输电线路覆冰厚度监测方法

摘要

本发明提供一种输电线路覆冰厚度监测方法，通过存储历史气象资料、覆冰情况资料以及地理环境资料，对这些资料进行整理，建立对应关系，即在某一地理环境中，一定的气象条件产生一定的覆冰情况；在获取当前气象资料、地理环境资料后，将其与数据库中存储的历史气象资料、地理环境资料、覆冰情况资料进行对比，确定当前情况下输电线路是否有产生覆冰的可能，避免由于单纯设定覆冰监测起始时间和覆冰监测结束时间而导致极端情况下覆冰监测的遗漏。通过对输电线路覆冰现场图片的分析，确定当前覆冰的类型，以确定覆冰的密度，以便进一步计算覆冰厚度。本发明不仅可以用于监测覆冰厚度，还可以用于对某一时间段的覆冰厚度增长情况进行预测。

主权项

一种输电线路覆冰厚度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取输电线路沿线的历史气象资料、历史覆冰情况资料以及地理环境资料，并存入数据库中；所述历史气象资料包括气温、风速、相对湿度、降水量；所述历史覆冰情况资料包括覆冰厚度、覆冰类型、覆冰重量以及各覆冰类型的外形特征、密度，所述覆冰类型是指附着在输电线路上的不同冰块，包括雨凇、混合淞、软雾凇以及白霜，在不同气象条件及地理环境下产生不同类型的覆冰；所述地理环境资料包括输电线路沿线的海拔；将历史气象资料、历史覆冰情况资料以及地理环境资料建立一一对应关系，即处于某一海拔的输电线路，在气温、风速、相对湿度、降水量一定情况下，产生的覆冰情况，所述覆冰情况指覆冰的厚度、类型、重量；(2)设定覆冰监测起始日期和覆冰监测结束日期，获取当前日期，将其与覆冰监测起始日期及覆冰监测结束日期进行比较，如果当前日期处于覆冰起始日期及覆冰结束日期之间，则启动输电线路覆冰厚度监测，执行步骤(4)，否则进入步骤(3)；(3)获取当前气象资料以及地理环境资料，所述气象资料包括气温、风速、相对湿度、降水量，所述地理环境资料包括海拔；将当前气象资料以及地理环境资料与数据库中存储的历史气象资料及地理环境资料进行对比，确定当前气象及地理环境条件下，输电线路是否有覆冰的可能，即当前气象及地理环境条件下，在历史数据中是否有覆冰记录记载；如果有覆冰记录记载，则进入步骤(4)；否则停止监测；(4)由数字型号处理器DSP驱动安装在铁塔上的成像模块获取输电线路的图像，所述成像模块为CCD传感器；将获取的图像经过编解码模块转换成数字信号，并通过通信模块传输给数字信号处理器DSP，由数字信号处理器对已经转换成数字信号的图像进行灰度处理、使用中值滤波算法对图像进行增强，再根据基于水平集方法的Snake模型算法对图像进行二维分割，提取图像的形状特征；(5)运用形状匹配算法将所提取到的图像的形状特征与预先获取并存储在数据库中的各覆冰类型的外形特征进行比较，确定当前输电线路上的覆冰的覆冰类型；如果所提取图像的形状特征与预先获取的各覆冰类型的外形特征都无法匹配，则当前输电线路无覆冰，返回步骤(4)；(6)根据覆冰类型获取当前输电线路上的覆冰的密度，如果覆冰类型为雨凇，则密度0.8‑0.9g/cm³，覆冰类型为混合淞，则密度为0.6‑0.8g/cm³，覆冰类型为雾凇，则密度为0.3‑0.6g/cm³，覆冰类型为白霜，则密度为0.1‑0.3g/cm³；(7)利用风速传感器获取当前的风速，利用温度传感器获取当前的冰面温度和环境温度，并获取当前的降水率；将覆冰密度带入覆冰厚度计算公式，计算覆冰厚度：t_i+1时刻的覆冰厚度计算公式如下：$b_{i+1}=b_i+\sqrt{R_i^2+{\mathrm{\Delta m}}_i/\left({\rho }_i\pi \right)}-R_i,$那么计算从开始产生覆冰时到当前时刻T的覆冰厚度，此时，该时间段长度为T，每隔时长L测算一次，则共测算T/L次，由于每种覆冰类型的覆冰密度不是定值，则覆冰厚度关于变量覆冰密度ρ_i的公式为：$B_1=\underset{i=0}{\overset{T/L}{\Sigma }}(b_0+\sqrt{R_i^2+{\mathrm{\Delta m}}_i/\left({\rho }_i\pi \right)}-R_i),$由此可以得到覆冰厚度：$B=\frac{{\int }_{z_1}^{z_2}\left[\underset{i=0}{\overset{T/L}{\Sigma }}(b_0+\sqrt{R_i^2+{\mathrm{\Delta m}}_i/\left({\rho }_i\pi \right)}-R_i)\right]}{z_2-z_1}$其中：b₀的初始值为0，z₁<ρ_i<z2，其中：z₁、z₂为常数，其值为所述步骤(6)中根据覆冰类型得到的覆冰密度的下限和上限；Δm_i为从t_i到t_i+1的时间段内覆冰增长量；R_i为t_i时刻覆冰厚度，R_i＝b_i+R₀，R₀为输电线路原始半径；Δm_i＝2R_iα₁α₂α₃w_iv_iΔt_i，其中：α₁为碰撞系数，α₂为捕获系数，α₃为冻结系数；v_i为t_i时刻的风速，w_i为t_i时刻的液态水含量，P_i为t_i时刻降水率，即t_i时刻所在的某一时间区段的降水率；α₁的计算公式如下：其中，K＝ρωa²v/9μD，Re＝ρ_aav/μ；μ为空气粘滞系数，ρ_w为水滴密度，ρ_a为空气密度，a为水滴中值体积直径，v为风速；α₂的计算公式如下：α₂＝1/(1+1.64μ/va)，其中μ为空气粘滞系数，v为风速，a为水滴中值体积直径；α₃的计算公式如下：$\begin{array}{c}{\alpha }_3=[2\mathrm{Rwv}{\alpha }_1{\alpha }_2{L}_f+{\mathrm{Rh}}_f{r}_c{v}^2/C_a+{\mathrm{R\alpha }}_1{\alpha }_{2}w{v}^3-2\mathrm{\pi R}(h_f+h_n)(T_s-T_a)\\ -2\pi R_{x}e\left(T_s\right)+2\pi R_{x}e\left(T_a\right)-2\mathrm{\pi Rϵ\sigma }(T_s^4-T_a^4)-2R{\alpha }_1\mathrm{wv}{c}_w{T}_F(T_F-T_a)\\ -2R{\alpha }_1\mathrm{wv}{c}_w(T_s-T_a)]/[2\mathrm{Rwv}{\alpha }_1{\alpha }_2{c}_i(T_F-T_s)(T_F-T_s)/2+2R{\alpha }_1\mathrm{wv}{c}_w(T_s-T_a)]\end{array},$其中：w为液态水含量，v为风速，e(T)为温度T时覆冰表面饱和水汽压，R_x为蒸发系数，R为导线单位长度电阻率，L_f＝3.34×10⁵J/kg，r_c＝0.79，c_a＝1014J/(kg·k)，c_i为冰在膜温度下的比热容，单位J/(kg·k)，T_s，T_a分别为冰面温度和环境温度，单位℃，T_F为水滴凝固态温度，c_w＝4220J/(kg·k)，ε＝0.95，σ＝5.67×10^‑8W/(m²·k⁴)，h_a，h_f为自然对流和强制对流换热系数，单位J(m²·k)。