CN104316108B - 山地环境500kV输电塔在线监测系统构建及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种山地环境500kV输电塔在线监测系统构建及分析方法。以存在地质隐患的500kV输电塔为研究核心，确定影响输电塔稳定性的主控因素为地质灾害及风荷载，其特征表现为塔基位移及塔体振动。以影响杆塔稳定性的主控因素为标准，确定在线监测系统包括塔基监测装置、塔体监测装置、监测数据远程传输装置及预警装置。以塔基变形‑时间序列为基础，建立基于局部折减法的塔基三维数值模型，确定塔基安全系数，评价塔基稳定性。基于在线监测系统的实时监测数据，计算塔体与塔基的相对变形量，形成杆塔变形‑时间序列数据库，建立灰色关联模型，预测杆塔变形发展趋势，评价杆塔的健康状态。

Description

山地环境500kV输电塔在线监测系统构建及分析方法

技术领域

本发明涉及一种山地环境500kV输电塔在线监测系统的构建及分析方法，尤其是对复杂山地环境中地质灾害频发的高压输电线路在线监测系统的构建及分析，基于在线监测信息提出输电塔安全性态的评价方法。

背景技术

“西电东输”、“北电南送”的电力发展战略是解决我国经济发展与能源需求的重要举措。在此背景下，高压输电发展为当前电力供应的主要模式，但线路走廊所经之处却具有自然条件及赋存环境复杂的特点，灾害频发，常常导致输电塔基倾斜、开裂、杆塔变形，基础沉陷、杆塔倾倒，严重威胁输电线路的安全运行，极易造成电网大面积停电风险。因此，地质灾害引发塔基山体滑坡时，塔基出现的地表沉降造成导地线的拉线位移变型，引起杆身、塔身受力弯曲或杆塔倾斜。铁塔倾斜后造成杆塔导地线的不平衡受力，引起绝缘子串和地线线夹迈步，电气安全距离不够等问题，严重时引起跳闸。因此，灾害频发的输电线路走廊环境为高压输电线路的安全运行提出了严峻的考验，其运行状态的及时评价与预警意义重大。如作为“西电东送”要道的500kV张恩双回线，跨越重庆及湖北两省，高压输电线路密集，全长150.646公里(大部分同杆并架)，线路走廊所经之处高山峻岭蜿蜒绵长，其中丘陵占17％，山地占45％，高山大岭占38％，且该地区属亚热带湿润季风气候区，强降雨极易诱发泥石流或滑坡等，一些塔基边坡出现了风化严重及碎石掉落的现象，基础沉降不均匀，杆塔受力不均衡引起杆塔材料的破损，严重影响了输电塔的安全运行。由此可见，地质灾害对输电线路运行状态的影响极大，然后塔基沉降不均匀变形的初期，巡线人员很难用肉眼观察到微小的变化，如何通过在线监测方案对山区高压输电塔的健康状态进行合理的监测预警，及时消除以上线路隐患，对复杂山地环境中的高压输电线路安全运行至关重要。

在输电线路杆塔的监测方面，国内外均有相关现有技术，如激光、远红外或者双轴倾斜角度传感器对杆塔倾斜角度进行测量，采用的是单一角度传感方法对铁塔倾斜做出判断。而且上述监测手段 只能测出杆塔倾斜角度，地震或山体滑坡造成杆塔三维变形时并不能给出杆塔的水平或者竖直位移量。而地质环境发生改变的初期，塔基不均匀变位引起的杆塔变形并不能通过实时在线监测来获得，事实表明塔基的影响是明显存在的，则在线监测系统中考虑塔基实时监测是准确评价输电塔运行状态的重要手段，但当前的电力系统企业标准中未对此项监测做明确的规定。因此，开展山地环境中高压输电塔在线监测系统的构建及分析方法研究具有重要的理论意义及实践价值。

为了更清晰地了解山地环境中高压输电塔的实时变形特征，提高输电塔运行状态评价的准确性及输电线路安全的预测预警精度，有必要发明一种有效的方法从理论上确定塔基及塔体的实时变形发展趋势，又能从技术上解决输电塔的运行状态评价及预警问题。

发明内容

本发明的目的在于提供能简单、直接、经济和有效的山地环境中高压输电线路在线监测系统的构建及分析方法，该方法能分析不同山地环境中的500kV高压输电塔基由于地质灾害引起的变位对输电塔变形趋势的影响，实现输电塔的实时运行状态的评价，确保输电线路健康诊断及安全预警的准确性。

值得说明的是，本发明解决其技术问题需要采用以下的技术方案：

1)以存在地质隐患的500kV输电塔为研究核心，确定影响输电塔稳定性的主控因素为地质灾害及风荷载，其影响分别表现为塔基位移及塔体振动。

2)以影响杆塔稳定性的主控因素为标准，确定在线监测系统包括塔基监测装置、塔体监测装置、监测数据远程传输装置及预警装置，其中：塔基监测装置采集塔基位移时间序列，塔体监测装置采集风速、气温、风荷载作用的杆塔振动加速度，监测数据远程传输装置采用GPRS传输采集的所有信息，预警装置对采集数据存储、分析、预警及访问控制。

3)以塔基变形-时间序列为基础，建立基于局部折减法的塔基三维数值模型，确定塔基安全系数，评价塔基稳定性。

4)基于在线监测系统的实时监测数据，计算塔体与塔基的相对 变形量，形成杆塔变形-时间序列数据库，建立灰色关联模型，预测杆塔变形发展趋势，评价杆塔的健康状态。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种山地环境500kV输电塔在线监测系统构建及分析方法，其特征在于：

包括由塔基监测装置、杆塔监测装置、数据传输装置和预警装置构成的在线监测系统。

所述塔基监测装置，在线监测输电塔的塔基相对于基准点的位移，得到塔基位移-时间序列。

所述杆塔监测装置包括设置在输电塔的杆塔上的振动传感器、风速传感器、风向传感器和温度传感器，通过在线监测输电塔的杆塔，获得杆塔振动加速度-时间序列、风速-时间序列、风向-时间序列和温度-时间序列。

所述数据传输装置将上述时间序列传递给预警装置。

所述预警装置接收到塔基位移-时间序列后，根据以下步骤，作塔基稳定性分析：

1)通过地勘的方法，获得输电塔的塔基下方岩土的弹性模量E、泊松比ν、粘聚力c、内摩擦角φ、剪胀角ψ和初始应力状态。

2)建立输电塔的塔基下方岩土的三维颗粒流数值模型，进行三轴压缩试验，得到轴向应力-应变曲线及抗剪强度包络线图，确定颗粒的细观力学参数：颗粒法向及切向接触刚度k_n、颗粒摩擦系数f、颗粒法向粘结强度p_bn和颗粒切向粘结强度p_bt。

根据初始应力状态，采用屈服接近度判别法确定塔基下方岩土的第一次强度折减的区域Ω₁，对该区域的参数f,p_bn,p_bt分别按折减系数K_f,进行折减，通过数值计算获得第一次强度折减后的塔基位移－时间序列及塔基应力状态。

基于第一次折减后的塔基应力状态，采用屈服接近度判别法确定第二次折减后的区域Ω₂，以更大的数值更新折减系数K_f,对该区域的参数f,p_bn,p_bt分别按更新后的折减系数K_f,进行第二次强度折减。通过数值计算获得第二次强度折减后的塔基位移－时间序列及塔基应力状态。

参照本步骤的上述方法，直到确定第n次折减后的区域Ω_n为止。 此时，对该区域的参数f,p_bn,p_bt分别按更新后的折减系数K_f,进行第n次强度折减。通过数值计算获得第n次强度折减后的塔基位移－时间序列及塔基应力状态。此时，颗粒最大累积位移大于临界位移(d_u,max≥d_crit)或颗粒的平均不平衡力N_unbalance<0.1。

3)塔基上任意一点的坐标为(x,y,z)，根据塔基位移-时间序列，确定塔基t时刻及(x,y,z)位置的监测位移值d_t,(x,y,z)，不断调整强度折减系数K_f,使得塔基在t时刻及(x,y,z)位置的数值计算位移d′_t,(x,y,z)与监测位移d_t,(x,y,z)接近，满足|d′_t,(x,y,z)-d_t,(x,y,z)|≤ε，ε为小值。

4)确定满足|d′_t,(x,y,z)-d_t,(x,y,z)|≤ε时对应的强度折减系数K_f,将 $K=\frac{1}{3}(K_f+K_{p_{\mathrm{bn}}}+K_{p_{\mathrm{bt}}})$ 作为塔基的稳定安全系数。

当安全系数大于1则为塔基稳定，当安全系数小于1则发出塔基不稳定的信号。

进一步，所述预警装置接收到杆塔振动加速度-时间序列、风速-时间序列、风向-时间序列和温度-时间序列后，根据以下步骤，作杆塔稳定性分析：

1)设定X,Y轴为水平方向上相互垂直的两个坐标轴，Z为竖直方向上交于X,Y轴交点的坐标轴。根据塔基位移-时间序列，得到塔基在设定时间t内沿X,Y,Z轴的变形量F_x,F_y,F_z。

2)根据杆塔振动加速度-时间序列，得到杆塔在设定时间t内的三维运动加速度为a_x,a_y,a_z，计算杆塔在设定时间t内沿X,Y,Z轴的变形量T_x,T_y,T_z， $T_x=V_{x}t+\frac{1}{2}{a}_x{t}^2,T_y=V_{y}t+\frac{1}{2}{a}_y{t}^2,T_z=V_{z}t+\frac{1}{2}{a}_z{t}^2,$ 其中V_x,V_y,V_z的初始值取为0，后续取值为前一次计算杆塔变形后的杆塔运动速度。

3)杆塔沿X,Y,Z轴的相对变形为F_x-T_x，F_y-T_y，F_z-T_z。计算杆塔每一个时刻的变形量，获得杆塔每个时刻测点的变形－时间序列为d'_n1,t。

4)根据d'_n1,t，以t0时刻变形序列d'_n1,t0为基准，分析t1时刻的变形序列d'_n1,t1与d'_n1,t0的关联度。

5)计算某测点m的变形-时间序列相关度：

${\mathrm{\&xi;}}_i\left(m\right)=\frac{\underset{i}{\min }\underset{k}{\min }|d_{n1,t1}^{\&prime;}-d_{n1,t0}^{\&prime;}|+\mathrm{\&rho;}\underset{i}{\max }\underset{k}{\max }|d_{n1,t1}^{\&prime;}-d_{n1,t0}^{\&prime;}|}{|d_{n1,t1}^{\&prime;}-d_{n1,t0}^{\&prime;}|+\mathrm{\&rho;}\underset{i}{\max }\underset{k}{\max }|d_{n1,t1}^{\&prime;}-d_{n1,t0}^{\&prime;}|}$ (ρ为分辨系数，取值[0,1])，求不同时刻杆塔变形-时间序列的灰关联度

6)根据计算的灰关联度大小进行分区，区间个数为r_N，计算r_N区间内灰关联度的概率，得到不同变形-时间序列如d'_n1,t1与d'_n1,t0的灰关联度概率分布函数F_(t0,t1)，求方差D(F_(t0,t1))，D(F_(t0,t1))越小，表明变形序列的关联度越大，时刻[t0,t1]间的变形-时间序列进行插值计算，得出任意时刻对应位置的杆塔变形-时间序列。

7)根据任意时刻对应位置的杆塔变形-时间序列，得到杆塔实时倾斜角 $\mathrm{\&theta;}=\arcsin \left(\frac{F_y-T_y}{\sqrt{{(F_x-T_x)}^2+{(F_y-T_y)}^2}}\right).$ 在无冰、风速5m/s、杆塔所处位置的气温为年平均气温下，塔高50m及以上杆塔，杆塔倾斜角超过杆塔全高的0.5％则发出预警。同样条件下，50m以下杆塔，杆塔倾斜角超过杆塔全高的1.0％则发出预警。

所述的塔基监测装置包括：

激光位移传感器，采集输线路的地基基础监测参数中的塔基位移数据。

太阳能电池或蓄电池，用于对所述地基基础监测装置中的用电部件供电。

所述的杆塔监测装置包括：

振动传感器，采集输电线路的杆塔监测参数中的杆塔振动加速度数据。

风速传感器，采集输电线路的杆塔监测参数中的杆塔风速、风向数据。

温度传感器，采集输电线路的杆塔监测参数中的温度数据，包括输电杆塔周围的环境温度数据。

太阳能电池和蓄电池，用于对所述杆塔监测装置中的用电部件供电。

所述的监测数据远程传输装置包括：

GPRS、太阳能电池和蓄电池，用于所述监测系统的监测数据的无线传输以及装置用电部件供电。

所述的预警装置包括：

输电线路在线监测模块，用于利用塔基及塔体的实时监测信息，对杆塔变形趋势进行分析与评估。

本发明采用在线监测、理论分析及数值模拟相结合的分析方法，解决了复杂山地环境中高压输电线路的在线监测系统构建及线路运行状态评估的问题，具有计算效率及精度均较高等突出优点。因此，本发明是一种直接反映地质灾害引起的塔基及塔体变形对输电塔运行状态影响的方法，是对复杂环境下塔基稳定性、塔体变形及输电塔安全状态进行实时监测、分析及评估的分析方法，为山地环境地质灾害频发引起的高压输电线路在线监测系统研制及线路运行状态分析提供新的研究思路，对电网安全运行及电力建设可持续发展产生显著的经济效益。

附图说明

图1为高压输电线路在线监测系统

图2为传感器子系统

图3在线监测设备布置图

图4在线监测时间序列

图5基于在线监测信息的塔基稳定性分析

图6基于在线监测信息的杆塔变形分析

图7基于在线监测信息的预警流程

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

以存在地质隐患的500kV输电塔为研究核心，确定影响输电塔稳定性的主控因素为地质灾害及风荷载，其影响分别表现为塔基位移及塔体振动。

所述的地质灾害至少是山地环境中地形地貌、塔基岩土介质类 型、水文地质条件等造成塔基础滑坡、坍塌等，上述地质灾害直接引起塔基的不均匀沉降及非稳定变位。

所述的风荷载至少是随着气象变化且受制于地形地貌的山地风。

以影响杆塔稳定性的主控因素为标准，设计一套包括由塔基监测装置、杆塔监测装置、数据传输装置和预警装置构成的在线监测系统。

所述塔基监测装置，在线监测输电塔的塔基相对于基准点的位移，得到塔基位移-时间序列。

所述的塔基监测装置包括：激光位移传感器，采集输线路的地基基础监测参数中的塔基位移数据。太阳能电池或蓄电池，用于对所述地基基础监测装置中的用电部件供电。

所述的杆塔监测装置包括：振动传感器，采集输电线路的杆塔监测参数中的杆塔振动加速度数据。风速传感器，采集输电线路的杆塔监测参数中的杆塔风速、风向数据。温度传感器，采集输电线路的杆塔监测参数中的温度数据，包括输电杆塔周围的环境温度数据。太阳能电池和蓄电池，用于对所述杆塔监测装置中的用电部件供电。

所述的监测数据远程传输装置包括：GPRS、太阳能电池和蓄电池，用于所述监测系统的监测数据的无线传输以及装置用电部件供电。

所述的预警装置包括：输电线路在线监测模块，用于利用塔基及塔体的实时监测信息，对杆塔变形趋势进行分析与评估。

所述预警装置接收到塔基位移-时间序列后，根据以下步骤，作塔基稳定性分析：

1)通过地勘的方法，获得输电塔的塔基下方岩土的弹性模量E、泊松比ν、粘聚力c、内摩擦角φ、剪胀角ψ和初始应力状态。值得说明的是，实施例中，上述地勘资料完全可以根据常规手段获得或查阅。地勘资料的获得是为了建立输电线路三维有限元模型，对塔基岩土体强度参数进行不同程度的折减，计算强度参数折减后塔基对应位置的变形-时间序列，当实测变形曲线与之相吻合时，对应的 折减系数平均值即为塔基安全系数。

2)建立输电塔的塔基下方岩土的三维颗粒流数值模型，进行三轴压缩试验，得到轴向应力-应变曲线及抗剪强度包络线图，确定颗粒的细观力学参数：颗粒法向及切向接触刚度k_n、颗粒摩擦系数f、颗粒法向粘结强度p_bn和颗粒切向粘结强度p_bt。

根据初始应力状态，采用屈服接近度判别法确定塔基下方岩土的第一次强度折减的区域Ω₁，对该区域的参数f,p_bn,p_bt分别按折减系数K_f,进行折减，通过数值计算获得第一次强度折减后的塔基位移－时间序列及塔基应力状态。

基于第一次折减后的塔基应力状态，采用屈服接近度判别法确定第二次折减后的区域Ω₂，以更大的数值更新折减系数K_f,对该区域的参数f,p_bn,p_bt分别按更新后的折减系数K_f,进行第二次强度折减。通过数值计算获得第二次强度折减后的塔基位移－时间序列及塔基应力状态。

参照本步骤的上述方法，直到确定第n次折减后的区域Ω_n为止。此时，对该区域的参数f,p_bn,p_bt分别按更新后的折减系数K_f,进行第n次强度折减。通过数值计算获得第n次强度折减后的塔基位移－时间序列及塔基应力状态。此时(确定第n次折减后的区域Ω_n时)，颗粒最大累积位移大于临界位移(d_u,max≥d_crit)或颗粒的平均不平衡力N_unbalance<0.1。

3)塔基上任意一点的坐标为(x,y,z)，根据塔基位移-时间序列，确定塔基t时刻及(x,y,z)位置的监测位移值d_t,(x,y,z)，不断调整强度折减系数K_f,使得塔基在t时刻及(x,y,z)位置的数值计算位移d′_t,(x,y,z)与监测位移d_t,(x,y,z)接近，满足|d′_t,(x,y,z)-d_t,(x,y,z)|≤ε，ε为小值(0.01或0.1)。

4)确定满足|d′_t,(x,y,z)-d_t,(x,y,z)|≤ε时对应的强度折减系数K_f,将 $K=\frac{1}{3}(K_f+K_{p_{\mathrm{bn}}}+K_{p_{\mathrm{bt}}})$ 作为塔基的稳定安全系数。

当安全系数大于1则为塔基稳定，当安全系数小于1则发出塔 基不稳定的信号。

实施例2：

本实施例延用了实施例1的数据，进一步地，所述预警装置接收到杆塔振动加速度-时间序列、风速-时间序列、风向-时间序列和温度-时间序列后，根据以下步骤，作杆塔稳定性分析：

1)设定X,Y轴为水平方向上相互垂直的两个坐标轴，Z为竖直方向上交于X,Y轴交点的坐标轴。根据塔基位移-时间序列，得到塔基在设定时间t内沿X,Y,Z轴的变形量F_x,F_y,F_z。

2)根据杆塔振动加速度-时间序列，得到杆塔在设定时间t内的三维运动加速度为a_x,a_y,a_z，计算杆塔在设定时间t内沿X,Y,Z轴的变形量T_x,T_y,T_z， $T_x=V_{x}t+\frac{1}{2}{a}_x{t}^2,T_y=V_{y}t+\frac{1}{2}{a}_y{t}^2,T_z=V_{z}t+\frac{1}{2}{a}_z{t}^2,$ 其中V_x,V_y,V_z的初始值取为0，后续取值为前一次计算杆塔变形后的杆塔运动速度。

3)杆塔沿X,Y,Z轴的相对变形为F_x-T_x，F_y-T_y，F_z-T_z。计算杆塔每一个时刻的变形量，获得杆塔每个时刻测点的变形－时间序列为d'_n1,t。

4)根据d'_n1,t，以t0时刻变形序列d'_n1,t0为基准，分析t1时刻的变形序列d'_n1,t1与d'_n1,t0的关联度。

5)计算某测点m的变形-时间序列相关度：

${\mathrm{\&xi;}}_i\left(m\right)=\frac{\underset{i}{\min }\underset{k}{\min }|d_{n1,t1}^{\&prime;}-d_{n1,t0}^{\&prime;}|+\mathrm{\&rho;}\underset{i}{\max }\underset{k}{\max }|d_{n1,t1}^{\&prime;}-d_{n1,t0}^{\&prime;}|}{|d_{n1,t1}^{\&prime;}-d_{n1,t0}^{\&prime;}|+\mathrm{\&rho;}\underset{i}{\max }\underset{k}{\max }|d_{n1,t1}^{\&prime;}-d_{n1,t0}^{\&prime;}|}$ (ρ为分辨系数，取值[0,1])，求不同时刻杆塔变形-时间序列的灰关联度

6)根据计算的灰关联度大小进行分区，区间个数为r_N，计算r_N区间内灰关联度的概率，得到不同变形-时间序列如d'_n1,t1与d'_n1,t0的灰关联度概率分布函数F_(t0,t1)，求方差D(F_(t0,t1))，时刻[t0,t1]间的变形-时间序列进行插值计算，得出任意时刻对应位置的杆塔变形-时间序列。

7)根据任意时刻对应位置的杆塔变形-时间序列，得到杆塔实 时倾斜角 $\mathrm{\&theta;}=\arcsin \left(\frac{F_y-T_y}{\sqrt{{(F_x-T_x)}^2+{(F_y-T_y)}^2}}\right).$ 在无冰、风速5m/s、杆塔所处位置的气温为年平均气温下，塔高50m及以上杆塔，杆塔倾斜角超过杆塔全高的0.5％则发出预警。同样条件下，50m以下杆塔，杆塔倾斜角超过杆塔全高的1.0％则发出预警。

实施例3：

本发明提供的山地环境500kV输电塔在线监测系统的构建及分析方法，包括以下步骤：

1)以存在地质隐患的500kV输电塔为研究核心，确定影响输电塔稳定性的主控因素为地质灾害及风荷载，其影响分别表现为塔基位移及塔体振动。

2)以影响杆塔稳定性的主控因素为标准，确定在线监测系统包括塔基监测装置、塔体监测装置、监测数据远程传输装置及预警装置，其中：塔基监测装置采集塔基位移时间序列，塔体监测装置采集风速、气温、风荷载作用的杆塔振动加速度，监测数据远程传输装置采用GPRS传输采集的所有信息，预警装置对采集数据存储、分析、预警及访问控制。

3)以塔基变形-时间序列为基础，建立基于局部折减法的塔基三维数值模型，确定塔基安全系数，评价塔基稳定性。

4)基于在线监测系统的实时监测数据，计算塔体与塔基的相对变形量，形成杆塔变形-时间序列数据库，建立灰色关联模型，预测杆塔变形发展趋势，评价杆塔的健康状态。

上述地质灾害至少是描述由于自然条件、气象条件的变化改变塔基所在之处的赋存环境，其赋存环境的改变主要表现为地形地貌、岩土介质类型、岩土介质力学特性、岩土介质应力环境、水文地质环境等的变化，造成塔基础滑坡或坍塌，直接引起塔基的不均匀沉降及非稳定变位。

上述风荷载是以在线监测研究手段，至少是描述随着气象变化且受制于山地地形地貌的山地风，并通过风速风向仪在线监测获得的实时风速-时间序列及风向-时间序列。

上述基于强度折减系数法的塔基稳定性分析，至少是描述以地质灾害对杆塔变形影响为研究对象，以塔基变形为主控因素，建立三维数值模型分析塔基岩土强度参数折减后的杆塔变形特征及应力响应，对比实测塔基变形-时间序列分析塔基稳定性。

上述基于灰色关联模型的输电塔变形发展趋势，至少是描述以地质灾害引起的塔基变位对杆塔变形的影响，基于塔体监测设备获取的加速度-时间序列分析塔体变形-时间序列，计算相对于塔基的变形-时间序列，建立输电塔变形的灰色关联模型，分析不同时间序列的相关度，预测杆塔变形趋势。

下面结合附图对本发明做进一步的说明，但不限定本发明。

参见图1，一种山地环境500kV输电塔在线监测系统，本发明包含了塔基监测装置、塔体监测装置、监测数据远程传输装置、预警装置等四个主要控制模块。其具体实施步骤如下：

1)塔基监测装置，采用激光位移传感器采集输电线路的塔基监测数据，主要包括塔基变形-时间序列，所述的塔基监测装置还包括所述太阳能电池和蓄电池，用于对所述监测装置中的用电部件供电。

2)杆塔监测装置，采用振动传感器、风速风向传感器及温度传感器采集铁塔的杆塔监测数据，主要包括杆塔振动加速度-时间序列、风速-时间序列、风向-时间序列及温度-时间序列，所述的塔体监测装置还包括所述太阳能电池和蓄电池，用于对所述监测装置中的用电部件供电。

3)监测数据远程传输装置，通过GPRS无线传输采集的塔基监测数据及杆塔监测数据发送给在线监测预警装置，所述的远程传输装置还包括所述太阳能电池和蓄电池，用于对所述监测装置中的用电部件供电。

4)预警装置，通过设置存储器建立实时监测数据库、结构信息数据库、超阈值事情数据库及系统参数数据库，软件设计分析实时监测数据库中的杆塔变形-时间序列，评判输电塔的运行状态，实现预警功能。

参加图2，上述描述的塔基监测装置，主要采用的GLS-B300激光测距仪，满足要求高精度监测垂直位移应用需求，可监测距离基准点300m的距离变化，其监测达到精度3mm。测距仪以无线方式联 系，定期采集塔基变形的实时信息，并通过GPRS方式传输存储到预警装置中，实现测定塔基与基准点相对变位的实时序列。如图2(a)为在线监测系统中塔基监测装置的监测布置方案。图2(b)描述测距过程，主要在塔基边坡上建筑好水泥桩，在一定的距离外安装好被测反射板(白色最佳)，使得激光测距传感器的激光线与被测反射板保持垂直关系，当反射板由A位置变化到B位置时，激光测距传感器就会返回测出两种不同状态的距离值，从而得到变化量，即为在线监测获得的塔基变形-时间序列。

参见图2，上述描述的塔体监测装置包括杆塔振动传感器、三维风速风向仪及温度传感器。如图2(c)的941B振动传感器安装于杆塔的主弦杆处，监测杆塔在风荷载作用下的超低频大幅度测量和微弱振动测量，可监测到2.0g范围的振动，基于监测的各个方向的振动加速度，计算杆塔不同方向的变形。如图2(d)的CFF3D-Ⅰ型三维风速风向仪，安装于塔顶，满足监测需要的三维实时风速与风向，监测精度达到±0.1m/s及0.1°，分析风荷载变化与输电塔变形的关系。如图2(e)的FY-W01温度传感器，满足气象变化的范围-55℃～+125℃及测量精度±0.1℃，两主弦杆(向阳面和背阴面)分别安装，环境温度引起杆塔结构荷载变化，改变杆塔变形。

参见图3，上述描述的在线监测系统在500kV张恩双回线输电塔的布置图。图3(a)描述了温度传感器和风速风向仪布置于第一层横担平面。图3(b)描述了振动传感器分别布置于杆塔第一层、第二层及第三层横担平面，位移传感器布置于杆塔第一层横担平面。图3(c)描述了采集中心(工控机及GPRS)布置于第一层横担平面，太阳能板及蓄电池布置于离塔基最近的水平层。图3(d)及图3(e)描述了现场监测装置的安装详图，分别为风速风向仪、温度传感器、采集中心(工控机及GPRS)、太阳能蓄电池的现场实图。

参见图4，以上所述的监测系统对500kV张恩线输电塔在线监测的实际信息。图4(a)的温度-时间序列显示近一个月的温度变化与当地气象监测的温度数值相吻合，说明温度传感器监测的准确性。表1描述的三维风速风向变化数据，监测时段为夏季，不同时间点的风速风向变化较小，风速最大为3m/s，表明监测时刻风速对杆塔的影响并不大。图4(b)描述了对应时刻的位移变化，塔基位移变 化较小，最大差值为1cm，说明当前情况下的塔基变位较小，不会引起明显的输电塔变形。图4(c)、4(d)、4(e)描述了下部、中部及上部测点的杆塔加速度，加速度大小明显表现为杆塔上部加速度最大，下部加速度最小，说明杆塔越高，杆塔振动越大，但不同时刻振动加速度变换较小，说明当前的风速变化是比较平稳的。图4(f)描述了在线监测系统监测的加速度-时间序列显示界面，通过界面可以更清晰监测数据的变化规律。

表1 2014.8.9 17:47采集的风速风向数据

参见图5，在线监测的塔基稳定性分析是基于在线监测塔基变形及三维颗粒流数值模型，需要如下步骤：(1)根据实时变形(位移)及地勘资料，采用智能分析方法如支持向量机进行塔基力学参数反演，得到边坡的宏观力学参数弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角及剪胀角(2)建立三维颗粒流数值模型，进行三轴压缩试验，得到轴向应力-应变曲线及抗剪强度包络线图，确定颗粒的细观力学参数：颗粒法向及切向接触刚度、颗粒摩擦系数、颗粒法向及切向粘结强度(k_n,k_s,f,p_bn,p_bt)。(3)颗粒间摩擦系数f及颗粒粘结强度p_b(p_bn,p_bt)是决定塔基稳定性的关键，根据初始应力状态，采用屈服接近度判别法确定第一次强度折减的区域Ω₁，对该区域的参数f,p_bn,p_bt分别进行不同折减系数K_f,的折减，计算第一次强度折减后的塔基变形及应力状态。(4)基于第一次折减后的塔基应力状态，采用屈服接近度判别法确定第二次折减后的区域Ω₂，对该区域增大折减系数进行第二次强度折减后的数值计算。(5)进行第三次或n次(n>3)折减，直至颗粒最大累积位移大于临界位移(d_u,max≥d_crit)或颗粒的平均不平衡力N_unbalance<0.1，研究每次强度参数折减计算中的实时变形。(6)根据实测变形-时间序列确定塔基t时刻及(x,y,z)位置 的监测位移值d_t,(x,y,z)，不断调整强度折减系数K_f,使得塔基在t时刻及(x,y,z)位置的数值计算位移d′_t,(x,y,z)与监测位移d_t,(x,y,z)相差较小，满足|d′_t,(x,y,z)-d_t,(x,y,z)|≤ε，ε为小值。(7)确定满足|d′_t,(x,y,z)-d_t,(x,y,z)|≤ε时对应的强度折减系数K_f,将 $K=\frac{1}{3}(K_f+K_{p_{\mathrm{bn}}}+K_{p_{\mathrm{bt}}})$ 作为塔基的稳定安全系数，以此评价塔基的稳定性。

参见图6，基于在线监测信息的杆塔变形分析，以此评价输电塔的运行状态，其基本步骤为：(1)设定X,Y轴为水平方向上相互垂直的两个坐标轴，Z为竖直方向上交于X,Y轴交点的坐标轴，根据塔基监测变形-时间序列，得到塔基在设定时间t内沿X,Y,Z轴的变形量F_x,F_y,F_z。(2)设定监测杆塔的在设定时间t内的三维运动加速度为a_x,a_y,a_z，计算杆塔在设定时间内沿X,Y,Z轴的变形量T_x,T_y,T_z， $T_x=V_{x}t+\frac{1}{2}{a}_x{t}^2,T_y=V_{y}t+\frac{1}{2}{a}_y{t}^2,T_z=V_{z}t+\frac{1}{2}{a}_z{t}^2,$ 其中V_x,V_y,V_z的初始值取为0，后续取值为前一次计算杆塔变形后的杆塔运动速度。(4)计算杆塔相对于塔基的变形量，沿X,Y,Z轴的相对变形为F_x-T_x，F_y-T_y，F_z-T_z。(5)记录每个时刻测点的变形序列为d'_n1,t，以t0时刻位移序列d'_n1,t0为基准，分析t1时刻的位移序列d'_n1,t1与d'_n1,t0的关联度。(6)计算某测点m的变形-时间序列相关度

${\mathrm{\&xi;}}_i\left(m\right)=\frac{\underset{i}{\min }\underset{k}{\min }|d_{n1,t1}^{\&prime;}-d_{n1,t0}^{\&prime;}|+\mathrm{\&rho;}\underset{i}{\max }\underset{k}{\max }|d_{n1,t1}^{\&prime;}-d_{n1,t0}^{\&prime;}|}{|d_{n1,t1}^{\&prime;}-d_{n1,t0}^{\&prime;}|+\mathrm{\&rho;}\underset{i}{\max }\underset{k}{\max }|d_{n1,t1}^{\&prime;}-d_{n1,t0}^{\&prime;}|}$ (ρ为分辨系数，取值[0,1])，求不同时刻杆塔变形-时间序列的灰关联度(7)根据计算的灰关联度大小进行分区，区间个数为r_N，计算r_N区间内灰关联度的概率，得到不同变形-时间序列如d'_n1,t1与d'_n1,t0的灰关联度概率分布函数F_(t0,t1)，求方差D(F_(t0,t1))，D(F_(t0,t1))越小，表明变形序列的关联度越大，时刻[t0,t1]间的变形-时间序列进行插值计算，得出任意时刻对应位置的杆塔变形-时间序列。

参见图7(a)，基于在线监测信息的预警，其步骤为：(1)塔基稳定性采用塔基三维变位进行描述，通过基于强度参数折减法的三维数值模型计算得到的安全系数判断塔基的稳定性，当安全系数大于1 则为塔基稳定，小于1则为塔基不稳定。(2)根据杆塔变形曲线，得到杆塔实时倾斜角 $\mathrm{\&theta;}=\arcsin \left(\frac{F_y-T_y}{\sqrt{{(F_x-T_x)}^2+{(F_y-T_y)}^2}}\right),$ 在无冰、风速5m/s及年平均气温作用下，塔高50m及以上杆塔，倾斜角杆塔全高的0.5％，50m以下杆塔，倾斜角不超过杆塔高度的1.0％。(3)根据塔基稳定性态及杆塔变形倾斜角，两者均满足要求则输电塔运行稳定，若其中一项不满足要求，则输电塔运行处于不良运行状态，即可进行输电塔预警。在线监测系统的预警模块如图7(b)，当监测的塔基变形或杆塔变形超过指标阈值时，监测系统会及时地根据测试数据与相应指标之间的关系，能明确输电塔安全与否，发出不同的预警信号，并给管理者提出相应的处治建议。若不能明确正常与否，则需借助评价系统对输电塔进行全面的评价。

Claims (6)

1.一种山地环境500kV输电塔在线监测系统构建及分析方法，其特征在于：

包括由塔基监测装置、杆塔监测装置、数据传输装置和预警装置构成的在线监测系统；

所述塔基监测装置，在线监测输电塔的塔基相对于基准点的位移，得到塔基位移-时间序列；

所述杆塔监测装置包括设置在输电塔的杆塔上的振动传感器、风速传感器、风向传感器和温度传感器，通过在线监测输电塔的杆塔，获得杆塔振动加速度-时间序列、风速-时间序列、风向-时间序列和温度-时间序列；

所述数据传输装置将上述时间序列传递给预警装置；

所述预警装置接收到塔基位移-时间序列后，根据以下步骤，作塔基稳定性分析：

1)通过地勘的方法，获得输电塔的塔基下方岩土的弹性模量E、泊松比ν、粘聚力c、内摩擦角φ、剪胀角ψ和初始应力状态；

2)建立输电塔的塔基下方岩土的三维颗粒流数值模型，进行三轴压缩试验，得到轴向应力-应变曲线及抗剪强度包络线图，确定颗粒的细观力学参数：颗粒法向及切向接触刚度k_n、颗粒摩擦系数f、颗粒法向粘结强度p_bn和颗粒切向粘结强度p_bt；

根据初始应力状态，采用屈服接近度判别法确定塔基下方岩土的第一次强度折减的区域Ω₁，对该区域的参数f,p_bn,p_bt分别按折减系数K_f,进行折减，通过数值计算获得第一次强度折减后的塔基位移－时间序列及塔基应力状态；

基于第一次折减后的塔基应力状态，采用屈服接近度判别法确定第二次折减后的区域Ω₂，以更大的数值更新折减系数K_f,对该区域的参数f,p_bn,p_bt分别按更新后的折减系数K_f,进行第二次强度折减；通过数值计算获得第二次强度折减后的塔基位移－时间序列及塔基应力状态；

参照本步骤的上述方法，直到确定第n次折减后的区域Ω_n为止；此时，对该区域的参数f,p_bn,p_bt分别按更新后的折减系数K_f,进行第n次强度折减；通过数值计算获得第n次强度折减后的塔基位移－时间序列及塔基应力状态；此时，颗粒最大累积位移d_u,max大于临界位移d_crit或颗粒的平均不平衡力N_unbalance<0.1；

3)塔基上任意一点的坐标为(x,y,z)，根据塔基位移-时间序列，确定塔基t时刻及(x,y,z)位置的监测位移值d_t,(x,y,z)，不断调整强度折减系数K_f,使得塔基在t时刻及(x,y,z)位置的数值计算位移d′_t,(x,y,z)与监测位移d_t,(x,y,z)接近，满足|d′_t,(x,y,z)-d_t,(x,y,z)|≤ε，ε＝0.01或0.1；

4)确定满足|d′_t,(x,y,z)-d_t,(x,y,z)|≤ε时对应的强度折减系数K_f,将作为塔基的稳定安全系数；

当安全系数大于1则为塔基稳定，当安全系数小于1则发出塔基不稳定的信号。

2.根据权利要求1所述的一种山地环境500kV输电塔在线监测系统构建及分析方法，其特征在于：

所述预警装置接收到杆塔振动加速度-时间序列、风速-时间序列、风向-时间序列和温度-时间序列后，根据以下步骤，作杆塔稳定性分析：

1)设定X,Y轴为水平方向上相互垂直的两个坐标轴，Z为竖直方向上交于X,Y轴交点的坐标轴；根据塔基位移-时间序列，得到塔基在设定时间t内沿X,Y,Z轴的变形量F_x,F_y,F_z；

2)根据杆塔振动加速度-时间序列，得到杆塔在设定时间t内的三维运动加速度为a_x,a_y,a_z，计算杆塔在设定时间t内沿X,Y,Z轴的变形量T_x,T_y,T_z，其中V_x,V_y,V_z的初始值取为0，后续取值为前一次计算杆塔变形后的杆塔运动速度；

3)杆塔沿X,Y,Z轴的相对变形为F_x-T_x，F_y-T_y，F_z-T_z；计算杆塔每一个时刻的变形量，获得杆塔每个时刻测点的变形－时间序列为d'_n1,t；

4)根据d'_n1,t，以t0时刻变形序列d'_n1,t0为基准，分析t1时刻的变形序列d'_n1,t1与d'_n1,t0的关联度；

5)计算某测点m的变形-时间序列相关度：

ρ为分辨系数，取值[0,1]，求不同时刻杆塔变形-时间序列的灰关联度6)根据计算的灰关联度大小进行分区，区间个数为r_N，计算r_N区间内灰关联度的概率，得到不同变形-时间序列如d'_n1,t1与d'_n1,t0的灰关联度概率分布函数F_(t0,t1)，求方差D(F_(t0,t1))，时刻[t0,t1]间的变形-时间序列进行插值计算，得出任意时刻对应位置的杆塔变形-时间序列；

7)根据任意时刻对应位置的杆塔变形-时间序列，得到杆塔实时倾斜角在无冰、风速5m/s、杆塔所处位置的气温为年平均气温下，塔高50m及以上杆塔，杆塔倾斜角超过杆塔全高的0.5％则发出预警；同样条件下，50m以下杆塔，杆塔倾斜角超过杆塔全高的1.0％则发出预警。

3.根据权利要求1所述的一种山地环境500kV输电塔在线监测系统构建及分析方法，其特征是：所述的塔基监测装置包括：

激光位移传感器，采集输线路的地基基础监测参数中的塔基位移数据；

太阳能电池或蓄电池，用于对所述塔基监测装置中的用电部件供电。

4.如权利要求1所述的一种山地环境500kV输电塔在线监测系统构建及分析方法，其特征是：所述的杆塔监测装置包括：

振动传感器，采集输电线路的杆塔监测参数中的杆塔振动加速度数据；

风速传感器，采集输电线路的杆塔监测参数中的杆塔风速、风向数据；

温度传感器，采集输电线路的杆塔监测参数中的温度数据，包括输电杆塔周围的环境温度数据；

太阳能电池和蓄电池，用于对所述杆塔监测装置中的用电部件供电。

5.如权利要求1所述的一种山地环境500kV输电塔在线监测系统构建及分析方法，其特征是：所述的数据传输装置包括：

GPRS、太阳能电池和蓄电池，用于所述监测系统的监测数据的无线传输以及装置用电部件供电。

6.如权利要求1所述的一种山地环境500kV输电塔在线监测系统构建及分析方法，其特征是：所述的预警装置包括：

输电线路在线监测模块，用于利用塔基及塔体的实时监测信息，对杆塔变形趋势进行分析与评估。