一种输电线路铁塔塔材变形在线监测系统及监测方法

摘要

本发明公开了一种输电线路铁塔塔材变形在线监测系统，包括测量分析模块和与之连接的风速风向传感器、监控中心以及设置在输电铁塔不同位置的若干路无线加速度传感器；其中无线加速度传感器安装在输电铁塔15个关键位置，用于测量这些位置的振动加速度。实现了输电线路铁塔塔材变形实时监测，为输电线路安全运行提供保障，减少了铁塔运行的安全隐患。本发明还公开了输电线路铁塔塔材变形在线监测方法，首先进行系统的安装和布置；然后数据采集及预处理，接着在监控中心中，对预处理得到的数据进行进一步的分析处理，根据得到的模态参数的变化情况，判断铁塔结构状态是否正常。

说明书

技术领域

本发明专利属于输电线路在线监测与故障诊断领域，具体涉及一种输电线路铁塔塔材变形在线监测系统，本发明还涉及利用该输电铁塔塔材变形监测系统进行的监测方法。

背景技术

输电线路杆塔承担着支撑导线的重要作用，目前我国在110kV～750kV电压等级输电线路使用角钢铁塔或钢管铁塔。输电铁塔在野外运行，受冰冻雨雪天气影响会受力异常，尤其是输电线路覆冰，会造成输电线路铁塔横担部分塔材受力过大，甚至引起横担部分塔材严重变形。在山区、河滩等地区运行的输电铁塔，由于地质条件的原因，会发生塔腿沉降或地基移动等现象，严重时引起塔身偏下位置的塔材严重变形。不论是钢管塔还是角钢塔，塔材如果发生弹性变形，一般不会对结构健康造成影响，当弹性变形发展成塑性变形，则塔材有断裂的风险。尤其是铁塔主材断裂，容易引起铁塔倒塌事故。

塔材出现显著变形时，铁塔已经处于危险状态，目前业内没有针对铁塔塔材变形的在线监测装置，而人工巡检一般为定期巡检，不一定能及时发现故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种输电线路铁塔塔材变形在线监测系统，实现了输电线路铁塔塔材变形实时监测，为输电线路安全运行提供保障。

本发明所采用的技术方案是，一种输电线路铁塔塔材变形在线监测系统，包括测量分析模块和与之连接的风速风向传感器、监控中心以及设置在输电铁塔不同位置的若干路无线加速度传感器；其中无线加速度传感器安装在输电铁塔15个关键位置。

本发明的特点还在于，

测量分析模块的结构，包括依次连接的采样模块、分析处理模块和通信单元，采样模块、分析处理模块和通信单元分别与电源模块连接，电源模块用于给采样模块、分析处理模块、通信单元供电。

通信单元包括蓝牙模块和3G网络模块；加速度传感器与分析处理模块通过通信单元中的蓝牙模块连接，进行蓝牙无线传输；监控中心与分析处理模块之间通过通信单元中的3G网络模块进行数据传输。

分析处理模块与通信单元中的蓝牙模块和3G网络模块均为双向的数据传输关系。

本发明的另一目的是提供一种输电线路铁塔塔材变形在线监测方法。

本发明的另一技术方案是，一种输电线路铁塔塔材变形在线监测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，系统的安装和布置；

步骤2，数据采集及预处理；

步骤3，在监控中心中，对步骤2中预处理得到的数据进行进一步的分析处理，

步骤4，根据步骤3中得到的模态参数的变化情况，判断铁塔结构状态是否正常。

本发明的特点还在于，

步骤1具体为，

步骤1.1，通过传统输电线路检修手段，确认铁塔未发生任何变形；在输电铁塔4个塔腿安装各安装1个加速度传感器，在塔身三分之二高的位置，4个纵向主材各安装1个加速度传感器，在塔头下半部分外侧4个主材各安装1个加速度传感器，在横担连接A、B、C三相绝缘子挂点的塔材个安装1个加速度传感器，

步骤1.2，在输电铁塔的横担安装1个风速风向传感器、1个测量分析模块。

步骤2具体为，

步骤2.1，若监控中心没有发出“查看运行状态”的指令，测量分析模块每12小时向15个加速度传感器下发采集命令，同时采集风速风向信息，持续20分钟；若监控中心发出“查看运行状态”的指令，测量分析模块立即向15个加速度传感器下发采集命令，同时采集风速风向信息，持续5分钟；

步骤2.2，测量分析模块对步骤2.1中采集到的数据进行预处理，然后将数据打包发送至监控中心；具体的处理步骤为：

首先，通过对步骤2.1中采集到的数据进行均值法滤除直流分量；

其次，通过最小二乘函数拟合，消除加速度信号出现的偏离基线的趋势项，

式中表示第p个加速度传感器第k个采样点的趋势项，a是系数，m为多项式的阶次；

则得到第p个加速度传感器第k个采样点消除趋势项的加速度x_p(k)：

其中，x_p(k)表示第p个加速度传感器第k个采样点去除趋势项后的加速度，x′_p(k)表示第p个传感器第k个采样点测量加速度。

步骤3具体为，

步骤3.1，监控中心测量分析模块发送的数据进行解析；

步骤3.2，采用频域分解法分析，得到铁塔的模态参数。

步骤3.2具体为，

步骤3.2.1，将15个测量点即15个传感器的数据的相关函数矩阵Rxx求出，即，

其中，第k个点的相关函数为：

式中N表示加速度传感器测量一次的数据个数，每次测量持续时间为20分钟或者5分钟，k表示第k个点的测量数据，X表示测量的振动加速度，i和j表示矩阵的行和列，Δt表示每两个数据点之间的时间间隔，单位为s。

步骤3.2.2，将相关函数进行傅里叶变换，得到功率谱密度函数：

其中ω表示傅里叶变换后复域坐标下的角频率，

步骤3.2.3，对上式得到的功率谱密度矩阵进行矩阵形式变换，求得特征值和特征向量，具体变换过程为，

其中，Σ_r从矩阵形式上看为奇异值组成的实数对角矩阵；U_r从矩阵形式上看为奇异值向量组成的酉矩阵；U_r矩阵中的第一列是第r阶固有频率对应的模态振型，而Σ_r中的最大值即为铁塔的第r阶固有频率；

U和Σ是由矩阵G_XX分解得到的两类矩阵，而分解后U和Σ矩阵内的元素包含了输电铁塔的模态参数固有频率f和模态振型A。

步骤4具体为，利用该监测方法持续对输电铁塔进行监测，将铁塔未变形时得到的固有频率f₀和模态振型A₀与第二次及以后的固有频率f或模态振型A进行对比，即，

将测得的f与f₀进行对比，当f和f₀两者的相对变化率超过10％时，判断为铁塔结构变形，

或者，

将测得的A与A₀进行对比，当A和A₀两者的相对变化率超过10％时，判断为铁塔结构变形；

其中，f₀和A₀是在确定铁塔状态完好结构未变形时，利用本方法步骤2～步骤3在铁塔上首次实施测量计算得到的固有频率和模态振型。

本发明的有益效果是，本发明针对铁塔塔材变形情况，根据塔腿、塔身、塔头三个关键部位在自然激励(风激励)的条件下的加速度信号，通过频域分解法得到输电铁塔的结构状态，当铁塔塔材变形能够及时发现，提前采取应对措施，保证铁塔安全正常工作。

附图说明

图1是本发明一种输电线路铁塔塔材变形在线监测装置的结构示意图；

图2是本发明中的各传感器和测量分析模块的安装位置示意图；

图3是本发明基于频域分解法的塔材模态参数识别流程图。

图中，1.加速度传感器，2.风速风向传感器，3.测量分析模块，3-1.采样模块，3-2.分析处理模块，3-3.通信单元，3-4.电源模块，4.监控中心。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明输电线路铁塔塔材变形在线监测系统，如图1所示，包括测量分析模块3和与之连接的风速风向传感器2、监控中心4以及设置在输电铁塔不同位置的若干路无线加速度传感器1。其中无线加速度传感器1安装在输电铁塔15个关键位置，用于测量这些位置的振动加速度。

测量分析模块3的结构，包括依次连接的采样模块3-1、分析处理模块3-2和通信单元3-3，采样模块3-1、分析处理模块3-2和通信单元3-3分别与电源模块3-4连接，电源模块3-4用于给采样模块3-1、分析处理模块3-2、通信单元3-3供电。

通信单元3-3包括蓝牙模块和3G网络模块；加速度传感器1与分析处理模块3-2通过通信单元3-3中的蓝牙模块3-3-1连接，进行蓝牙无线传输；监控中心4与分析处理模块3-2之间通过通信单元中的3G网络模块进行数据传输；

风速风向传感器2与采样模块3-1连接，

分析处理模块3-2与通信单元中的蓝牙模块3-3-1和3G网络模块3-3-2均为双向的数据传输关系，

从位于输电铁塔15个关键位置的加速度传感器1传输来的加速度数据，发送到蓝牙模块3-3-1后再传输到分析处理模块3-2中，分析处理模块3-2初步进行数据处理，数据处理过程包括滤波、数据预处理、通信协议解析等，然后再经过3G网络模块3-3-2发送到监控中心4。监控中心4收到加速度数据和风速风向数据，采用频域分解法计算铁塔的模态参数。同时，监控中心4通过3G网络模块3-3-2向测量分析模块3发送控制指令和请求数据指令。

分析处理模块3-2的作用是进行数据滤波、预处理、通信协议解析等，并且执行整个模块的逻辑。

无线加速度传感器1共有15个，即1#无线加速度传感器、2#无线加速度传感器…15#无线加速度传感器。这15个无线加速度传感器分别与测量分析模块3连接；且分别设置在输电铁塔的不同位置，具体分布的情况，如图2所示，分别安在塔腿、塔身三分之二、塔头下部、横担等部分的铁塔主材上。具体来说，在输电铁塔4个塔腿安装各安装1个加速度传感器1，在塔身三分之二高处的4个纵向主材上各安装有1个加速度传感器1，在塔头下半部分外侧的4个主材处各安装1个加速度传感器，在横担连接A、B、C三相绝缘子挂点的塔材上各安装1个加速度传感器，风速风向传感器2和测量分析模块3设置在铁塔的横担上。

本发明一种输电线路铁塔塔材变形在线监测方法，如图3所示，具体按以下步骤实施：

步骤1，系统的安装和布置；

步骤1.1，通过传统输电线路检修手段，确认铁塔未发生任何变形。在输电铁塔4个塔腿安装各安装1个加速度传感器，在塔身三分之二高的位置，4个纵向主材各安装1个加速度传感器，在塔头下半部分外侧4个主材各安装1个加速度传感器，在横担连接A、B、C三相绝缘子挂点的塔材个安装1个加速度传感器，如图2所示。

步骤1.2，在输电铁塔的横担安装1个风速风向传感器、1个测量分析模块。

步骤2，数据采集及预处理，

步骤2.1，若监控中心没有发出“查看运行状态”的指令，测量分析模块每12小时向15个加速度传感器下发采集命令，同时采集风速风向信息，持续20分钟；若监控中心发出“查看运行状态”的指令，测量分析模块立即向15个加速度传感器下发采集命令，同时采集风速风向信息，持续5分钟。

步骤2.2，测量分析模块对步骤2.1中采集到的数据进行预处理，然后将数据打包发送至监控中心。具体的处理步骤为：

首先，通过对步骤2.1中采集到的数据进行均值法滤除直流分量；

其次，通过最小二乘函数拟合，消除加速度信号出现的偏离基线的趋势项，

式中表示第p个加速度传感器第k个采样点的趋势项，a是系数，m为多项式的阶次。

则得到第p个加速度传感器第k个采样点消除趋势项的加速度x_p(k)：

其中，x_p(k)表示第p个加速度传感器第k个采样点去除趋势项后的加速度，x′_p(k)表示第p个传感器第k个采样点测量加速度。

步骤3，在监控中心中，对步骤2中预处理得到的数据进行进一步的分析处理，

步骤3.1，监控中心测量分析模块发送的数据进行解析；

步骤3.2，采用频域分解法分析，得到铁塔的模态参数，

步骤3.2.1，将15个测量点即15个传感器的数据的相关函数矩阵R_xx求出，即

其中，第k个点的相关函数为：

式中N表示加速度传感器测量一次的数据个数，每次测量持续时间为20分钟或者5分钟，k表示第k个点的测量数据，X表示测量的振动加速度，i和j表示矩阵的行和列，Δt表示每两个数据点之间的时间间隔，单位为s。步骤3.2.2，将相关函数进行傅里叶变换，得到功率谱密度函数：

其中ω表示傅里叶变换后复域坐标下的角频率，

步骤3.2.3，对上式得到的功率谱密度矩阵进行矩阵形式变换，求得特征值和特征向量，具体变换过程为，

其中，Σ_r从矩阵形式上看为奇异值组成的实数对角矩阵。U_r从矩阵形式上看为奇异值向量组成的酉矩阵。U_r矩阵中的第一列是第r阶固有频率对应的模态振型，而Σ_r中的最大值即为铁塔的第r阶固有频率。

U和Σ是由矩阵G_XX分解得到的两类矩阵，而分解后U和Σ矩阵内的元素包含了输电铁塔的模态参数固有频率f和模态振型A。

步骤4，根据步骤3中得到的模态参数的变化情况，判断铁塔结构状态是否正常，具体方法为：

利用该监测方法持续对输电铁塔进行监测，将铁塔未变形时得到的固有频率f₀和模态振型A₀与第二次及以后的固有频率f或模态振型A进行对比，即，

将测得的f与f₀进行对比，当f和f₀两者的相对变化率超过10％时，判断为铁塔结构变形，

或者，

将测得的A与A₀进行对比，当A和A₀两者的相对变化率超过10％时，判断为铁塔结构变形。

其中，f₀和A₀是在确定铁塔状态完好结构未变形时，利用本方法步骤2～步骤3在铁塔上首次实施测量计算得到的固有频率和模态振型。