一种基于三维磁性传感器的输电线缆空间形态检测方法

1.本发明公开一种基于三维磁性传感器的输电线缆空间形态检测方法，涉及输电线路监测技术，属于计算、推算或计数的技术领域。


背景技术：

2.架空输电线路作为电力网络的重要组成部分，是连接发端电源和受端负载的纽带，尤其是一些特高压交直流输电线路承担着大规模跨区域输电的重要任务，因此架空输电线路的状况直接决定了整个电网系统能否安全稳定运行。远距离架设在极端天气条件下(高温、强风、冰雪)野外的高压输电线路会发生线缆形态变化，最为常见的两种形态变化是下垂和舞动。下垂是由于电流负载过大导致过热进而导致线路导体的长度延长，线路导体的长度延长会降低导体到地面以上的不安全高度。舞动是架空输电线路的低频、大振幅、风致振荡，振荡会导致严重的输电问题，例如线间间隙违规引起的闪络、输电塔机械故障的风险以及过大的负载应力。下垂和舞动这两种线缆形态变化都是导致停电和永久性损坏的严重根源。因此，线缆空间形态的实时估计对于制定必要的预防措施极其重要。
3.检测输电线缆周围的磁场信号是获取线缆空间形态的有效方式。公开号为cn112242748a的中国发明专利公开一种用于监测输电导线舞动的监测设备及其安装方法，利用套在输电线上的磁环检测线路的三维形态，实现输电线路舞动在线监测，该方法需要将传感器安装于线路周围，安装成本高、风险高。公开号为cn106597216b的中国发明专利公开一种架空输电线相电流和空间状态的监测方法，公开号为cn110261731b的中国发明专利公开一种基于电流磁场的多输电线路参数测量方法，公开号为cn105241498b的中国发明专利公开一种基于弱磁探测的直流架空输电线路弧垂和应力监测方法，公开号为cn109115101b的中国发明专利公开考虑输电线路弧垂的电流磁场反演导线参数的方法，以上四个专利均在杆塔上选择多个探测点并安置磁传感器，利用输电线空间磁场的分布特点，在相应的坐标系中得到每一根输电线在每一个探测点处产生的磁场分量与输电线弧垂的拟合线性方程式，在此基础上通过坐标变换和磁场叠加原理，实现对输电线电流信号和弧垂的实时监测。然而上述专利中涉及的探测方法仅利用磁场的一维信息，未完全利用某点处磁场的三维特性，存在检测装置复杂且检测精度低的缺陷。
4.为准确全面地获取输电线的舞动或垂坠形态，本发明旨在合理安装磁性元件并设计充分利用磁场三维信息的输电线缆空间形态检测算法以提高检测精度并降低安装成本。


技术实现要素：

5.本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于三维磁传感器的输电线缆空间状态检测方法，在架空输电线缆附近合理安装磁性传感器，首先根据单个磁性传感器检测的磁场向量检测任意舞动状态输电线缆的舞动程度，再结合舞动程度检测结果以及两个磁性传感器检测的磁场向量检测不同垂坠状态输电线缆的垂坠程度，实现输电线缆舞动状态和垂坠状态的解耦检测，解决现有输电线缆空间形态检测技术检测精度低且
检测装置复杂的技术问题。
6.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
7.一种基于三维磁性传感器的输电线缆空间形态检测方法，通过两个三维磁性传感器和一个数字信号处理器实现。
8.以大地为xy平面，输电线缆自然下垂时的平面为xz平面，与xy平面和xz平面垂直的平面为yz平面。xy平面与xz平面相交于x轴；xy平面与yz平面相较于y轴；xz平面与yz平面相交于z轴。
9.两个三维磁性传感器在z轴方向上纵向分布，纵向安装距离相差dh。分别检测安装点处的三维磁场信息。数字信号处理器对两个三维磁性传感器采样，分别检测到的信号向量为和
10.输电线缆上存在一点与两磁性传感器距离最近，该点处的切向向量l＝(l
x
,ly,lz)用来表示输电线缆的空间形态。
11.当输电线缆处于不同的线舞程度时，输电线缆所在平面与xy平面之间的夹角α代表了输电线缆的舞动程度。根据单个磁性传感器的输出信号计算输电线缆舞动程度的算法具体为：
12.(1)输电线缆处于任意舞动状态时，在数字信号处理器内记录单个磁场向量为
13.(2)在数字信号处理器内，根据以下公式求解输电线缆的舞动程度：
14.当输电线缆处于不同的垂坠程度时，输电线缆上与两磁性传感器距离最近点处切向向量l与x轴的夹角代表了输电线缆的垂坠程度。根据两个三维磁性传感器的输出信号计算输电线缆垂坠程度的算法具体为：
15.(1)输电线缆处于初始垂坠状态时，在数字信号处理器内记录靠上的磁性传感器与输电线缆的直线距离为d
l1
，记录靠下的磁性传感器与输电线缆的直线距离为d
l2
，两个直线距离差值记为d
le
；
16.(2)输电线缆处于初始垂坠状态时，在数字信号处理器内记录两个磁敏元件输出的磁场向量，分别为h
s10
和h
s20
，向量h
s10
与h
s20
间的差值记为h
se0
；
17.(3)输电线缆处于任意垂坠状态时，在数字信号处理器内记录两个磁敏元件输出的磁场向量，分别为h
s11
和h
s21
，向量h
s11
与h
s21
间的差值记为h
se1
；
18.(4)在数字信号处理器内，根据以下公式求解在任意垂坠状态下的垂坠程度，其中，α为上述舞动程度，
19.本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
20.(1)本发明通过安装在架设输电线缆的塔架上的少量磁性传感器以及对磁敏元件输出信号进行处理的数字处理器，充分利用磁敏元件输出信号中的三维磁场信息，利用输电线缆所在平面的三维信息反演表征舞动程度和垂坠程度的角度信息，实现输电线缆舞动检测和垂坠检测的直接解耦。
21.(2)本发明所采用的磁性传感器安装方式，既避免使用直接套在输电线缆上的磁
环又减少磁敏元件的使用数量，实现高紧凑、低成本的输电线缆舞动、垂坠状态检测。
附图说明
22.图1为本发明提出的基于三维磁性传感器检测输电线缆空间形态的原理图。
23.图2为本发明提出的基于三维磁性传感器的输电线缆空间形态检测算法的流程图。
24.图中标号说明：1、输电线缆，2、第一三维磁性传感器，3、第二三维磁性传感器，4、数字信号处理器。
具体实施方式
25.下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
26.本发明提出的一种基于三维磁性传感器的输电线缆空间形态检测方法通过图1所示检测装置实现，该检测装置包括，输电线缆1、第一三维磁性传感器2、第二三维磁性传感器3和数字信号处理器4。
27.如图1所示，以大地为xy平面，输电线缆1自然下垂时的平面为xz平面，与xy平面和xz平面垂直的平面为yz平面。xy平面与xz平面相交于x轴；xy平面与yz平面相较于y轴；xz平面与yz平面相交于z轴。第一三维磁性传感器2、第二三维磁性传感器3在z轴方向上纵向分布后安装在塔架上，纵向安装距离相差dh。定义输电线缆1所在平面与xy平面之间的夹角α为输电线缆1的舞动程度，定义输电线缆1上与两磁性传感器距离最近点处切向向量与x轴的夹角β为输电线缆1的垂坠程度。
28.数字信号处理器4实时检测第一三维磁性传感器2以及第二三维磁性传感器3的安装点处的三维磁场信息，分别检测到第一磁场向量和第二磁场向量按照图2所示流程解耦垂坠检测和舞动检测，其中，分别为第一磁场向量的x轴、y轴、z轴分量，分别为第二磁场向量的x轴、y轴、z轴分量。
29.实施例1：检测处于非初始垂坠、非舞动状态的输电线缆
30.输电线缆处于非初始垂坠、非舞动状态时，舞动程度α＝90
°
，输电线缆1上存在一个与两磁性传感器距离最近的p点，p点处的切向向量l＝(l
x
,ly,lz)，该切向向量用来表示输电线缆1的空间形态。
31.当输电线缆1处于不同的垂坠程度时，p点处的切向向量l与x轴的夹角β代表了输电线缆1的垂坠程度。根据第一三维磁性传感器2和第二三维磁性传感器3的输出信号计算输电线缆1垂坠程度的算法具体为：
32.(1)输电线缆1处于初始垂坠状态时，在数字信号处理器4内记录第一三维磁性传感器2与输电线缆1的直线距离为d
l1
，记录第二三维磁性传感器3与输电线缆1的直线距离为d
l2
，两个直线距离差值记为d
le
；
33.(2)输电线缆1处于初始垂坠状态时，在数字信号处理器4内记录第一三维磁性传感器2和第二三维磁性传感器3输出的磁场向量，分别为h
s10
和h
s20
，向量h
s10
与h
s20
间的差值记为h
se0
；
34.(3)输电线缆1处于任意垂坠状态时，在数字信号处理器4内记录第一三维磁性传
感器2和第二三维磁性传感器3输出的磁场向量，分别为h
s11
和h
s21
，向量h
s11
与h
s21
间的差值记为h
se1
；
35.(4)在数字信号处理器4内，根据以下公式求解输电线缆1在任意垂坠状态下的垂坠程度：
36.实施例2：检测处于初始垂坠、任意舞动状态的输电线缆
37.当输电线缆1处于初始垂坠、任意舞动状态时，输电线缆1所在平面与xy平面之间的夹角α代表了输电线缆1的舞动程度。此时在数字信号处理器4内记录第一三维磁性传感器2的输出量为在数字信号处理器4内，根据以下公式求解输电线缆1的舞动程度：此时，根据以下公式求解输电线缆1的垂坠程度：β＝arccos(sinαd
le
/dh)。
38.实施例3：检测处于非初始垂坠、任意舞动状态的输电线缆
39.输电线缆1上存在一个与两磁性传感器距离最近的p点，p点处的切向向量l＝(l
x
,ly,lz)用来表示输电线缆的空间形态。
40.当输电线缆1处于非初始垂坠、任意舞动状态时。输电线缆1所在平面与xy平面之间的夹角α代表了输电线缆1的舞动程度；向量l与x轴的夹角代表了输电线缆1的垂坠程度。解耦舞动检测和垂坠检测的算法具体为：
41.(1)在数字信号处理器4内记录第一三维磁性传感器2的输出量为(1)在数字信号处理器4内记录第一三维磁性传感器2的输出量为在数字信号处理器4内，根据以下公式求解输电线缆的舞动程度：
42.(2)输电线缆1处于初始垂坠状态时，在数字信号处理器4内记录第一三维磁性传感器2与输电线缆1的直线距离为d
l1
，记录第二三维磁性传感器3与输电线缆1的直线距离为d
l2
，两个直线距离差值记为d
le
；
43.(3)输电线缆1处于初始垂坠状态时，在数字信号处理器4内记录第一三维磁性传感器2和第二三维磁性传感器3输出的磁场向量，分别为h
s10
和h
s20
，向量h
s10
与h
s20
间的差值记为h
se0
；
44.(4)输电线缆1处于任意垂坠状态时，在数字信号处理器4内记录第一三维磁性传感器2和第二三维磁性传感器3输出的磁场向量，分别为h
s11
和h
s21
，向量h
s11
与h
s21
间的差值记为h
se1
；
45.(5)在数字信号处理器4内，根据以下公式求解输电线缆1在任意垂坠状态下的垂坠程度：
46.本技术是参照根据本技术实施例的方法的流程图来描述的。本领域技术人员应理解可由计算机程序指令实现流程图中的每一流程、以及流程图中的若干流程的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其它可编程数据处理设备的处理器，使得通过计算机或其它可编程数据处理设备的处理器执行的指令用于实现流程图中的一个流程或多个流程。
47.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其它可编程数据处理设备上，在计算机
或其它可编程设备上执行一系列操作步骤，从而在计算机或其它可编程设备上实现流程图中的一个流程或多个流程。
48.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明宗旨的技术方案均落入本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下所做出的若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。