（通信与信息系统专业论文）输电线路覆冰与舞动状态在线监测与决策支持系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国地域广阔，拥有过百万公里的输电线路。电力系统稳定可靠运行关乎整 个国家的经济发展和社会稳定，而输电线路的安全运行则是整个电力网络系统 的稳定运行的重要环节。自上世纪以来，我国许多地区都曾发生过各种各样的 输电线路故障，究其原因可归结为恶劣的环境气候及环境污染等因素所造成的 输电线路设备性能的下降。输电线路在实际的运行中，既要承受其自重载荷、 覆冰载荷等静载荷，同时也承受了风引起的动载荷。当环境微气象达到一定的 条件的时候，输电线路的覆冰导线受到持续的风吹作用的时候，可能会引起导 线的大振幅低频率的振动，即导线舞动。当导线产生持续时间较长的大幅度舞 动的时候，极易引发输电线路的故障。我国南方0 8 年初发生的大面积冰雪冻雨 等灾害给输电线路设备带来的极大损害就是重要的例证。因此，开展对输电线 路的综合在线监测与决策支持功能的研究，具有重要的理论和现实意义。 本文首先依据电力行业实际工作中的需求，提出了系统的结构模型，在此基 础上，提出了输电线路覆冰与舞动状态在线监测与决策支持系统的运行和管理 架构模型；其次，对系统包含的具体业务功能进行了分析，划分了系统的功能 模块，并建立了各功能子系统的理论模型；针对系统数据传输和处理提出了一 种基于a g e n t 的数据传输模型，实现了系统的g p r s 数据传输智能分组存储的 数据集成功能；同时提出了一种多因素综合报警管理模型，以线性加权方法为 基础，结合层次分析法设计的报警管理模型为系统的准确报警提供了一种新的 方法。在上述研究成果的基础上，以m i c r o s o f t n e tf r a m e w o r k3 5 框架为基础， 采用v i s u a ls t u d i o2 0 0 8s p l 的集成开发环境，实现了输电线路覆冰与舞动状态 在线监测与决策支持系统。 本文已实现上述输电线路覆冰与舞动状态在线监测与决策支持系统的基本 功能，并已投入试运行，为电力行业的科学管理和调度提供了极大的技术支持， 对电力行业的数字化、信息化建设和发展起到了有力的推进作用。 关键词：输电线路：覆冰：舞动：在线监测；决策支持 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n ah a sv a s tt e r r i t o r yw i t hm o r et h a nam i l l i o nk i l o m e t e r so ft r a n s m i s s i o n l i n e s as t a b l ea n dr e l i a b l eo p e r a t i n gp o w e rs y s t e mi ss i g n i f i c a n t l yr e l a t e dt ot h e w h o l ec o u n t r y se c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n ds o c i a ls t a b i l i t y , h o w e v e r , t h es a f e o p e r a t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e si s a l li m p o r t a n tp a r to ft h ew h o l ep o w e rn e t w o r k s i n c et h el a s tc e n t u r y , l o t so fd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nl i n e f a u l t sh a v eo c c u r r e di n m a n yp a r t so fo u rc o u n t r y t h er e a s o n ，w h i c hc o u l db ea t t r i b u t e dt ot h e s e ，i st h e d e c l i n ei nt r a n s m i s s i o nl i n ea n de q u i p m e n tp e r f o r m a n c et h a tc a u s e db y p o o r e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s s u c ha sc l i m a t ep o l l u t i o n i na c m a lo p e r a t i n gs y s t e m , t r a n s m i s s i o nl i n ew i l lr e c e i v en o to n l yi t sw e i g h tl o a d ，i c el o a do ro t h e rs t a t i cl o a d ， b u ta l s od y n a m i cl o a dc a u s e db yw i n d w h e ne n v i r o n m e n t a lm i c r o m e t e o r o l o g i c a l r e a c h e sac e r t a i nc o n d i t i o n ，t r a n s m i s s i o nl i n ew i l ls t e pi nal a r g ea m p l i t u d ea n dl o w f r e q u e n c ys t a t u sc a l l e dg a l l o p i n g ，w h i c hc o u l db ec a u s e db yas u s t a i n e dw i n d t r a n s m i s s i o nl i n ec o u l de a s i l yl e a dt of a i l u r ei ft h ew i r ek e e p si ng a l l o p i n gs t a t u sf o r al o n gt i m e at y p i c a le x a m p l ei st h a tt h el a r g ea r e ao fs n o wa n di c ef r e e z i n gr a i n d i s a s t e rw h i c ho c c u r r e di ns o m h e mc h i n ae a r l yi i l2 0 0 8c a u s e dg r e a th a r mt ot h e t r a n s m i s s i o nl i n ea n de q u i p m e n t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft h ec o m p r e h e n s i v e o n l i n em o n i t o r i n ga n dd e c i s i o ns u p p o r to ft r a n s m i s s i o nl i n eh a sg r e a tt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h er e a ln e e d si i lp o w e ri n d u s t r y , t h es t r u c t u r em o d e lo f t h es y s t e mh a sb e e np r o p o s e d ，b a s e do nw h i c ht h es y s t e m a t i co p e r a t i o nm a n a g e m e n t m o d u l ea n db u s i n e s sp r o c e s sm o d e l sh a v eb e e np r o p o s e da n da n a l y z e d t h e n ，t h e s p e c i f i cb u s i n e s sf u n c t i o n sh a v eb e e na n a l y z e da n dd i v i d e di n t os e v e r a lm o d e l s ，a n d t h et h e o r e t i c a lm o d e l so ft h e s ef u n c t i o n a ls u b s y s t e m sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d a n a g e n t - b a s e dd a t at r a n s m i s s i o ni n t e g r a t i o nf r a m e w o r ki sp r o p o s e dt oa c h i e v et h e i n t e l l i g e n tg p r sp a c k e td a t as t o r ei nt h ed a t ai n t e g r a t i o nf u n c t i o n b e s i d e s ，an e w m u l t i - f a c t o rc o m p r e h e n s i v ea l a r mm a n a g e m e n tm o d e li sp r o p o s e d , c o m b i n gw i t h t h el i n e a rw e i g h t i n gm e t h o da n dt h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sm e t h o d ，t oa c h i e v e h 武汉理工大学硕上学位论文 r e l i a b l ea l a r mm a n a g e m e n t f i n a l l y , b a s e do nt h ea b o v es t u d y , t h eo n l i n em o n i t o r i n g a n dd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mo fi c i n ga n dw a v i n go nt r a n s m i s s i o nl i n e sh a sb e e n a c h i e v e db a s e do nt h em i c r o s o r n e tf r a m e w o r k3 5a n dv i s u a ls t u d i o2 0 0 8s pl i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h eo n l i n em o n i t o r i n ga n dd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mo fi c i n ga n dw a v i n go n t r a n s m i s s i o nl i n e sp r o v i d e sc o m p l e t eb a s i cf u n c t i o n s ，a n dh a sb e e nd e p l o y e da n dp u t i n t ot r i a lo p e r a t i o n ，w h i c hh a sp r o v i d e dg r e a tt e c h n i c a ls u p p o r tt ot h es c i e n t i f i c m a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n go f t h ep o w e ri n d u s t r y i tw i l lp l a yag r e a tr o l ei nt h e d i g i t i z a t i o na n di n f o r m a t i o n i z a t i o ni nt h ep o w e ri n d u s t r y k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e ；i c i n g ；w a v i n g ；o n l i n em o n i t o r i n g ；d e c i s i o n s u p p o r t l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 臌名：盈立：童日期：逆应：三：三参 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 电力系统是一个由各种不同的设备通过电力网络互相联接而组成的庞大而 又复杂的非线性、高维的互联系统，其中包含了发电、输电、变电、配电和用 电等环节和设备，是一个电力能量生产与消费的系统。人类社会进入到2 0 世纪 以来，电力系统的出现极大地推动了社会生产各个方面的发展，使得动力资源 得到更加充分的开发利用。电力系统的应用不仅深刻地影响了社会物质生产， 同时也越来越广泛地渗透到人类生活的各方各面。因此，一旦这些电力设备发 生故障，不但会给用户带来工作生活的不便，甚至是巨大的经济损失，同时也 会增加电力企业的运营维护成本支出，从而导致企业的经济效益减少【i 】。设备 的可持续运行以及其稳定性是直接决定整个系统安全可靠的关键，同时也决定 着电力企业经济效益和供电质量、供电可靠性等各方面。因此，及时地检修维 护是保证电力设备可靠工作的必要手段。电力系统状态监测能够反映设备运行 的健康状态，为电力系统的安全稳定运行提供了支持，它关系着设备的利用率、 使用寿命、故障率、资源消耗等诸多方面【2 j j 。 我国在近几十年来电气设备的管理采用的是设备周期计划性人修和设备预 防性实验相结合的维护方式【3 】。这种方式所涉及的检修内容、工作周期等方面 的确定都是以传统的人工经验为基础建立的，其优点是能够现场发现和处理设 备故障，减少非计划性停电，保证供电的品质和可靠性。但其缺点也很明显， 那就是不能够事先及时的掌握设备的运行状态，对设备个体的质量、性能状态、 运行环境等差异考虑4 i 全，而是采用到期必修的方式，存在着设备停电次数多、 检修工作量大、检修周期短等问题，同时也浪费了大量的人力物力资源。尤其 是输电线路有别于其他电力设备，基本都采用线路架空的方式，主要分布在荒 郊野外、点多、线长、面广，线路所经地理、地貌、周围环境及气象等条件较 复杂，同时线路要承受自重、风力等机械力和其他污染损害，维护起来困难更 大【4 】。 近些年来电力工业的取得了长足的发展，周期性的检修方式已经无法适应 技术水平得到极大提高的大电网、高自动化、高电压的电力运行系统。2 0 世纪 武汉理工大学硕士学位论文 9 0 年代以来，我国多个地区曾多次发生过大面积的输电线路事故。特别是2 0 0 8 年初，我国南方地区遭遇了严重的大范围冰雪冻雨等灾害事故，导致电网出现 大面积冰灾事故，给社会的稳定、工业生产和居民生活造成了巨大的影响。因 此，有必要采用新的设备维护检修方式，这就是以输变电设备状态实时在线监 测为基础的状态维护方式。 电力设备的大部分故障不会突然间发生，是一个功能不断退化的过程。设 备的功能会逐步退化到潜伏故障p 点后，再逐渐发展成为能被探测到故障，然 后会加速退化过程，当到达功能故障点f 时即故障发生。整个过程如图1 1 所 示，其中从潜伏故障p 点到发生故障f 点的时间间隔被称为p f 间隔。 设备运行状态 f时间 图1 - 1 电力监测设备功能退化p f 曲线图 由于不同设备的特点，不同的故障类型以及不同的故障特点导致各个设备 之间的p f 间隔的时间是彳i 定的，从数小时到数十天，甚至是数年都有可能， 所以定期检修是不可能满足p f 间隔时间要求的。有效的实时在线监测能够捕 捉预测整个p f 间隔的发展过程，从而使的设备在发生功能故障之前，即p f 间隔到达f 点前能够得到及时维修处理，从而避免因设备故障带来的损失【l d 2 | 。 设备的状态检修是以在线文时监测设备在实际运行电压下各绝缘特性参数 信息为基础，并结合口常巡查、定期重点排查、故障诊断所获得的信息，通过 分析处理来判断设备的实际运行健康状态，并预测其发展趋势，能够在设备故 障发生前报警，使工作人员可以有计划地提前安排检修，从而避免因设备故障 而引起的停电所带来的损失【5 j 。这种方式具有极强的针对性，能显著提高设备 的可靠运行时间，降低检修费用，是设备检修制度的发展趋势。输电线路状态 2 武汉理工大学硕士学位论文 检修是上述检修工作的重要内容之一，因此，开展输电线路在线监测及其决策 支持的方法的研究，具有重要的理论和实践意义。 1 2 国内外研究状况与进展 在线监测技术的基础就是利用各种在线监测技术，在不影响运行设备正常 工作的情况下，通过在线监测装置扶取设备的实时信息，是分析决策和状态监 测的重要信息来源【6 】。从理论上来说，状态监测是比预防检修更加高级的维护 检修体制。状态监测的基础是设备的实际运行状态，根据各种特性参数在实际 运行中的变化，通过统计分析比较来确定设备是否需要检修以及需要检修的项 目内容【7 8 】。因此，状态监测具有极强的针对性和实时性。目前，大部分状态监 测检修理论包含三个内容：( 1 ) 状态监测；( 2 ) 状态分析与故障诊断；( 3 ) 决策 支持。 早在2 0 世纪6 0 年代，由于难以负担定期检修航空系统设备所产生的高额 支出，美国开始研究发展以不同部件的潜在故障可能会对整个系统的可靠性产 生影响程度的评估为基础的状态检修计划。随着该项技术取得了长足的发展， 在8 0 年代发电厂的设备维护引入了状态监测检修理论，取得了显著的效果 9 】。 美国是全球最早开展以在线监测为基础的状态检修工作的国家，经过长时间的 发展，已经提出了许多成熟的理论和商用产品，并逐渐形成了标准化的智能电 网。2 0 1 0 年3 月在伦敦召开标准化组织会议讨论了美国提出的智能电网标准。 欧洲很多国家很早就展开了针对输电线路状态检修的研究，日本从二十世纪八 十年代开始对电力设备采用以在线监测和状态分析为基础的状态检修【m 1 8 】。澳 大利亚的红相公司与上世纪9 0 年代开发出绝缘子泄露电流在线监测系统。国内 在这方面起步较晚，清华大学、武汉大学、西安交大、国电武汉高压所等科研 单位和高校也陆续展开了输电线路在线监测技术的研究，并在进入新世纪之后 开发出了具备完善功能的输电线路在线监测技术【l m 们。 随着计算机控制与管理、电子测量技术和通信网络等多个学科的巨大发展， 输电线路在线监控系统所需求的实时响应、精确测量、准确显示等要求均已具 备。其中由于g p r s g s m 和c d m a 通信网络和技术的普及发展，较大程度地 促进了输电线路在线监测技术的发展，基本一卜解决了超远距离数据传输这一难 题。 武汉理工大学硕上学位论文 现阶段，已经成熟或投入商用的在线监测技术主要有输电线路绝缘子污秽 在线监测、导线温度及动态增容在线监测、输电线路导线舞动在线监测和输电 线路覆冰雪在线监测等【1 2 。”】。目前系统发展到了以神经网络方法、多重回归方 法和灰关联系统理论等为基础的专家模型来分析绝缘子污秽，近年来通过光传 感器测量的在绝缘子污秽线监测技术得到了迅速发展【l4 1 。国内外目前对导线覆 冰的研究主要集中在覆冰理论、闪冰机理和杆塔强度设计等方面的工作，建立 了大量的观测站，收集数据进行分析，但针对覆冰在线监测的研究比较少【l 睨引。 这方面是本文研究的一个重点，主要可以根据线路导线覆冰后的有效参数变化， 通过带入数学模型进行计算，与线路设计值来比较，判断是否报警。国内外对 于导线舞动进行了大最的理论研究，目前比较成熟的有d e nh a r t o g 垂直舞动理 论、o n i g o l 扭转舞动理论、p y u 的偏心惯性耦合失稳说等【l6 1 ，目前的导线舞 动在线监测系统主要根据绝缘子风偏角、倾斜角、覆冰导线重力变化等参数来 仿真线路的舞动幅值等信息来判断线路的舞动状况，采用最新的基于位移传感 器、加速传感器等在线监测技术可以极大的提高监测的精确膨1 6 - 2 引。而对于输 电线路增容的方法，业界目前主要采用两种技术方法，分别为静态提温增容技 术和动态提温增容技术【2 ”。其中静态提温增容技术是指突破现行技术规定， 环境温度按+ 4 0 0 c 计算，同时线路的风速和曰照强度完全符合技术要求，在这 个条件下将导线的安全温度由现行的7 0 0 c 提高到8 0 - - - - 9 0 0 c ，从而达到提高导 线输送容量【2 7 , 2 8 】：而动态监测增容技术则是指通过对导线的状态和气象条件进 行监测，在遵循现行技术规定的前提下，根据数学模型计算出导线在现行条件 下的最大允许载流量，充分利用线路的隐性容量【2 。 1 3 本文所做工作 本文以网络环境下输电线路覆冰与舞动状态的在线监i l i a d 对工作人员决策 支持为研究对象，着重针对输电线路覆冰与舞动状态在线监测与决策支持系统 的组织结构、体系架构、导线覆冰与舞动的在线监测模型及其实现方法等问题 展开研究。主要研究内容如下： 1 ) 创建了网络环境下对输电线路进行维护的结构模型和体系架构模型 目前国内对于电力企业的划分是以地域为标准的，包括网局、省局、地市 局等机构。通过在网络环境下针对不同的实体机构所对应的工作职能进行系统 4 武汉理工大学硕上学位论文 模块的划分，以及对整个系统的所有实体对象的设计，从而得到其系统结构模 型和体系架构模型。这是整个系统的理论和实现基础。 2 ) 分析了输电线路覆冰与舞动状态在线监测与决策支持系统的业务模型 针对监测数据的传输和处理需求，提出了一种基于a g e n t 的数据传输与处 理框架模型。对输电线路在线监测的部分功能，如导线覆冰监测、动态增容监 测等进行了模型分析与建模。 3 ) 提出了一种新型的多因素综合报警管理模型 综合考虑环境因素、导线属性等多因素对于输电线路运行的影响，提出了 一种基于线性加权的多因素综合报警管理模型。 4 ) 输电线路覆冰与舞动状念在线监测与决策支持系统的设计与部分功能实现 作为针对卜述理论体系的具体应用，结合实验室已有的研究成果，设计并 部分实现了输电线路在线监测与分析系统。这也是本文的重要的技术研究内容。 1 4 本文结构和组织 论文共分为五章，主要的内容概要如下： 第1 章阐述了本课题的背景、意义和国内外的研究现状及进展，针对现阶 段的研究情况，提出了本文的研究重点和解决方案，简要说明了论文所作的工 作，阐述了论文的组织结构。 第2 章对输电线路覆冰与舞动状态在线监测与决策支持系统的系统需求进 行了详细说明，并对其所要实现的功能进行了分析。运用软件工程的结构化理 论结合系统的业务功能对系统的结构进行了详细的分析建模，提出了该模型的 体系架构、功能结构。 第3 章设计了系统的数据传输与处理功能模块，提出了一种基于a g e n t 的 数据处理模型。针对系统的整体功能模型，分析了相应功能模块的数学模型。 除此之外，设计了一种新型的多因素综合报警管理模型。 第4 章针对输电线路覆冰与舞动状态在线监测与分析系统的设计和实现 过程及其结果进行了详细的阐述，讨论了输电线路覆冰与舞动状态在线监测与 决策支持系统的实际应用。 第5 章对本文所做的工作进行总结，并对后续要进行的工作给予了说明。 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章输电线路覆冰与舞动状态在线监测与决策支 持系统架构体系建模 2 1 系统需求分析 输电线路覆冰与舞动状态在线监测与决策支持系统所要实现的功能是提供 电力联网中的输电线路、杆塔和设备的管理、综合信息查询、线路设备运行环 境归类、线路设备同期运行状态比较以及相关量的预测等。由于输电线路一般 架设在野外等偏远地区，使用人工巡查检修的方式困难较大，因此系统采用无 线终端的方式架设前端监测设备，处于系统最底层的，也是最基础的部分是数 据采集端，它布置在输电线路的现场，通常被放置于杆塔等位置。数据采集端 通过各种类型的传感器采集现场信息，之后通过g p r s 将采集到的信息发送回 监控中心。监控中心将接收到的数据存储入数据库，提供给不同的用户参照， 为工作人员进行工作安排、调度或者决策提供有力的支持。 该系统的最终目标是实现对输电线路导线、杆塔、绝缘子等部件的运行状 态和故障情况的在线实时监测，数据分析预警和综合评估。系统的基本组成结 构是由安装在输电线路杆塔上的监测终端和部署与监测中心的软硬件设备构 成，整个系统主要包含5 个层级：网局中心，地市局监测中心，线路监测设备， 通信网和监测信息。整个系统的实际运行结构图如图2 1 所示。 线路监测设备一般可分为两类，一类为线路故障监测终端，可通过采集线 路电流、电压等数据来实现线路故障监测和定位。另一类为数据采集端，通过 预先设置的程序可定时或者实时对输电线路的相关设备，如线路导线、杆塔和 绝缘子等，进行数据信息采集，从而完成对设备周围各种数据，例如风速、风 向、环境湿度、环境温度、降雨量等信息的采集。 线路监测设备对数据进行预处理之后，通过通用分组无线业务( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e 。g p r s ) 模块将采集到的数据发送到各个地市局的监测中 心。部署在地市局监测中心的专家系统，将得到的数据作为参数输入模型，得 出计算结论，然后结合实验模拟结果和现场实际运行结果来判断输电线路的运 行状态，分析设备状态的趋势，及时给出报警信息，从而可以有效的地预防各 6 武汉理工大学硕士学位论文 网 局 监 测 中 心 主 机 3 1 分析系统 网局监 测中心 g p r 钟删眶 地市局监测中心 通信网络! 线路监测设备； 监测信息 图2 1 系统实际运行结构图 类事故的发生。同时，检测中心可以对现场设备的参数进行远程配置，例如数 据采样定时问隔，实时数据请求等。采用局域( l o c a l a r e an e t w o r k ，l a n ) 方式 组成各个地市局监测中心与网局监测中心之间的通信连接网络，网局监测中心 可直接查看各地市局监测中心采集的设备、环境等各类数据信息。 2 2 系统功能分析 从上述信息可知，根据用户需求系统将会提供如下的应用功能：( 1 ) 系统管 理，包括用户角色管理、线路杆塔设备信息管理、系统设备参数管理等；( 2 ) 线 路设备管理：( 3 ) 报警管理；( 4 ) 在线监测与分析；( 5 ) 决策支持；( 6 ) 统计报表；( 7 ) 工作日志。 按照软件工程中的结构化分析( s t r u c t u r e da n a l y s i s ，s a ) 方法自顶向下逐层分 析，可以将系统的用户、监测项目内容、数据采集端等实体，分解成为一个个 武汉理工大学硕士学位论文 对象，采用抽象和模块化的方法将系统细化。根据系统需求分析，系统的功能 模块有系统基础信息管理模块，包含用户管理、线路基本信息维护、杆塔信息 维护、站点配置管理、监测项目管理等，导线覆冰在线监测模块、报警管理模 块、决策支持模块等功能模块。系统功能模块划分如图2 - 2 所示。 图2 - 2 系统功能模块划分 系统从现场数据采集端采集到数据，通过无线传输的方式将信息传输到监 控中心。系统的数据流向是从数据采集端到监测中心主机，数据最终要存入监 测中心数据库。当数据分类存储入数据库之后，监测中心工作人员可以通过系 统来查看和分析前端检测设备采集到的输电线路状态数据，来判断输电线路的 实时运行状态，根据得出的结论进行决策，决定下一阶段工作，然后实施该项 工作。通过连续的工作反馈的过程，可以不断的完善专家系统的规则库，使得 系统能够为工作人员提供越来越准确可靠的决策支持信息。 2 3 系统架构分析 通过上述分析可知，该系统的最终目标是实现对输电线路导线、杆塔、绝 缘子等部件的运行状态和故障情况的在线实时监测，数据分析预警和综合评估。 系统的输入是检测设备采集的数据，系统的输出是根据这些采集数据得出的输 电线路运行状态结论。当数据信息输入系统之后，在系统运行平台的支持下， 通过广义知识库来确定该设备以及该线路当前的运行状态。 上述过程可以分解为以完成不同任务为目的的若干个功能子系统，依据系 8 武汉理工大学硕士学位论文 统的层次化理论，用户作为操作系统的最高层级，系统各子功能，包括线路设 备信息维护、在线监测等等，都应该在用户的操作指令下完成。除此之外，系 统进行分析计算的基础数据、方法和模型是来源于系统本身所具有的广义知识 库，该广义知识库包含了基本信息的数据库、模型规则库、决策信息库等。所 有的用户均作为系统的不同角色的用户来完成各项工作。 整个系统的一般功能结构模型如图2 - 3 所示。 早恒掣匣i - 2 4 本章小结 图2 - 3 系统一般功能结构模型 识库 本章主要阐述了输电线路覆冰与舞动状态在线监测与分析系统的架构体 系。对系统进行了基本的需求分析，给出了系统的实际运行结构图。并对于系 统工作的业务流程，采用软件工程的结构化理论来进行分析，划分了其功能模 块，得出了系统从监测分机数据采集传输到最后的工作反馈的业务流程。最后 给出了系统的，。般功能模型，为后期系统的设计实现提供了理论基础。 9 武汉理工大学硕i 上学位论文 第3 章输电线路覆冰与舞动状态在线监测与决策支 持系统功能建模 3 1 系统数据传输与处理功能建模 3 1 1g p r s 无线数据传输过程 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) ，中文名称通用分组无线业务【3 3 】，它既 兼顾了第二代无线通信系统( 2 g s m ) ，又考虑到了向第三代无线通信( 3 g ) 系统的 过渡，是由第二代g s m 无线通信系统向3 g 平滑过渡的重要阶段，因此g p r s 也被业界称之为“2 5 g 技术”。g p r s 数据传输系统是融合了无线和网络的一个 系统，是集成了无线技术以及数据技术为一体的实现技术。在网络拓扑结构上 来说，g p r s 系统以一些核心网络设备为基础，即数据处理单元，来对其所传 输的数据进行处理。 无线传输部分和数据部分分别构成了g p r s 系统的新增网络单元结构。由 于g p r s 无线通信具有诸多优点，如较高的移动性、实时在线、通信快速等， 因此被大量推广应用。在实际的系统应用中，针对不同的业务需求，g p r s 无 线通信系统能够提供一些不同的组网方案 3 4 3 s 。 ( 1 ) g p r s 接入方式。系统部署的数据中心是通过g p r sm o d e m 拨号来接入网 络的，网络会为中心服务器端分配一个g p r s 内网动态i p 地址。 ( 2 ) 公网接入。系统部署的数据中心配置固定的公网i p 地址，连接i n t e r n e t 的服 务器。 ( 3 ) 专线接入。系统部署的数据中心与移动运营商的g g s n 之间通过专用的数 据连接线路来连接。用户从移动运营商那里获取一个专用的a p n 接入点， 从而一条无线虚拟专用网( v j ) n ) 即可在数据中心与数据终端形成。 ( 4 ) 拨号接入方式。系统部署的数据中心通过a d s l 或电话拨号等方式登录 i n t e r n e t ，则移动网络会为其分配一个公网的动态i p 地址。 由于公网接入相对与其他几种接入方式来说，具有传输快速、高质量通信、 系统重复投资少等优点，所以本系统采用的该接入方案。系统部署的监测中心 1 0 武汉理工火学硕士学位论文 采用专线或a d s l 等方式与i n t e r n e t 公网连接，向互联网运营商申请固定的公 网i p 或者架设d n s 域名解析服务器+ 动态公网i p 的服务方式。 前端监测分机加电启动后会首先取出内部闪存所存储的参数，如数据中心 i p 地址、g p r s 拨号参数等等各类工作参数。然后登录到移动网络进行g p r s p p p 拨号。成功拨号后，移动网络会随机分配一个内部的i p 地址给g p r s 数据 传输单元，也就是说g p r s 数据传输单元每次登录进入移动内网后，其所分配 的内网i p 地址是动态的。则此时可以将g p r s 数据传输单元看作是一个移动内 部局域网的设备，然后通过移动网关实现与外部i n t e m e t 公网之间的连接。 当监控中心采用固定公网i p 方式的时候，前端监测分机启动后会直接向监 测中心发起连接请求，建立直接连接的可靠网络通信道。当监测中心采用动态 公网i p + d n s 域名解析服务器的方式的时候，监测中心首先要向网络运营商申 请开通动态域名服务，全段监测分机启动后，会首先采用域名寻址的方式连接 到d n s 域名解析服务器上，然后通过d n s 域名解析服务映射到监控中心的动 态公网i p ，最后建立前端监测分机与监测中心的数据传输连接。 系统为不同的豁测量指定不同的端口号，一个端口号绑定一个监测量，当 某一端口监听到连接请求时，即可知道所要接受的数据所对应的监测参数，读 取原始数据( 监测量的值) ，将该监测量存入数据库相应的表，数据格式传输过 程为：p p p 数据帧一i p 数据报t c p 报文段一原始监测值一数据库表值。 3 1 2 基于a g e n t 的数据处理模型 由前述可知，输电线路覆冰与舞动状态在线监测与决策支持系统需要处理 的对象信息类别繁杂、数量众多，那么如何解决大量数据的远程传输以及分类 存储就成为了该系统能否稳定可靠运行的重要基础。 近年来人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n t ，a i ) 得到了广泛的研究和应用，在其基 础上产生了许多新的研究内容，a g e n t 则是其中较为突出的一项技术。由于 a g e n t 具有自主性、主动性、反应性等特性，因此能够较好地解决大量繁杂数 据的远程传输这个问题。软件a g e n t 是一组由用户编写的程序，是能够为用户 执行计算任务和信息处理任务的具有智能功能的软件实体。 由于a g e n t 技术是具有智能化的自动执行技术，因此将其引入到数据传输 中来，能够较大程度地提高数据通信及数据自转换的能力。以软件a g e n t 技术 为基础，提出了一种基于a g e n t 的数据传输集成框架，实现了系统的g p r s 数 武汉理工大学硕士学位论文 据传输智能分组存储的数据集成功能。对于前端监测分机采集到的不同类型数 据，通过引入软件a g e n t 技术，可实现由系统自动完成数据的传输分组存储功 能。整个系统a g e n t 可以分为服务端a g e n t 和客户端a g e n t 两种类型。整个数 据采集传输框架由三层构成。 ( 1 ) 基础层。g p r s 数据传输层，作为输电线路现场监测分机与服务端a g e n t 进行数据传输的通信层，解决了远程数据传输的问题。 ( 2 ) 中间层。a g e n t 的运行实例运行于该层中，有服务端a g e n t 和客户端 a g e n t 。客户端a g e n t 是每一个监测分机有一个实例运行，绑定了其所 在的监测分机的i d 号等固定地址信息，作为发送数据包的本地地址。 服务端a g e n t 的作用则是接受客户端a g e n t 发送来的数据，然后将其分 组存储。 ( 3 ) 应用层。该层则是包含用户程序、浏览器等。 该数据处理模型的框架结构如下图3 - 1 所示。 义知识库 图3 1 基于a g e n t 的数据处理模型框架图 服务端m a s ( m u l t i a g e n ts y s t e m ) 软件的功能是j i ；听前端监测分机的数据发 送，处理收到的数据包，并对所有的监测分机地址进行管理，服务端m a s 是 由三种a g e n t 组成的，分别是数据监听a g e n t 、数据处理a g e n t 和报警管理 a g e n t ，其工作原理如下： ( 1 ) 数据监听a g e n t ：当监听到某个监测分机的客户端a g e n t 有数据发送过 来，则启动数据接收，在数据接收之前会判断该数据包是否为合法的、 完整的数据包，如果是则接收数据包，然后将消息通知给服务端数据 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 处理a g e n t 来进行数据的导入操作；如果不合法，则删除该数据包。 ( 2 ) 数据处理a g e n t ：收到数据监听a g e n t 发送来的消息后，数据处理a g e n t 就会在线程池中启动一个线程，来完成数据库写入操作。成功完成操 作后，会发送一个确认标识给数据监听a g e n t ，并发送一个消息给报警 管理a g e n t ，数据监听a g e n t 接收到消息后，会给客户端a g e n t 发送一 个确认信息。数据监听a g e n t 和数据处理a g e n t 可以有多个运行实例， 通过对前端监测设备进行协调，保证一个设备只有一个实例运行。 ( 3 ) 报警管理a g e n t ：在数据处理a g e m 将接收到的数据存入数据库后，会 发送一个消息给报警管理a g e m ，报警管理a g e n t 接收到该消息后就会 对刚才接收的监测数据进行分析，判断其是否满足报警条件，若满足 则系统会将该部分数据取出，同时存入独立的报警信息统计表，并发 出报警信息提醒工作人员及时进行相应的处理。 服务端m a s 执行流程如下图3 2 所示。 图3 - 2 服务端m a s 执行流程 武汉理工大学硕上学位论文 3 2 系统功能模型分析建模 输电线路覆冰与舞动状态在线监测与决策支持系统提供了多项输电线路的 监测功能，主要包括导线覆冰雪在线监测、导线舞动在线监测、绝缘子污秽在 线监测等。通过将这些主要的输电线路监测项目实现网络化，可以实时地监测 线路运行状态并根据其状态给出运行预测报告，及时判断故障的可能性及可能 发生的时间，极大地降低工作人员的工作量，并可以提高工作的效率、准确性 和可靠性，避免定时例行巡检带来的人力和物力资源的浪费。 在这些功能性故障中，导线覆冰雪灾害造成的危害更大。0 8 年初我国南方 发生大范围的雨雪天气，导致南方多个省市输电线路遭遇到了多年不遇的输电 线路覆冰雪灾害，给国家人民造成了巨大的损失。近年来，国家电网开展了“西 电东送”和“南北互调”的输电工程，在全国范围内进行电力输送的调配，电 源点之间的距离越来越远，需要穿过各类气候条件恶劣的地区，使得导线覆冰 灾害的可能性越来越大。本节对输电线路导线覆冰与舞动状态在线监测功能的 相关模型进行具体分析。 3 2 1 输电线路覆冰状态分析模型 系统部署在监控中心的数据采集软件可以实时的对监测线路所属的各个杆 塔上覆冰导线的重量、弧垂等变化的参量，同时结合各监测分机的点测或巡测 的数据进行分析判断。通过采集到的各类参数，包括输电导线的张力、弧垂、 绝缘子风偏角、杆塔的倾斜角度、环境湿度、温度、降雨量、风速等相关信息， 代入到已知的导线覆冰相关的计算关系方程，通过得出的计算结论，可分析判 断当前线路导线的覆冰情况。 在物理理论中，覆冰的形成是液态水滴在一定的环境条件下过冷却释放热 量从而固化成固体的一个物理过程。总得来说这是个放热的过程，水滴在固化 的过程中和环境热量的交换及传递是有着密切的关系【3 酬。通过研究表明，导线 覆冰表面最终会呈现热平衡状态，该状态决定了导线覆冰的量、覆冰的厚度以 及其密度等 3 6 - 3 9 】。导线覆冰的表面热平衡方程如式3 1 所示。 q 厂+ q v + q a = q c + q e + q ，+ 9( 3 1 ) 式中的参数分别表示：q r 为水滴冻结时所释放的热能：q ，为环境空气流动 对覆冰水滴表面摩擦的加热；9 为将覆冰从o o c 冷却到导线覆冰表面稳定时的 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 稳态温度所要释放的热量：9 为空气与导线覆冰表面对流的热量损失；1 2 为导 线覆冰的表面发生蒸发或升华时造成的热损失；1 2 1 为碰撞剑导线的过冷却的水 滴温度升高到0 0 c 时所要释放的热量；9 为冰面辐射的热损失。式3 1 等号的 左边为覆冰导线表面吸收的热量，右边为其损失的热量。当左右两边的值相等 的时候，导线覆冰即进入热平衡的状态。通过该方程建立的热平衡等式是求解 导线覆冰各种参量的理论基础。 如图3 3 所示，为任意杆塔导线覆冰模型示意图。其中a 、b 、c 三点代表 导线的实际杆塔悬点。b 和c 为b 、c 悬点的等效等高悬点。，d - 表示高悬点的 等效档距，如z 表示底悬点的等效档距。t v 为主杆塔向上的竖直张力。岛- 表示 等效档距对应的导线长度。 a 处主杆塔上的绝缘子串所受到的垂直方向的拉力t v 与其两侧的导线上的 某点的垂直方向载倚相等，导线上的这个点就是所谓的“平衡点”。由于导线在 稳定的状态下垂直方向上的力是平衡的，且弯曲导线的最低点只受到水平拉力， 所以由力学平衡的知识可知，“平衡点”就是最低点。 r r 延兰氅关、 l 堡一乏 未 矿话沁一一磊s 念 图3 - 3 杆塔导线覆冰模型图 1 ) 求解导线覆冰状态下的弧垂