基于力学和神经网络的覆冰监测和预测系统研究.doc

中文摘要2英文摘要3第一章绪论41.1研究背景及意义41.2国内外研究现状51.2.1输电线路覆冰研究的现状51.2.2输电线路覆冰在线监测方法的研究现状71.3本文研究的目的和研究的内容10第二章输电线路覆冰监测与预测系统总体设计方案112.1引言112.2监测与预测专家系统的结构132.2.1专家系统的基本结构132.2.2专家系统的建立152.2.3监测与预测专家系统中知识的表示152.2.4知识库的建立162.2.5知识的推理172.2.6知识库的维护17第三章输电线路覆冰计算模型和预测模型203.1引言203.2输电线路导线的静态特征和神经网络的特点213.2.1悬链线计算理论213.2.2抛物线计算理论253.2.3神经网络的特点313.2.3.1人工神经网络模型简介313.2.3.2 BP网络神经模型简介313.2.3.3 BP网络的工作原理及过程323.3覆冰厚度的计算353.3.1连续档距内导线应力计算的档距法353.3.2连续档距内导线覆冰应力的计算373.3.3覆冰厚度的实时计算383.3.3.1无风条件下连续档距内覆冰厚度的实时计算383.3.3.2有风条件下连续档距内覆冰厚度的实时计算423.4神经网络的创建和训练44第四章基于力学和神经网络的覆冰监测和预测的验证454.1引言454.2覆冰计算厚度的验证454.3覆冰厚度预测验证484.4小节49第五章结论与展望50致谢51参考文献52中文摘要 在电力传输系统中，输电线路的覆冰现象十分普遍。输电线路的覆冰可以引起输电线路舞动、杆塔倾斜垮塌、输电导线的断裂、绝缘子闪络以及通讯中断等事故，极大地威胁着电力系统的安全运行与正常工作，给社会带来巨大的经济损失，同时也给社会带来了不稳定的因素。因此，实时动态掌握输电线路的覆冰状况以及趋势，对覆冰区输电线路的正常运行以及提高整个电力系统的安全可靠性具有重要的实际意义和指导作用。 本文提出了通过力学的方法实现对输电线路覆冰状况进行监测，设计了输电线路覆冰的监测系统，即通过杆塔和绝缘子串之间的张力传感器和角度传感器在线采集现场输电线路耐张段轴向导线张力、悬挂点倾角和悬垂绝缘子串张力、垂直偏斜角数据，然后通过GPRS网络或Internet网络传送到电力系统控制中心的专家软件，控制中心计算机系统的专家软件对采集到的输电线路的张力和角度数据进行处理，并由专家软件计算得出当时输电线路导线覆冰厚度值。本文完成了在线监测系统的总体方案设计，并模拟了专家软件处理的整个过程。 针对本文提出的通过耐张段及直线塔张力的测量来对输电线路覆冰状况进行监测的方法，建立了以通过杆塔和绝缘子串之间的张力，以及绝缘子偏斜角为基本特征参数计算输电线路导线覆冰厚度的模型，设计了模型的整个计算流程以及模型的整个方针过程，并进行了试验验证。单独耐张段试验得出的覆冰厚度计算值与实际值的绝对误差为2一 +2 mm。可以看出，通过本文提出的输电线路导线覆冰厚度计算方法得出的覆冰厚度值精度较高，可较好地对输电线路覆冰状况进行推算。 同时，论文设计了一个神经网络模型，采用BP神经网络来对覆冰的厚度进行预测，作者在分析了影响覆冰产生的众多的主要因素有温度、湿度、雨量、风力、风向、导线悬挂高度、海拔、局部地理环境等等。作者研究结果表明，温度、湿度、雨量、风力、风向，压强为输电线路覆冰厚度主要影响因素。关键词:输电线路，覆冰厚度，在线监测，张力，倾角，偏斜角，神经网络英文摘要In power transmission system, the transmission lines ice cover phenomena are very common. Transmission lines ice cover can cause transmission line dancing, tower collapsed, transmission wires tilt fracture, insulator flash and communication network interruption of accident, greatly threatening the safety operation of the power system and the normal work, brings to the society huge economic losses, but also to bring the social factors of instability. Therefore, real-time dynamic master transmission lines ice cover status and trends of the apple the normal operation of the transmission line and improve the safety and reliability of the whole power system has important practical significance and guiding role.This paper puts forward through the mechanics method for transmission line cladding ice condition monitoring, design the transmission lines cladding ice monitoring system, that is, through the tower and insulator string tension between the sensor and the Angle sensor online collection site transmission lines a period of axial conductor resistance tension, hanging point Angle and trailer insulator string tension, vertical partial bevel data, and then through the GPRS network or the Internet network transmits to the power system control center of experts software, the control center of computer system for the collected expert software of transmission lines the tension and the Angle data processing, and calculated by expert software was transmission line wires cladding ice thickness values. This paper completed the overall scheme of the on-line monitoring system design, and simulated the experts software process of the entire process.In this paper, through a period of resistance and linear tower tension measurements to for transmission lines in ice coverMonitoring method, set up with through the tower and the tension between insulator string, and insulator fundamental characteristic parameters for partial bevel calculation transmission line wires cladding ice thickness of the model, and the model was designed the whole calculation model of the process and the whole policy process, and test. A period of concluded that the resistance to separate the cladding ice thickness calculation value and the actual value of the absolute error for a 2 a 2 mm. Can see, through the proposed transmission line wires cladding ice thickness calculation method that the thickness of the ice cover is high precision, and thus well for transmission lines in ice cover is calculated.At the same time, the paper designed a neural network model, the BP neural network to predict the thickness of the ice cover, the author analyzes the impact of ice cover many of the main factors from the temperature, humidity, wind direction, wind, rain, wires hanging height, altitude, local geography environment and so on. The author the results of the study show that, temperature, humidity, wind direction, wind, rain, pressure for transmission line cladding ice thickness main influencing factors.Keywords: power lines, ice cover thickness, on-line monitoring, tension, dip Angle, partial bevel, neural network第一章 绪论1.1研究背景及意义自改革开放以来，我国的国民经济一直保持着高速的发展，取得了令世界所有人瞩目的成绩，其中这些成绩的取得离不开电力工业的支持。我国的能源和经济存在着区域的极度不平衡分布。例如煤炭主要集中制北方，是石油主要集中在西北边疆和东部海域之中，水力资源则集中在西部高海拔，高严寒地区，而经济发达并且高速发展的区域则在东部沿海城市，这种能源与需求之间的分布不平衡，必然造成能源丰富地区需要输出，而经济快速发展地区需要能源的输入，这也是我国实施”南水北调，西点东送，西气东输”这项决策的主要目的。西电东输形成了北部，中部，南部三大输电干线，而南北方的相互促进也是北部，中部，南部之间相互联网，从而形成全国统一的纵横交错的全国输电线路的总格局。由此可见，要真正的实现上述的全国输电线路总格局，首先要解决的就是我国高海拔，高严寒地区的输电线路安全正常运行问题。在高海拔，高严寒的独特自然天气下，覆冰的产生成了一种司空见惯的现象，也正是由于这种司空见惯的现象，严重的影响的输电线路的安全以及正常工作。也正是由于这种司空见惯的现象，使这里的输电线路很容易的产生导线舞摆，塔杆倾斜，塔杆垮塌，导线断裂，绝缘子闪络以及通讯中断等事故，从而酿成重大的事故1-4。自上个世纪40年代以来，输电线路的覆冰导致的输电线路事故一直是困扰着全世界所有电力系统的的最严重的自然灾害之一。最早的有关输电线路覆冰的事故出现在1932年，再次之后，国内为有关输电线路覆冰的事故就频频报道，再加上近几年来自然环境的恶劣，大有愈演愈烈之势。1998年，加拿大由冻雨产生的覆冰事故，造成了735KV输电线路在内的一千多条基铁塔和三万多条基木塔，累计约有170多万人中断电力供应一周之多，因停电冻死120多人。仅魁北克水电公司直接经济损失就高达10亿元，因此造成的间接损失约有30亿元之多5-6。我国最早的有关输电线路覆冰的灾害是1954年。据不完全统计，自上世纪50年代以来，我国输电线路由覆冰产生的大小事故已高达上千次。1954年，湘中电力系统中14条输电线路因覆冰发生基塔倾斜和垮塌事故;1984年贵州电力系统因覆冰发生大范围内的架空输电线路受损，全省约27.37%线路跳闸，共记131条次，平均每天跳闸4条次，造成贵州电力系统的最终解体。2004年12月和2005年12月，我国部分地区500 kV线路由于覆冰出现的较大范围内的闪络跳闸、导线舞动和倒塔断线事故，尤其是华中地区历史上罕见的雨淞天气导致输电线路大范围覆冰，部分线段覆冰厚度明显超出线路机械承载能力，造成线路基塔倾斜垮塌情况严重，直接影响输电电网的正常运行。2008年1-2月的持续低温、雨雪冰冻气候对我国南方地区电网造成了极其严重的毁灭性的破坏。据不完全统计，国家电网公司系统由覆冰产生的事故造成高压线路杆塔倒塌18.2万基，受损1.1万基;低压线路基塔倾斜垮塌51.9万基，受损15.4万公里;各级电压等级线路停运15.3万条，变电站停运885座。南方电网公司系统基塔倾斜垮塌12万多基，受损线路7000多条，变电站停运859座。导致3348万户，约1亿人口停电，国家电网直接经济损失高达104亿元，南方电网直接经济损失高达50亿元，由停电造成的间接经济损失以及社会不安全影响更是难以估计。因此及时开展防覆冰技术以及覆冰在线监测技术的研究，进而对输电线路覆冰灾害进行监测和预警7。这些对于覆冰区输电线路的安全运行以及提高整个电力系统的安全可靠性具有重要的实际意义和指导作用。目前，各国电力系统中比较通用的防止覆冰灾害的防冰，除冰技术主要有：9-121. 在设计电力系统的输电线路时，应尽可能的避开重冰区，从源头上杜绝因患8。2. 在输电线路上涂抹憎水性的涂料来减少覆冰量，降低冰与输电线路表面的粘附力，使冻雨或雪等在冻结或是粘附到输电线路之前就在重力，风力等自然力的作用下脱落，防治覆冰的产生。目前在电力系统中，通用的憎水性涂料主要用丙烯酸烘漆，聚四氟乙烯和有机硅漆等。3. 热力除冰，即利用导线自身热源或附加热源加热，使已经黏在输电线路上得冰雪融化，如利用短路电流融化覆冰4. 机械除冰，即使用手动机械或是自动机械来使附着在输电线路表面的覆冰，在外力的作用下脱落，如现在哈尔冰工业大学自主研发的“高压线除冰巡检机器人”就是利用滑轮铲剥落附着在输电线路表面的覆冰。5. 自然被动除冰，就是利用风，重力，温度等的变化等自然条件使附着在导线上得冰或是雪脱落，此法不能保证可靠除冰，因为无需外部能量，所以一般被用来辅助除冰，以增加除冰的效果。现用的防冰，除冰方法虽多种多样，但大都是耗能大、安全系数低，再加上在不用的地区覆冰产生的条件轻重不同，使得到目前为止，尚无一个成熟、有效、经济且通用的方法。此外，当输电线路出现覆冰时何时需要除冰，何时不需要除冰是一个关键且棘手的问题。要解决这个问题，就要求电力系统的工作人员能都实时地，动态地，正确地掌握输电线路的覆冰情况（覆冰厚度）。为了解决这个问题，传统的方法就是在易发生覆冰的地段建立输电线路观察哨或是观察所，通过实时的测量输电线路的覆冰厚度并提供给电力运行部门，为其决策提供依据。该方法的主要缺点就是成本大，危险性高，实时性低，准确性差，容易丢失关键信息。同时，测量运行的输电线路的覆冰厚度比较难且危险性高，对采取的数据由于经验以及人自身的因素误差比较大，从而使对采集的数据的可信度大大折扣。因此对输电线路覆冰的实时在线见测就显得尤为的重要。一方面，输电线路的实时在线监测的数据，可以为电力系统的运行部门的决策提供依据；另一方面，输电线路覆冰的在线监测数据，可以为以后进一步研究覆冰的产生机理以及做进一步的研究提供大量的可靠依据。1.2国内外研究现状1.2.1输电线路覆冰研究的现状输电线路覆冰的种类覆冰是一种分布相当广泛的自然现象，是过冷却水撞击在低温物体表面上并被捕获而冻结起来形成的。由于输电线路导线和绝缘子结构形状复杂，加上不同地区的微气象、微地形及温度、湿度、风速等自然因素的不同影响，因而在实际输电线路中导线和绝缘子上的覆冰状态可谓千奇百怪、各不相同。总体上来说对覆冰可以按照不同的分类方法化分为以下几种类型：13-161）按冰的表现特性进行分类雨淞，是大气中的过冷却水滴在导线的迎风面形成的清澈光滑透明的覆冰，其密度0.8 g/cm3，坚硬，粘附力很强。雨淞覆冰是最严重的一种覆冰形式，导线形成雨淞后，不论厚度如何，如因天气下雪或雾淞覆冰将导致导线覆冰迅速增长，且因其密度大，产生的机械负荷也最大。混合淞，又称硬雾淞，通常是过冷却水滴在导线的迎风面形成的雨淞与雾淞混合冻结的不透明或半透明覆冰，密度0.6-0.87 g/cm3，坚硬，粘附力强。雾淞，也叫软雾淞，大气中的水气在过饱和时，附着或升华凝结，形成放射状的结晶为雾淞，密度低于0.6g/cm3，粘附力很弱。积雪，是由自然降雪粘附在导线上形成的，有干、湿雪之分:干雪密度0.1 g/cm3，粘附力很弱；湿雪密度0.10-0.15 g/cm3，粘附力较弱。白霜，是空气中的湿气与0以下的冷物体接触时，湿气在冷物表面凝结形成的，对导线威胁不大，但会增加输电线路的电晕损失。2）按冰的形成机理分类降水覆冰：空气中的冻雨(过冷却水滴)降落到温度接近0或负几度的导线和绝缘子表面而形成覆冰。云中覆冰：空气中过冷却的云或雾与导线和绝缘子表面相接触冻结成冰。凝华覆冰：是大气中的水蒸汽直接冻结在导线和绝缘子表面所产生的一种霜，也称为晶状雾淞。晶状雾淞不会发展变化很大，其附着力也较小，只要有风就可以将其从导线表面剥落，对输电线路也不会产生很大的荷载作用。因而，在研究输电线路覆冰时，几乎所有的研究仅注重于研究第一类覆冰（降水覆冰）和第二类覆冰问题（云中覆冰）。3）按冰在导线和绝缘子表面的增长过程分类17-22干增长过程：如果水滴冻结所需时间小于连续二个水滴碰撞同一微区域的时间，这种覆冰称为干增长过程。湿增长过程：如果水滴冻结所需时间大于连续二个水滴碰撞同一微区域的时间，这种覆冰称为湿增长过程。输电线路覆冰检测方法及技术1）直接测量法23直接测量法就是直接人工测量输电线路的导线及绝缘子的覆冰厚度。该方法虽然可以获得输电线路导线和绝缘子覆冰的真实情况，但是输电线路覆冰的区域动辄十几公里、几十公里甚至上百公里，而且覆冰的区域通常都是在海拔较高的地方，交通不方便，再加上是高压高空作业，因此该方法的成本太高，同时对操作人员的人身安全也会构成极大的威胁。目前该方法在实际中应用极少。2）视频图像法24视频图像法就是在输电线路的塔杆上安装摄像机，利用摄像机拍摄输电线路的图像，兵通过GPRS/GSM将图像传输到监控中心，人工判断或是利用专家软件判断覆冰情况。同时也可以根据CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）图像传感器拍摄图片，利用图像边缘特征来确定覆冰类型和厚度。此方法比较直观，实施起来也比较容易，但由于传输的数据容易受到噪声的污染，同时传输量也受带宽限制，再加上摄像机镜头容易受到外界自然因素的干扰，如云，雾，雪等，所以此方法一般都用来作为辅助监测手段。3）水平张力-倾斜角法25水平张力-倾斜角法就是通过拉力传感器测量耐张段绝缘子串轴向的张力和绝缘子悬挂点倾斜角想数据，得出覆冰的质量，进而测出覆冰的厚度。在算法上主要依据输电线路的方程。此种方法在传感器的设计上比较简单，并且能直接反应整个耐张段内的输电线路的负重情况，但是用于其输电线路状态的方程在不同地域的情况下不同，所以有可能给输电线路的结构设计上带来安全隐患。再次基础的改进倾角-弧垂法则在很大程度上解决了这个问题。4）基于热力学机理的数学模型26基于热力学机理的数学模型就是通过建立输电线路的覆冰热力学能量的平衡方程关系，获得输电线路表面结冰的判据、冰厚度计算式和冰重增长率等参数。该方法虽然有严谨的数学推导依据，但是他忽略了输电线路表面的粗糙程度，污损程度，且无视已有覆冰形状对覆冰增长的影响，所以严重影响了它的工程应用。5）基于流体力学机理的数学模型27 基于流体力学机理的数学模型认为输电线路在整个覆冰的过程和输电线路的半径，当时的风速风向，空气湿度，覆冰持续的时间，冰的密度，碰撞率，捕获率，凝结系数等因素有关，有Goodwin模型（假设覆冰后导线形状为圆柱形）、Chaine模型（假设覆冰后形状为椭圆形），Makkonen模型（假设覆冰后导线的形状为翼型）等数学模型。此方法是截止目前为止，工程应用最为成熟的模型，已被美国、加拿大、芬兰等国家广泛应用于输电线路的设计之中。但是由于在实际中，覆冰的形状受风速，风向等自然因素的影响，所以在设计时要注重考虑这个问题，不然测得结果的精度将受到影响。1.2.2输电线路覆冰在线监测方法的研究现状近些年来，随着电子监测技术的快速发展和计算机的普遍广泛使用，输电线路覆冰的在线监测方法也得到了快速发展。自从2008年南方冻雨灾害以后，南方电网研究中心花大力气开展输电线路覆冰监测及预警系统的开发，有力地推动了电网覆冰在线监测系统的研究。同时，广西电网也积极地开展覆冰监测和预警系统的研究28。对输电线路覆冰的在线监测，一般都是监测覆冰的等效覆冰厚度或是质量。按照国家电力系统线路设计标准设定线路设计时采用的覆冰厚度是密度为0.9 g/cm3的等厚中空圆柱形的冰层厚度。然而在大多数情况下，导线表面往往覆盖的是雾凇、雨凇或雪，其密度也远小于0.9 g/cm3，形状也并非是中空圆柱形，而是不规则的形状或是椭圆形。因此，应将测得的覆冰数据等效换算成圆柱形，且密度为0.9 g/cm3的标准覆冰状态，此时我们得到的就是输电线路的等效覆冰厚度29。当前国内外对输电线路覆冰在线监测方法主要有： 像等效判别法30首先，在杆塔上安摄像机等装视频采集装置，拍摄输电线路上的覆冰形状的图片，利用GPRSGSMA或Internet等方式将图片传输到后台，然后再利用输电线路固本身的几何尺寸，采用微积分等数学方法计算覆冰面积，再换算到等效覆冰厚度。这种方法简单易操作，采集的输电线路覆冰的图像结果直观，可通过人工或图像识别的方式判断覆冰情况，但并不一定能真实反映导线等值覆冰状况，例如：导线不同部位覆冰的不均匀性，摄像机拍摄角度等，覆冰形状并非几何对称，摄像机镜头被遮蔽或是冻结等，都会都最后的结果产生误差。 测量输电线路应力等效换算成覆冰的质量31通过在悬垂线夹附近的输电线路上安装倾角传感器，监测输电线路的倾角的变化，对应输电线路弧垂与环境温度的变化关系，对比角度差，计算输电线路应力的增加量，得出覆冰的质量变化，再等效换算到等值覆冰厚度值。这种方法的难点就是输电线路的弧垂与环境温度的变化关系不易确定。因为这种关系受周围关系诸多因素的影响，稍有误差，覆冰质量的计算就相差很大，这就是所谓的差之毫厘失之千里。徐青松等对架空输电线路覆冰实时监测方案进行了探讨，提出采用弧垂实时监测、输电线路图像实时监视和小型气象站气象数据实时监测的相结合的综合方法来实时监测架空输电线路覆冰的新方案。对弧垂的实时监测采用实时测量悬挂点倾斜角的方法。对架空输电线路的力学计算采用了抛物线方程来近似计算。它采用的导线计算模型如图1.1所示：当导线二悬挂点A、B间的档距为l；高差为h(B高于A)。图1.1悬挂点不等高的架空线Fig 1.1 The overhead conductor with the different height of suspension point采用抛物线方程的方法计算得输电线路档距内最大的弧垂为： （1.1）式中，H为导线最低点水平张力，w为导输电线路单位长度的自身重力(荷载)。悬挂点A、B处导线的倾斜角指的是A、B处导线的切线与水平线的夹角，如图所示A处导线的倾斜角为A。可得悬挂点A处导线的倾斜角为： （1.2）由以上两式可得： （1.3）实时测量悬挂点倾斜角，再通过以上公式的函数关系，来达到监测导线弧垂的目的。这样就可以所以通过测定覆冰后悬挂点倾斜角来实现监测输电线路覆冰后弧垂，再进一步计算出输电线路的等效覆冰厚度。但这种方法只能应用于单档导线，对连续档导线，当各档覆冰时绝缘子串会发生偏移，此时悬挂点倾角也会发生变化。绝缘子串倾斜后也会引起各档档距的变化。现在，对导线倾角弧垂的测量已有一些相关比较成熟的产品。例如：美国The Valley Group Inc.公司生产的CAT-1就是通过测量导线应力计算弧垂的实时监测装置32，美国USI公司生产的Power-Donut 233和杭州海康雷鸟公司生产的MT系列温度-倾角测量球也是用实时测量导线温度或悬挂点倾角34，并通过计算得到实时弧垂的装置。 称重法用拉力传感器直接测量在一个垂直档距内导线的质量，利用风向、风速和倾角传感器，计算出风阻系数和绝缘子串的倾斜位移，采用排除法，最终得出覆冰质量，再用0.9 g/cm3的密度换算为等效覆冰厚度。目前加拿大、日本、俄罗斯等国家都是采用该方法34，但它对覆冰的计算至今也没有形成统一的模型。邢毅等设计了基于测量耐张段轴向输电线路张力和悬挂点倾角的输电线路覆冰的实时监测系统，对输电线路的导线覆冰载荷进行了力学分析计算，认真研究了覆冰厚度的计算方法35。它对导线也是采用斜抛物线方程公式来计算的。它采用输电线路的计算模型如图1.2所示，该导线悬挂于A与B间的档距l，A与B间的高差h，高差角。考虑全档导线所受风载荷在横向和纵向的影响，导线受力分析如图1.2所示，在此我们近似认为导线的近似长度为斜档距lAB，则风向与导线的夹角在同一档内可以认为恒定值。将导线上的载荷利用平行四边形法则分解为垂直载荷rv和水平载荷rh，如图：图1.2风偏下的导线受力分析图Fig 1.2 Transmission line mechanical analysis with wind-caused offset以上模型通过对导线在没有覆冰的情况下，静态时输电线路的自重载荷，导线单位水平长度风压载荷，导线覆冰的情况下增加覆冰载荷，在导线覆冰情况下，导线的单位水平风压载荷及导线的综合载荷的计算，推导出有覆冰情况下的覆冰等效厚度。由于该模型是根据耐张段轴向导线张力来对输电线路覆冰情况进行计算的，因此该方法主要是针对单独耐张段进行的，也因此它只能对单独的耐张段和整个连续档内的导线在相同的均匀覆冰情况下进行计算，不能反应各档间不均匀覆冰的真实情况，这也是他的局限性。黄新波等提出了一种输电线路覆冰在线监测系统的设计方案，通过实时监测输电线路导线的覆冰重力变化、绝缘子串的倾斜角、风偏角、导线舞动频率以及风速等环境变量，并通过GSM /SMS发送至监测中心，由专家系统来分析覆冰状况36-37。而对导线覆冰厚度的实时监测，它是通过建立了导线覆冰的厚度和输电线路的弧垂变化的力学关系来得到。它建立的理论模型如图1.3所示：并定义主杆塔绝缘子串上的竖直方向上张力TV与两边输电线路导线某点到主杆塔A点间导线上的竖直方向上得载荷相互相等的点称为“平衡点”，如图：图1.3主杆塔等效档距示意图Fig 1.3 Equivalent distance of the main tower该模型最终求得综合载荷q与TV、的关系，其中TV为有覆冰、风载荷作用与只有输电线路自重载荷作用时主杆塔上竖直方向上载荷的差值；为主杆塔上绝缘子串倾斜角。而q则为覆冰载荷，导线自重载荷和风载荷之和，因此，再求得风载荷后便可得到覆冰载荷，再换算得到导线的等效覆冰厚度。这种方法建立的模型只考虑了有两档导线，且只对主杆塔的绝缘子串偏移进行了计算，一次对于多挡的输电线路的导线不适用，这也是它的不足之处。总体言之，目前国内外对输电线路覆冰在线监测方法还没有统一的有效方法，对输电线路覆冰的监测方法还需进一步的探讨和研究，以便更有效的防冰防灾。1.3本文研究的目的和研究的内容输电线路覆冰严重影响了电网的正常运行和安全工作，造成了巨大的经济损失，为有效保障输电系统的正常工作与运行，对输电线路覆冰的在线监测的研发就显得尤为重要。总体而言，对输电线路覆冰的在线监测和计算目前尚无一种通用的方法。对于架空输电线路，输电线路载荷的垂直分量直观反映了导线覆冰荷载的变化，而输电线路的水平分量则承受更大的张力，因此本文提出通过基于力学的导线载荷和绝缘子串的倾斜角的测量方法来对输电线路覆冰状况进行在线监测，由现场传感器采集到的输电线路张力和角度数据来对输电线路覆冰情况进行分析计算。全文的主要研究内容概述如下：计本文提出的基于力学测量的输电线路覆冰监测与预测系统的总体方案，给出了专家系统中各模块的设计原则建立以导线张力、悬挂点倾角等为基本特征参数计算输电线路导线覆冰厚度的模型；建立BP神经网络预测模型。本文提出的输电线路导线覆冰厚度的计算模型和预测模型进行试验验证。第二章 输电线路覆冰监测与预测系统总体设计方案2.1引言上个世纪60、70年代，自从美国国家投入巨大的人力物力开发在线监测为前提的状态检修与报警技术以来，设备状态在线监测与报警技术的研究和开发应用相继在众多相关工业领域开展起来。在线监测是通过各种在线监测的传感器，即各种在线监测技术，在不影响监测设备正常运行与工作的前提下实时的获取运行设备的相关状态信息，它是状态监测的重要信息获取源。目前状态监测主要包括实时在线监测、必要时的离线检测及报警，以及与运行设备不直接接触的在线监测技术，如红外监测、全球定位系统(global positioning system,GPS)巡检等。设备状态在线诊断是以在线监测的结果对报警的类型、相关位置、引起原因及严重程度做出判断，并预测出设备继续运行的状态以及给出维修策略和改进方法的建议。显然在线诊断系统就要要求在线监测系统必须具备能够反映多种特征量(单一特征量很难满足实际要求)的监测功能。因此，功能强大，具有智能化诊断以及预测的专家软件成了研究的重点和难点。输电线路的在线监测是通过安装在监测设备上的各种传感器来状态记录设备，并将结果反映给监控台，来实现输电线路设备的状态监测、状态检修的技术。状态检修无论是从理论上还是从实际效果上讲都比预防检修层次更高的技术。状态检修的依据是设备的实际运行情况，根据其在运行状况下各种特性参数的实时变化，通过分析、比较来确定输电线路是否需要检修，以及需要检修的项目，内容和位置，具有很强的针对性和实时性。状态监测则作为状态检修决策的依据38。具体的输电线路状态监测如图2.1所示。图2.1输电线路状态监测图Fig 2.1 State monitoring of transmission line到目前位置，导线温度及动态增容在线监测系统、输电线路氧化锌避雷器在线监测系统、输电线路覆冰在线监测系统、输电线路绝缘子污秽在线监测系统、输电线路覆冰在线监测系统、输电线路防盗报警监测系统、输电线路远程遥视监控系统、输电线路氧化锌避雷器在线监测系统、输电线路驱鸟装置等在线监测技术已逐步在电力系统中得到应用39。输电线路覆冰在线监测是输电线路状态在线监测中很重要的一部分，本文根据实际输电线路的实时运行情况，提出了基于力学测量的输电线路覆冰在线监测与预测系统。本系统通过安装在输电线路上的张力传感器，角度传感，温度传感器，风速风向传感器，湿度传感器等，实时采集输电线路张力，倾斜角度，环境温度，风速，湿度等数据，再通过CDMA(GPRS)网络将数据传输至Internet网络，并通过Internet网络将数据最终传输至电力系统的控制中心。控制中心内的计算机系统对采集到的输电线路的张力，倾斜角度，环境温度，风速，风向，湿度等数据进行处理，由专家软件计算得出输电线路导线覆冰等效厚度值40-57。系统的基本组成如图2.2所示。图2.2输电线路覆冰监测系统的基本组成Fig 2.2 Structure of icing monitoring system 此外，对输电线路进行视频监控可以对输电线路进行24小时全天监测，实时从视频上观察线路上雨雪降落以覆冰的情况，为电力系统工作人员判断覆冰的变化趋势提供直观依据。当然，图2.2所示的监测系统中未涉及到对输电线路覆冰的预测，因为预测只作为一种辅助决策的措施，再加上预测具有误差性，所以预测只作为电力系统工作人员判断未来覆冰变化趋势的一种辅助措施。在实际的电力系统中，对输电线路这些状态参数进行实时监视，可以对输电线路的潜在危险作出及时预警并提前采取措施以避免事故发生而带来的巨大损失，是提高电力系统运行可靠性和安全性的必然需要，具有很重要的意义。2.2监测与预测专家系统的结构2.2.1专家系统的基本结构专家系统强调利用领域专家的专门的知识来求解那些需要该方面专家才能有效解决问题的专业知识。所以，一个专家系统的两个核心部分的组成：存放专门知识的知识库和利用该知识库实现解决这些问题的推理机。专家知识包括求解问题与问题解决方法有关的定义、事实和各种为该领域技术人员所共同认可和一致接受的理论、方法，这样的共识一般可以在教科书或者其它文献中查找到，所以称这些知识为共性知识。而那些在已发表的论文材料或是其他文字材料中难以找到，是专家凭经验或凭直觉获得的经验知识，我们称这些知识为启发式知识。这种启发式知识是专家所特有的特性知识，它们是专家进行高水平问题和高难度问题求解的关键所在。知识的采集和知识库的建立往往是建造一个专家系统的核心任务所在。因为这涉及到获取知识手段的两大问题：选择合适的知识表示方法来组织知识库和运用合适的知识获取知识。知识库获取模块还应能够把专家系统进行实际问题求解过程中的步骤和解决效果记录下来，归纳成知识再次添加到到知识库中形成新的知识或者对知识库已有的知识进行修改，自动调节、完善，这就是我们通常所说的自动学习能力或是自我学习能力。而交互式实现的知识修改、扩充，完善，称之为交互式知识获取。知识库、知识获取模块、推理机，以及专家系统与专家和用户交换信息的人机接口、用来存放具体问题数据库和求解问题过程中相关信息的数据库一起，构成了一个专家系统的基本结构。结构更为完整的专家系统还应该包扩一下几个方面的处理能力:（1）人机接口上含有用于系统同专家和用户交换信息的自然语言处理模块和图形、表格处理模块，使得专家和用户能以尽可能方便，容易，自然、轻松的方式实现信息输入和结果输出; （2）知识库的组织和维护需要有一个专门的知识库维护模块或知识库管理模块来对知识库进行组织和维护，以此来实现对知识库中矛盾的知识、冗余的知识和新加入的知识进行管理和维护，同时实现知识的存储、共享。专家系统的结构示意图如下图所示:图2.3专家系统结构示意图Fig. 2.3 expert system structure schematic drawing专家系统结构和基于算法实现的程序的主要不同在于:（1）专家系统中知识库中知识和推理机是相对独立的，这样便于实现知识库中知识的修改，完善和扩充，而在传统程序中二者是一个整体，融和在程序中，所以传统程序系统中知识的完善只能靠修改程序的方式来实现;（2）专家系统中知识获取模块和相应的知识库维护模块能够在非代码控制状态下不断改进、完善，进而改进实现专家系统性能的提高;（3）专家系统中解释机制能够完整的给出问题求解过程的完整说明，强调了专家系统对非专家用户的透明性，增加了专家系统的实用性;（4）专家系统主要面向非计算机专业的非专家用户，因此专家系统追求自然、易于表述的人机接口的设计模式;（5）专家系统强调符号推理和启发式知识的综合使用，这也是整个人工智能求解问题同基于算法设计的传统程序解决问题的根本区别。2.2.2专家系统的建立专家系统的核心内容就是知识，总体来说，知识库中知识的数量和质量是一个专家系统性能是否优越于其他专家系统的关键性因素所在。因此专家系统建立的关键就在知识库的建立。知识库建立的两个关键技术是：知识的完整获取和知识的完整表示。专家系统中另一主要组成部分是：推理机设计，而推理机的设计关键技术就在于基于知识的推理。知识获取是指从某个具体问题或某些数据源获取专家系统中解决这类问题所需要的专门知识。知识表示是关于各种存储知识的数据结构以及对这些数据结构的解释说明过程。它主要研究这些数据结构中含有语义信息的数据结构的设计，以便在这些数据结构中实现知识存储，进而来收件开发各种操作这些数据结构的推理过程，使这些知识的表示和这些知识的运用控制以及新知识的获取相融和，相协调。一个性能卓越的专家系统的知识表示方法选取得合适不仅考虑到这些知识的有效存储，而且也有助于提高专家系统的知识推理能力以及对新知识的获取能力。基于知识的推理是指针对用户的具体问题，选择并运用知识库中的知识以实现具体问题具体分析解决的过程。推理涉及的两个基本问题：推理方向选择和具体方法的选择。掌握了专家系统中知识获取、知识表示和知识推理等基本技术以后，我们可以着手实际专家系统的建立。专家系统的建立同基于算法的传统软件的设计开发在实现上的基本区别在于，专家系统的建立都是渐增式的，就是通过知识库中知识从小到大，从不完善到完善，从不丰富到丰富的逐步扩充、改进，完善，专家系统要不断地进行验证、评价、专家认可，最终才能成为一个可以使用的专家系统。一个专家系统的建立通常按照三个步骤:初步设计，开发原型系统，知识维护。2.2.3监测与预测专家系统中知识的表示（1）监测点监测点的基本信息表（MPInfo，MP为 monitory point的简写），记录了监控点基本信息：字段名数据类型缺省值空值含义MP_IDChar（15）Not监控点编号Line_IDChar（15）Not所属线路编号MP_ LongitudeFloatNot监测点经度MP_dimensionalityFloatNot监测点纬度Main_HighIntNot主杆塔高Sub1_HighIntNot副杆塔1高Sub2_HighIntNot副杆塔2高Sub1_distanceIntNot副杆塔1档距Sub2_distanceIntNot副杆塔2档距MP_MonitorIntNot监控点维护人（2）线路线路基本信息表（LineInfo），记录线路的基本信息：字段名数据类型缺省值空值含义Line_IDChar（50）Not线路编号Line_NameVarchar（50）Not线路名Line_longIntNot线路长度Line_AreaDoubleNot导线横截面积Line_DiameterDoubleNot导线直径Line_StyleVarchar（50）Not导线类型Line_VoltageChar（20）Not线路电压等级（3）维护人员维护人员基本信息表（workInfo），记录了维护人员的基本信息：字段名数据类型缺省值空值含义Worker_IDChar（10）Not维护人员编号Worker_NameVarchar（10）Not维护人员姓名Worker_SexChar（2）Not维护人员性别Worker_AgeIntNot维护人员年龄Worker_EntryDatetimeNot维护人员入职时间（4）环境因素信息环境信息表（EnvirInfo），记录着监测点监测到的环境变量的信息：字段名数据类型缺省值空值含义DTDatetimeNot监测时间MP_IDChar（15）Not监测点编号WetIntNot湿度RainFloatNot降雨量WindSpeedFloatNot风速Wind_DirectionChar（4）无Not风向PresureFloatNot压强（5）覆冰厚度覆冰厚度信息表（Ice_thickness_Info），记录覆冰的具体信息：字段名数据类型缺省值空值含义DTDatetimeNot覆冰时间Thi