CN103017732A - 输电杆塔倾斜角度在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路杆塔倾斜在线监测方法，解决了现有方法存在经济性、实用性和使用范围限制的问题，其包括以下步骤：采集输电杆塔的被监测信号并生成监测数据，实时传送到在线监测服务器，根据塔-线体系数学模型对监测数据进行处理得到计算数据，传送到远方数据服务器进行保存，用户进行浏览和分析。本发明充分利用了计算机先进的数据库管理技术、图形展示技术和互联网通讯技术，通过监测一些对于杆塔倾斜更为敏感的测量值，能够长时间可靠地对输电杆塔的倾斜角度进行高精度的监测，既可方便操作、调阅和浏览监测数据的变化趋势，完成日常性工作，又可与其他系统同平台集中管理与监控。

Description

输电杆塔倾斜角度在线监测方法

技术领域

本发明涉及输电线路的监测技术，更具体地说，涉及一种输电线路在线监测方法，该方法可用于采煤塌陷区输电杆塔倾斜状态监测。

背景技术

矿区地下煤层采空后，其上覆盖的岩层将失去支撑，原有的平衡条件被打破，使得覆盖岩层产生变形，并塌落破坏，最后导致地表大面积下沉、凹陷。我国是煤炭开采大国，随着开采量的增加，因采煤造成的塌陷区日益扩大，越来越多的高压输电线路不得不穿越煤矿采空区。由于输电铁塔多采用分裂式基础，受地表变形的影响，铁塔基础将有可能发生不均匀沉降、倾斜、水平滑移等，从而在塔身下部产生较大的附加应力，造成塔体局部破坏甚至整体倒塔。

为了保证输电线路的运行安全，电力部门一般采用定期巡检的办法来监测输电杆塔的运行情况，然而采煤塌陷区地面塌陷随机性很大，地面沉降速度往往很快，采用定期巡检的方法很难及时发现并处理杆塔基础的变形，这为采空区内输电线路的正常运行埋下了安全隐患，因此研究煤矿采空区内输电杆塔倾斜状态的在线监测技术，对于确保输电线路的安全运行具有重要现实意义。

从目前公开的输电杆塔倾斜监测方法来看，主要有两大类：第一类是通过在杆塔顶部安装倾角传感器，来监测杆塔的倾斜状态；另一类是通过在塔身上安装应变传感器，通过测量杆塔的变形来监测倾斜角度。根据《110～500kV架空电力线路施工及验收规范》（GB 50233-2005）要求，输电线路运行时杆塔倾斜率不超过千分之三（0.17度），这是电力部门巡检时的重要参考值。若采用倾角传感器精确监测如此小的角度值，无论是从经济性还是实用性方面都存着诸多问题；而采用应变传感器测量塔身应变的方法，只能应用于电杆、钢管杆等结构形式的输电塔，而对于应用广泛的格构式角钢塔，则很难建立塔身应变与倾斜角度之间的直接关系，其应用范围也受到了限制。从上面的分析可以看出，现有的输电杆塔倾斜监测方法，在实际应用时存在着经济性、实用性和使用范围的限制，并没有完全解决输电杆塔倾斜监测的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种输电线路杆塔倾斜在线监测方法，通过监测一些对于杆塔倾斜更为敏感的测量值，以便能够长时间可靠地对输电杆塔的倾斜角度进行高精度的监测。

为实现上述发明目的，本发明解决其技术问题采用的技术方案包括以下步骤：

1、采集输电杆塔的被监测信号并生成监测数据；

所述的监测数据包括：架空线张力、绝缘子串倾角、风速、风向、环境温度；

2、将所述监测数据实时传送到在线监测服务器，在线监测服务器根据塔-线体系数学模型对监测数据进行处理，并生成基于前述数学模型的计算数据，用户可以通过所述在线监测服务器对所述监测数据和计算数据进行浏览和分析；

3、所述在线监测服务器再将监测数据和计算数据实时传送到远方数据服务器进行保存，使专家或者远程用户可通过监测终端，经由与所述数据服务器连接的Web服务器对所述监测数据和计算数据进行浏览和分析；

4、对监测结果进行判定：如果杆塔倾斜率小于千分之三则表明杆塔正常；如杆塔倾斜率大于千分之三，但小于千分之六，则表明杆塔需要维护；如果杆塔倾斜率大于千分之六，则表明杆塔需要更换；

其中，所述步骤（1）和（2）中，采用GPRS/GSM通讯方式进行数据通讯；所述步骤（3）中，采用TCP/IP互联网传输控制协议来完成数据的传送。

本发明的另一方面还提供了基于上述方法而采用的输电线路杆塔倾斜在线监测系统，其包括现场信号模块、数据采集模块、在线监测服务器、数据传输模块、用户处理模块；

所述的现场信号模块由拉力传感器、高精度倾角传感器、风速风向传感器、温度传感器组成；所述的数据采集模块采集输电杆塔的被监测信号并生成监测数据；所述的监测数据包括：架空线张力、绝缘子串倾角、风速、风向、环境温度；所述的数据传输模块由数据服务器、Web服务器组成；

数据采集模块的数据采用GPRS/GSM通讯方式传输到在线监测服务器，在线监测服务器处理采集数据并把数据通过数据传输模块传送到用户处理模块。

在本发明中，所述监测数据和计算数据包括实时数据和历史数据，实时数据是指连续地由GPRS DTU（数据终端设备，Data Terminal Unit）通讯模块或GSM短信发送模块发送，并从GSM短信接收模块接收到的监测数据；历史数据是指从GSM短信接收模块内存中下载到数据服务器的或存储于用户在线监测服务器数据库内的过去的监测数据和计算数据。

在本发明所述方法的步骤（1）中，监测数据包括：架空线张力、绝缘子串倾角、风速、风向、环境温度等；在所述步骤（2）中，通过GSM短信接收模块，在线监测服务器实时接收并从内存中读取所述监测数据，所述短信接收模块与在线监测服务器之间基于RS-232串口通讯协议，完成数据的传输与控制，从而构成一个基础的在线监测系统。

在本发明所述的步骤（1）中，所述的监测数据的采样方式包括等间隔采样、定时采样和根据用户指令采样。其中等间隔采样可根据用户需要设定采样时间间隔，最大采样间隔为24小时，最小采样间隔为5分钟。

在本发明所述方法的步骤（2）中，所述在线监测服务器可以直接对监测数据进行浏览和分析，并可根据塔-线体系的数学模型基于所述监测数据进行分析，给出计算数据。在所述步骤（2）中，将监测数据和计算数据保存在在线监测服务器的本地数据库内，以实现第一级监测，即现场监测；在所述步骤（3）中则实现第二级监测，即专家监测。

在本发明所述方法的步骤（2）和（3）中，当监测数据达到或超过报警级别的设定值、并超过设定的延时时间和过滤时间时，将按预定方式自动报警，提示线路运行人员进行相应处理。所述报警级别设定值包括较低的黄色警告和较高的红色警告两种；当所述监测系统发生故障时，还进行相应的系统报警。

根据本发明所述的方法，在所述步骤（3）中的监测终端采用框架式界面，用户可通过网页浏览器来完成数据的显示和操作。所述框架式界面包括菜单栏和数据显示区。根据本发明所述的方法，在所述数据显示区中，可采用曲线来显示监测数据，根据所述数据随时间的变化自动调整其画面；所述实时监测数据和历史数据可以随时切换，且不影响实时数据的读取。

根据本发明所述的方法，在所述设备选择区汇总，采用类似于Windows资源管理器方式的树形图视图来完成多种项目、多种数据的同平台监测和操作：其中监测数据、系统管理、杆塔管理、用户管理作为“文件夹”和文件进行分层级管理和控制；操作时，用户只须用鼠标点击所述项目，即可在所述数据显示区内进行浏览和操作。

本发明的方法解决了同类其它输电杆塔在线监测系统和方法在监测内容、数据展示和数据挖掘功能上的不足，充分利用了计算机先进的数据库管理技术、图形展示技术和互联网通讯技术，既可方便操作、调阅和浏览监测数据的变化趋势，完成日常性工作，又可与其他系统同平台集中管理与监控。本发明借助于互联网提供的丰富网络资源，提供了两种不同权限的现场监测与专家监测平台，把在线监测延伸到无地域限制的真正意义上的远程实时同步在线监测。

附图说明

图1是本发明的工作流程图。

图2是本发明的在线监测系统的结构示意图。

图3、4是本发明的监测系统的终端界面。

图5是本发明耐张段塔-线体系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种新的针对输电杆塔倾斜角度的在线监测方法，包括监测数据的生成、传送、接收、浏览分析等，为专家系统提供高效平台。其中，状态数据通常从传感器获取，以架空线张力测量为例，拉力传感器测量到的张力，经由变送器进入微处理器，并按照预先设定的算法运算，对数据进行处理，以反应一段时间内张力的平均值、方差等，以反应其在规定时间内的变化情况。

结合图1所示，本发明所述的方法包括以下步骤：

1、设置输电杆塔的现场信号测量设备，采集被监测信号生成监测数据；所述的监测数据包括：架空线张力、绝缘子串倾角、风速、风向、环境温度；其中架空线张力由拉力传感器来测量，绝缘子串的倾斜角度由高精度倾角传感器来测量，输电线路所处位置的风速以及其与线路的夹角由风速风向传感器来测量，环境温度由温度传感器来测量。

所述的监测数据的采样方式包括等间隔采样、定时采样和根据用户指令采样。所述的等间隔采样根据用户需要设定采样时间间隔，最大采样间隔为24小时，最小采样间隔为5分钟。

2、所述的监测数据由GPRS DTU通讯模块或GSM短信发送模块发送，从GSM短信接收模块接收到的监测数据，通过RS-232串口通讯协议实时传送到在线监测服务器，服务器根据塔-线体系的数学模型对监测数据进行处理，并生成基于前述数学模型的计算数据，用户可以通过所述在线监测服务器对所述监测数据和计算数据进行浏览和分析。

当监测数据达到或超过报警级别的设定值、并超过设定的延时时间和过滤时间时，将按预定方式自动报警，提示线路运行人员进行相应处理。

3、所述的塔-线体系的数学模型为：空区地面下沉将导致输电铁塔均匀下沉或者倾斜，引起挂线点空间位置的变化，从而使绝缘子串的倾斜角度以及架空导线应力弧垂发生变化。如图5所示为耐张段塔-线体系示意图。在对整个耐张段分析时，由于输电铁塔刚度相对较大，这里不考虑输电铁塔的变形对挂线点位置的影响，故将输电铁塔看成刚性体，而仅考虑铁塔均匀沉降和倾斜导致挂线点位置变化对架空导线应力弧垂的影响。基于铁塔的刚性假设，根据几何关系可以得到铁塔沉降前后第                                                基铁塔挂线点位置的变化

                    （1）

其中，

，为沉降前铁塔挂线点的空间位置；

，

为沉降后铁塔挂线点的空间位置；

为第

基铁塔挂线点垂直高度；

为铁塔的均匀沉降量和倾斜角度。

由于铁塔挂线点空间位置的变化，必然导致挂线点两侧格挡最低点水平张力变化，从而使绝缘子串发生偏斜，然而在确定各挡的张力前，绝缘子串的偏斜角度是未知的，因此也就无法确定档距和高差，更无法计算悬挂点处的张力。这里我们假设挂线点位置变化后绝缘子串不偏斜，这样就可以确定架空导线悬挂点的空间位置和各挡的档距及高差，而绝缘子串的偏斜角度则通过求得悬挂点的作用力以后利用悬垂绝缘子串处的平衡条件通过不断的迭代求得。

取第

档为研究对象，则铁塔沉降前后第档的档距和高差可以表示为

                   （2）

其中，

、

分别为沉降前后第

档的水平档距；

、

分别为沉降前后第

档的高差；

已知悬挂点不等高时悬链线状态方程式

 （3）

其中，

、

分别为两种状态下架空线弧垂最低点处的应力；、分别为两种状态下架空线所在平面内的档距；

、

分别为两种状态下不考虑高差时的架空线线长；、分别为两种状态下架空线所在平面内的高差角；

、

分别为两种状态下的架空线的温度；

为架空线的制造温度，一般取

。

将（1）式和（2）式代入（3）式可以得到沉降条件下的架空导线状态方程式。

根据上述架空导线的状态方程，即可求得输电杆塔不同倾斜角度情况下，各个杆塔上绝缘子串的倾斜角度以及导线的张力值，从而建立杆塔倾斜角度与绝缘子串倾斜角度以及导线张力的对应关系，此对应关系即为塔-线体系的数学模型。

4、所述在线监测服务器再将监测数据和计算数据实时传送到远方数据服务器进行保存，使专家或者远程用户可通过监测终端，经由与所述数据服务器连接的Web服务器对所述监测数据和计算数据进行浏览和分析；当监测数据达到或超过报警级别的设定值、并超过设定的延时时间和过滤时间时，将按预定方式自动报警，提示线路运行人员进行相应处理。

监测终端采用包括菜单栏和数据显示区的框架式界面。

其中，所述步骤（1）和（2）中，采用GPRS/GSM通讯方式进行数据通讯；所述步骤（4）中，采用TCP/IP互联网传输控制协议来完成数据的传送。

5、对监测结果进行判定：如果计算得到的杆塔倾斜角度小于千分之三则表明杆塔正常；如杆塔倾斜角度大于千分之三且小于千分之六则表明杆塔需要维护；如杆塔倾斜角度大于千分之六则表明杆塔需要更换。

如图2所示，在线监测系统由现场信号模块1、数据采集模块2、在线监测服务器3、数据服务器4、Web服务器5、用户处理模块6组成。

拉力传感器、高精度倾角传感器、风速风向传感器、温度传感器等组成现场信号模块1，得到架空线张力、绝缘子串倾角、风速、风向、环境温度等现场信号，其中架空线张力由拉力传感器来测量，绝缘子串的倾斜角度由高精度倾角传感器来测量，输电线路所处位置的风速以及其与线路的夹角由风速风向传感器来测量，环境温度由温度传感器来测量。

数据采集模块2采集现场信号生成监测数据，采用GPRS/GSM通讯方式实时传输到在线监测服务器3。在线监测服务器3处理监测数据得到计算数据，并把监测数据和计算数据实时传送到远方数据服务器4进行保存，使专家或者远程用户可通过用户处理模块6，经与数据服务器4连接的Web服务器5对所述监测数据和计算数据进行浏览和分析，并对监测结果进行判定：如果杆塔倾斜率小于千分之三则表明杆塔正常；如杆塔倾斜率大于千分之三，但小于千分之六则表明杆塔需要维护；如果杆塔倾斜率大于千分之六则表明杆塔需要更换。

如图3、4所示为系统监测界面，其左侧区域分为数据监测模块、杆塔管理模块和用户管理模块三个部分。数据监测模块包含杆塔分布信息、实时数据监测、历史数据监测、监测数据统计分析、地图显示以及数据预测分析等内容。杆塔管理模块其主要功能为杆塔信息的管理，为计算模块提供基本参数。用户管理模块负责用户权限管理及维护。

Claims (6)

1.一种输电线路杆塔倾斜角度在线监测方法，包括以下步骤：

（1）采集输电杆塔的被监测信号并生成监测数据；

所述的监测数据包括：架空线张力、绝缘子串倾角、风速、风向、环境温度；

（2）将所述监测数据实时传送到在线监测服务器，在线监测服务器根据塔-线体系数学模型对监测数据进行处理，并生成基于前述数学模型的计算数据，用户可以通过所述在线监测服务器对所述监测数据和计算数据进行浏览和分析；

（3）所述在线监测服务器再将监测数据和计算数据实时传送到远方数据服务器进行保存，使专家或者远程用户可通过监测终端，经由与所述数据服务器连接的Web服务器对所述监测数据和计算数据进行浏览和分析；

（4）对监测结果进行判定：如果杆塔倾斜率小于千分之三则表明杆塔正常；如杆塔倾斜率大于千分之三，但小于千分之六，则表明杆塔需要维护；如果杆塔倾斜率大于千分之六则表明杆塔需要更换；

其中，所述步骤（1）和（2）中，采用GPRS/GSM通讯方式进行数据通讯；所述步骤（3）中，采用TCP/IP互联网传输控制协议完成数据的传送。

2.如权利要求1所述的输电线路杆塔倾斜角度在线监测方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，所述的监测数据的采样方式包括等间隔采样、定时采样和根据用户指令采样。

3.如权利要求2所述的输电线路杆塔倾斜角度在线监测方法，其特征在于：所述的等间隔采样根据用户需要设定采样时间间隔，最大采样间隔为24小时，最小采样间隔为5分钟。

4.如权利要求1所述的输电线路杆塔倾斜角度在线监测方法，其特征在于：所述步骤（2）和（3）中，当监测数据达到或超过报警级别的设定值、并超过设定的延时时间和过滤时间时，将按预定方式自动报警。

5.如权利要求1所述的输电线路杆塔倾斜角度在线监测方法，其特征在于：所述步骤（3）的监测终端采用包括菜单栏和数据显示区的框架式界面。

6.一种输电线路杆塔倾斜角度在线监测系统，其特征在于：包括现场信号模块(1)、数据采集模块(2)、在线监测服务器(3)、数据传输模块、用户处理模块(6)；

所述的现场信号模块(1)由拉力传感器、高精度倾角传感器、风速风向传感器、温度传感器组成；所述的数据采集模块(2)采集输电杆塔的被监测信号并生成监测数据；所述的监测数据包括：架空线张力、绝缘子串倾角、风速、风向、环境温度；所述的数据传输模块由数据服务器(4)、Web服务器(5)组成；

数据采集模块的数据采用GPRS/GSM通讯方式传输到在线监测服务器(3)，在线监测服务器(3)处理采集数据并把数据通过数据传输模块传送到用户处理模块(6)。

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