为了获得稳定的直流电源，利用蓄电池存储电能，在线路电流偏小 时，利用蓄电池供电，在线路电流偏大时，对蓄电池充电。为了保证在输电线路停电时不间 断测量，利用太阳能电池作为后备供电。感应取能装置、太阳能电池和蓄电池之间的连接关 系如图1和图2所示。感应取能装置通过导线与蓄电池连接，给蓄电池提供充电，太阳能电 池也通过导线跟蓄电池连接来给蓄电池提供电能。同时蓄电池通过导线分别与GPS接收 机、网络服务器、无线发送与接收机(电台)相连，给他们提供稳定合格的电能。2、差分全球定位系统(GPS)移动站组成结构包括全球定位系统(GPS)天线、差分 全球定位系统(GPS)接收机、无线发送与接收机(电台)、感应取能装置、太阳能电池、蓄电 池和机箱，下面结合图2所示的差分全球定位系统(GPS)移动站的定位设备构成示意图详 细描述差分GPS移动站部分包括GPS移动站接收机、GPS天线、无线发送与接收机(电 台)、网络信号装换装置、感应取能装置、太阳能电池、蓄电池和机箱。GPS天线是用来接收 来自全球定位系统的卫星信号，该信号通过电缆传送给GPS移动站接收机，同时来自差分 GPS基准站的差分信号通过差分GPS移动站部分的无线发送与接收机(电台)接收到，再 通过网络信号转换装置经串口线传输到GPS移动站接收机。这样GPS移动站接收机既有来 自差分GPS移动站天线的卫星信号，又有来自差分GPS基准站部分的差分信号，GPS移动站 接收机把来自GPS移动站天线的卫星信号转换成反映GPS移动站天线位置的定位信息，这 些定位信息在经过差分信号校正之后就得到了比较精确的定位信息。GPS移动站接收机把 得到的定位信息通过串口线传送到网络信号装换装置部分，网络信号转换装置与无线发送 与接收机(电台)连接，这样差分定位信息就通过无线发送与接收机(电台)发送到差分 GPS基准站的无线发送与接收机(电台)，差分GPS基准站的无线发送与接收机(电台)在 把定位信息传输给网络服务器，通过网络服务器最后定位信息就被保存到差分GPS基准站 的服务器中。感应取能装置、太阳能电池、蓄电池都是给差分GPS移动站的各个元件提供电能 的装置，感应取能装置是用来在输电线路有电流流过的时候来提供电能的，在提供电能的 同时还把一部分电能储存到蓄电池中，而太阳能电池主要是用来当输电线路没有电流流过 的时候通过太阳能来给GPS移动站各个元件提供电能的，同时也能把一部分电能储存到蓄电池中。具体连接见图2，其中感应取能装置及蓄电池通过双线箭头给GPS接收机、网络信 号转换装置、无线发送与接收机(电台)三个元件提供电能。而信号是通过单线箭头来传 输，差分信号的传输方向是先无线发送与接收机(电台)，在是网络信号转换装置，最后是 移动站GPS接收机，如图2所示。需要说明的是网络信号转换装置与无线发送与接收机(电台)之间的信息传递 是双向传输的，他们之间通过网络连接线相连，从网络信号转换装置到无线发送与接收机 (电台)的是来自GPS移动站接收机差分定位信息，而从无线发送与接收机(电台)到网络 信号转换装置的是来自差分GPS基准站部分的差分信号。网络信号转换装置与GPS移动站 接收机之间的信息传递是通过两根串口线分别单向传输的，从网络信号转换装置到GPS移 动站接收机的是来自差分GPS基准站部分的差分信号，他们之间通过一根串口线相连，而 从GPS移动站接收机到网络信号转换装置的是来自GPS移动站接收机的定位信息，他们之 间通过另外一根串口线相连。感应取能装置通过导线与蓄电池连接，给蓄电池提供充电，太阳能电池也通过导 线跟蓄电池连接来给蓄电池提供电能。同时蓄电池通过导线分别与GPS接收机、网络服务 器、无线发送与接收机(电台)相连，给他们提供稳定合格的电能。3、差分GPS基准站、差分GPS移动站之间没有电路连接，他们之间在各组成部分的 连接上相互独立，他们之间只有差分信号与定位信息的相互传输，他们之间信息的传输是 通过各个装置部分的无线发送与接收机(电台)来实现的，无线发送与接收机(电台)通 过无线网络实现差分信息与定位信息的传输的。差分GPS基准站通过无线发送与接收机(电台)把差分信号发送给各个差分GPS 移动站的无线发送与接收机(电台)，在通过网络信号转换装置到达GPS移动站接收机；差 分GPS移动站通过无线发送与接收机(电台)把经过差分后的定位信息发送给差分GPS基 准站的无线发送与接收机(电台)，再通过网络服务器把定位信息保存在差分GPS基准站的 服务器中。差分GPS移动站被安装在需要进行实时监测的导线上，一般安装在两根杆塔之间 导线下垂的最低点，如图3中的移动站位置。而差分GPS基准站是用来提供差分信号的装 置，根据差分GPS的原理，基准站天线需要放置在一个经度、纬度、高度等信息已知的位置， 这样才能与基准站接收机测量信号进行比较得到差分信号，一般可以通过精确测量手段测 量出变电站或者导线杆塔上某一位置的精确经度、纬度、高度等信息，把差分GPS基准站天 线固定在这一经度、纬度、高度等信息精确已知的位置处，在通过GPS基准站接收机接收卫 星信号并转换成该位置的经度、维度、高度等定位信息，得到的定位信息与通过精确测量得 到的位置信息进行比较就得到了差分信号，该差分信号作为差分GPS移动站接收机测量信 号的校正信息，以减小差分GPS移动站接收机的测量误差，提高监测系统精确性。为了利用GPS定位技术得到输电线路导线舞动和风偏的轨迹，需采取差分GPS定 位的方式，即测量系统由基准站和移动站组成。基准站只需有一个，而移动站根据需要配置 一个到多个。基准站安装在一个地理位置已知(可通过精确测量得到)的固定点上，如可 安装在变电站中，也可安装在移动站附近的输电线路杆塔上。移动站安装在需要监测的输 电线路的各相导线上，如图3所示。
下面对本发明提供的基于差分GPS的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统的 工作模式予以描述差分GPS定位系统工作于“Real Time Kinematic-RTK”模式。基准站与移动站的 GPS差分数据交换方式为基准站用无线发送与接收机(电台)把差分数据发送给移动站， 移动站进行RTK差分解算后，实时输出基准站和移动站之间的基线在三维空间的向量(东 北天三个方向，实时输出经过差分之后的定位信息，通过基准站的差分信号可以提高移动 站的定位精度)。实时差分定位数据的更新频率为IOHz或更高。移动站再通过网络信号转 换装置把经过差分之后的移动站定位信息进行转换，再通过无线发送与接收机(电台)把 移动站的定位信息发送给网络服务器，网络服务器再把实时定位结果传输并保存在数据处 理服务器的硬盘中，如图4所示。由于基准站是固定的，导线上的移动站是随导线一起发生 运动的，所以移动站位置的变化就导致移动站输出的定位信息发送变化，而定位信息中的 经度、纬度、高度的变化便可以实时反映输电线路导线的舞动与风偏情况。为了绘出导线的舞动与风偏轨迹，需要进行坐标变换，需将基准站数据处理服务 器硬盘中保存的移动站所处位置的经度、纬度和高度坐标(即实时差分定位数据)转换成 三维笛卡尔坐标系中的坐标X、Y、Z。三维笛卡尔参考系假定地球为刚体，Z轴平行于地球的平自转轴，即指向国际习用 原点，朝北为正，X轴平行于相应的赤道面，位于为了计算国际标准时间所定义的格林尼治 子午面内，Y轴则与X、z轴正交，朝东90°。坐标原点则选定在任一适宜的参考椭球中心 上。假设地面上某点的大地经纬度为L、B,该点相对于椭球面的大地高为h，则该点的三维 笛卡尔坐标X、Y、Z为X = (h+N) X cos (B) Xcos(L) (1)Y = (h+N) X cos (B) X sin (L) (2)Z = [h+N X (1-e Xe)] X sin (B) (3)上述各式中，N为纬度B处的卯酉圈曲率半径；e为椭球第一偏心率。 ΑΤ __a_
权利要求
一种基于差分GPS的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统，其特征在于，包括差分GPS基准站和多个差分GPS移动站；所述差分GPS基准站，包括第一GPS接收机、网络服务器、第一无线发送与接收机，第一GPS天线；所述第一GPS天线通过电缆线与第一GPS接收机连接；所述第一GPS接收机通过串口线与网络服务器相连，将获得的差分信号传送到网络服务器；所述网络服务器通过网络接口与第一无线发送与接收机连接；所述第一无线发送与接收机以无线传输方式将差分信号发送给差分GPS移动站的第二无线发送与接收机；所述差分GPS移动站，包括第二GPS天线、第二GPS接收机、第二无线发送与接收机、网络信号装换装置；所述第二GPS天线通过电缆线连接第二GPS接收机；所述第二GPS接收机将获得的定位信息通过串口线传送到网络信号装换装置；所述网络信号转换装置将差分信号通过串口线传送到第二GPS接收机；所述网络信号转换装置与第二无线发送与接收机连接；所述第二无线发送与接收机以无线传输方式接收来自差分GPS基准站传输过来的差分信号。
2.根据权利要求1所述的基于差分GPS的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统，其 特征在于所述差分GPS基准站和差分GPS移动站，还分别包括蓄电池、太阳能电池、感应取能装置；所述感应取能装置用于在输电线路有电流流过时为差分GPS基准站或差分GPS移动站 提供电能；所述太阳能电池用于当输电线路没有电流流过时，通过太阳能来给GPS基准站 或差分GPS移动站的各个元件提供电能；所述蓄电池用于储存多余电能。
3.根据权利要求1所述的基于差分GPS的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统，其 特征在于所述差分GPS基准站，还包括数据处理服务器，该数据处理服务器与网络服务器连接， 用于保存测量数据。
4.根据权利要求2所述的基于差分GPS的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统，其 特征在于所述感应取能装置由感应取能部件和转换与控制电路构成，所述感应取能部件采用电 流互感器的形式，其中可闭合的铁心套多单根高压线作为互感器的原边，铁心上所绕的线 圈作为互感器的副边；所述转换与控制电路包括整流逆变电路以及电压、电流的控制电路部分；所述感应取能部件与所述转换与控制电路部分的线路滤波元件的输入端相连，线路滤 波元件的输出端通过导线与一次整流部分的输入端连接，一次整流的输出端与功率因数改 善部分的输入端相连。
5.根据权利要求1所述的基于差分GPS的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统，其 特征在于所述网络信号转换装置与第二无线发送与接收机之间的信息传递是双向传输；所述网 络信号转换装置与第二 GPS移动站接收机之间通过两根串口线分别单向传输。
6.根据权利要求1所述的基于差分GPS的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统，其 特征在于所述差分GPS基准站的第一 GPS天线，安装在输电线路杆塔或变电站内杆塔上； 所述差分GPS移动站的第二 GPS天线，安装在需要测量的输电线路的导线上。
全文摘要
本发明涉及电力系统输电线路导线测量技术领域，尤其涉及一种基于差分GPS的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统。本发明包括差分GPS基准站和多个差分GPS移动站，差分GPS基准站包括第一GPS接收机、网络服务器、第一无线发送与接收机，第一GPS天线；差分GPS移动站，包括第二GPS天线、第二GPS接收机、第二无线发送与接收机、网络信号装换装置。本发明能对输电线路导线的舞动与风偏进行全天候实时监测，基于差分GPS的输电线路导线舞动与风偏在线监测系统的定位精度高，定位误差在0.1米内，同时采用高压线感应取电装置、太阳能电池板加蓄电池的联合供电方式，可保证系统长期在线工作时的可靠供电，抗干扰能力非常强。
文档编号H02J7/00GK101986100SQ20101023412
公开日2011年3月16日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者文习山, 李洪江, 胡志坚 申请人:武汉大学