CN107976307A - 一种输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置，其特征在于，包括依次连接的前端监测装置、4G通信模块和监控中心；前端监测装置包括依次连接的压电式加速度传感器，调理电路和Xbeepro s2c模块，风速风向传感器与Xbeepro s2c模块连接，Xbeepro s2c模块与4G通信模块连接。系监控中心计算得到的铁塔杆件固有频率矩阵，并与模态分析得到未发生螺栓松动的固有频率矩阵对比，实现对输电导铁塔螺栓松动的判断。本发明还公开了输电铁塔螺栓松动的在线监测方法，该方法解决了传统人工巡线的缺陷，实现了对输电线路螺栓松动的在线监测，降低了铁塔运行的安全隐患。
Description
技术领域
本发明属于输电线路在线状态监测与故障诊断领域，涉及一种输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置，本发明还涉及利用该监测装置进行的监测方法。
背景技术
目前输电铁塔除了少部分重要场合使用钢管塔外,大部分还是以现场组装铁塔为主的,螺纹连接是输电铁塔组装广泛采用的一种方式。动载荷(如输电线路长期的微风振动、风载荷等)或者温差较大的场合下,螺栓连接容易发生松动,松动之后连接强度消失,使铁塔处于高危状态。在外界大风，或覆冰覆雪的工况下极易发生倒塔事故。据统计，在发生输电铁塔倒落事故的现场经常可以看到脱落的螺栓螺母,倒塔事故分析报告也表明了螺栓连接失效是倒塔事故的主要原因。
铁塔螺栓松动属于典型的“隐形故障”，往往不能被及时发现，当发现铁塔螺栓松动时输电线路已处于危险状态。目前对于铁塔螺栓松动并没有一套完整的在线监测装置，还得依靠传统的人工巡检的方式。但由于铁塔的结构复杂，人工巡检很难彻查，这就为铁塔的安全性能埋下隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置，实现了输电线路铁塔螺栓松动在线监测，为输电线路安全运行提供保障。
本发明的技术方案是，一种输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置，包括依次连接的前端监测装置、4G通信模块和监控中心；前端监测装置包括依次连接的压电式加速度传感器，调理电路和Xbeepro s2c模块，风速风向传感器与Xbeepro s2c模块连接，Xbeepros2c模块与4G通信模块连接。
本发明的另一目的在于提供一种利用输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置进行监测的方法，能够通过实时的采集铁塔关键部位的振动信号提取出铁塔杆件的模态参数，作为判断铁塔螺栓变化情况的重要依据。
本发明采用的技术方案是，一种利用输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置进行监测的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，对结构完好的铁塔进行模态分析；
步骤2，安装监测装置，实时测量风速、风向以及关键杆件的振动加速度值；
步骤3，采用特征系统实现算法对铁塔进行实时模态分析，得到固有频率矩阵
步骤4，将步骤3中计算得到的固有频率矩阵与步骤1中正常状态时的铁塔杆件的固有频率矩阵中的元素比较，判断铁塔螺栓松动的状态。
本发明的特点还在于，
步骤1具体为：
步骤1.1，首先对对现场待安装的铁塔进行详细的状态评估，确认铁塔结构完好无损；
步骤1.2，测量在自然激励下，铁塔振动的加速度谱，同时测量风速风向，得到风力功率谱；
步骤1.3，利用步骤1.2中采集的数据，采用有限元仿真的方法对铁塔进行模态分析，得到未有螺栓松动铁塔杆件的固有频率矩阵即状态正常时的铁塔杆件的固有频率矩阵
步骤3具体为，
步骤3.1、将加速度信号进行数字滤波和放大并经AD转换处理；
步骤3.2、利用步骤3.1中处理后的信号，构造Hankel矩阵，并求解状态矩阵，
步骤3.3、求取铁塔系统矩阵A的特征值λi，然后通过特征值求得铁塔杆件的固有频率；
λi＝-αi+jβ； (3-3-1)
步骤3.2具体为：
步骤3.2.1、根据监控中心接收到的步骤3.1处理后的数据，确定铁塔系统的传递函数，然后进一步得到铁塔系统的脉冲响应函数h(t)；
步骤3.2.2、对脉冲响应函数h(t)进行离散采样，得到离散的脉冲响应函数序列h(K)，K＝1,2，...为采样点的序列号。
步骤3.2.3、设采样时间间隔为Δ，在KΔ时刻，各测量点的脉冲响应函数可构成下列脉冲响应矩阵。
其中，hij为铁塔系统第j个点进行激励、第i个点进行测量的脉冲响应函数值；L、P分别为测量点与激励点的总数，i≤L,j≤P。
步骤3.2.3、通过构造Hankel矩阵，求解脉冲响应的最小实现，如公式(3-2-2)和(3-2-3)所示，
式中，Qβ＝[B AB A2B … Aβ-1B]
其中，H(K-1)为Hankel矩阵；Pα是铁塔系统输出矩阵，又称为可观性矩阵；Qβ是铁塔系统输入矩阵，又称可控性矩阵，A为铁塔系统系统矩阵，含有铁塔各阶模态参数，α、β是可观、可控性指数。
步骤3.2.4、采用奇异值分解的方法求出铁塔系统矩阵A，
式中U表示左奇异矩阵；为右奇异矩阵V，T表示转置(U、V是正交归一化矩阵，UTU＝VTV＝I)；∑＝diag(σ1 σ2 … σ2N)为奇异值矩阵，σi成为奇异值。
步骤4具体为，将步骤3中计算得到的固有频率矩阵与步骤1中正常状态时的铁塔杆件的固有频率矩阵中的元素比较，当第n阶固有频率的变化量时，判定铁塔杆件n(n为横担处、主材与斜材交汇处等关键杆件)结构出现异常，
此时，继续判定相邻杆件模态参数，当且时，判定铁塔杆件n连接处的螺栓发生了松动。
当第n阶固有频率的变化量时，铁塔杆件螺栓状态正常，未发生松动。
本发明的有益效果是，本发明采用特征系统实现算法进行输电铁塔的工作模态分析，根据传感器采集的加速度信号分析出铁塔杆件的固有频率矩阵，再跟无故障状态时铁塔杆件的固有频率矩阵对比，实现铁塔螺栓状态的诊断。及时发现铁塔存在的安全隐患，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螺栓松动在线监测装置的结构示意图；；
图2是本发明输电铁塔螺栓松动在线监测方法的流程图。
图中，1.前端监测装置，1-1.压电式加速度传感器，1-2.调理电路，1-3.风速风向传感器，1-4.Xbee-pro s2c模块，2.4G通信模块，3.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。
本发明的输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置，如图1所示，包括依次连接的前端监测装置1、4G通信模块2和监控中心3。
前端监测装置1包括依次连接的压电式加速度传感器1-1，调理电路1-2和Xbee-pro s2c模块1-4，
风速风向传感器1-3与Xbee-pro s2c模块1-4连接，Xbee-pro s2c模块1-4与4G通信模块2连接。
本装置在工作时，首先在铁塔杆件安装压电式加速度传感器1-1，用于测量铁塔杆件的加速度，然后通过调理电路1-2将信号进行放大滤波，随后将处理后的信号送至Xbee-pro s2c无线通信模块1-4中进行AD采样。
风速风向传感器1-2通过异步串行通信接口UART将数据传输到Xbee-pro s2c无线通信模块1-4，一方面Xbee-pro s2c无线通信模块1-4可以将采集的数据直接发送出去，便于装置的现场调试。另一方面可将数据发给4G通讯模块2，4G讯模块2将数据发送给远程的监控中心3。监控中心3收到的加速度数据和风速风向数据进行模态分析，得到实际工况下的铁塔杆件固有的振动频率，并进行诊断。
该装置的工作原理是，通过实时的监测环境的风速风向和杆件的振动频率，利用模态分析的铁塔杆件的固有频率矩阵与实际测量的固有频率矩阵进行对比，进而反映铁塔杆件螺栓松动的情况，及时发现铁塔存在的安全隐患，提前采取应对措施，保证铁塔安全正常工作。
本发明输电铁塔螺栓松动监测方法，如图2所示，具体按以下步骤实施：
步骤1，对结构完好的铁塔进行模态分析。
步骤1.1，首先对对现场待安装的铁塔进行详细的状态评估，确认铁塔结构完好无损；
步骤1.2，测量在自然激励下，铁塔振动的加速度谱，同时测量风速风向，得到风力功率谱；
步骤1.3，利用步骤1.2中采集的数据，采用有限元仿真的方法对铁塔进行模态分析，得到未有螺栓松动铁塔杆件的固有频率矩阵即状态正常时的铁塔杆件的固有频率矩阵
步骤2，安装监测装置，实时测量风速、风向以及关键杆件的振动加速度值。
步骤3，采用特征系统实现算法(ERA)对铁塔进行实时模态分析，得到固有频率矩阵具体的步骤为：
步骤3.1、将加速度信号进行数字滤波和放大并经AD转换处理；
步骤3.2、利用步骤3.1中处理后的信号，构造Hankel矩阵，并求解状态矩阵，具体为：
步骤3.2.1、根据监控中心接收到的步骤3.1处理后的数据，确定铁塔系统的传递函数，然后进一步得到铁塔系统的脉冲响应函数h(t)。
步骤3.2.2、对脉冲响应函数h(t)进行离散采样，得到离散的脉冲响应函数序列h(K)，K＝1,2，...为采样点的序列号。
步骤3.2.3、设采样时间间隔为Δ，在KD时刻，各测量点的脉冲响应函数可构成下列脉冲响应矩阵。
其中，hij为铁塔系统第j个点进行激励、第i个点进行测量的脉冲响应函数值；L、P分别为测量点与激励点的总数，i≤L,j≤P。
步骤3.2.3、通过构造Hankel矩阵，求解脉冲响应的最小实现，如公式(3-2-2)和(3-2-3)所示，
式中，Qβ＝[B AB A2B … Aβ-1B]
其中，H(K-1)为Hankel矩阵；Pα是铁塔系统输出矩阵，又称为可观性矩阵；Qβ是铁塔系统输入矩阵，又称可控性矩阵，A为铁塔系统系统矩阵，含有铁塔各阶模态参数，α、β是可观、可控性指数。
步骤3.2.4、采用奇异值分解的方法求出铁塔系统矩阵A，
式中U表示左奇异矩阵；为右奇异矩阵V，T表示转置(U、V是正交归一化矩阵，UTU＝VTV＝I)；∑＝diag(σ1 σ2 … σ2N)为奇异值矩阵，σi成为奇异值。
步骤3.3、求取铁塔系统矩阵A的特征值λi，然后通过特征值求得铁塔杆件的固有频率；
λi＝-αi+jβ； (3-3-1)
步骤4、将步骤3中计算得到的固有频率矩阵与步骤1中正常状态时的铁塔杆件的固有频率矩阵中的元素比较，
当第n阶固有频率的变化量时，判定铁塔杆件n(n为横担处、主材与斜材交汇处等关键杆件)结构出现异常，
此时，继续判定相邻杆件模态参数，当且时，判定铁塔杆件n连接处的螺栓发生了松动。
当第n阶固有频率的变化量时，铁塔杆件螺栓状态正常，未发生松动。
Claims (6)
1.一种输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置，其特征在于，包括依次连接的前端监测装置1、4G通信模块2和监控中心3；所述的前端监测装置1包括依次连接的压电式加速度传感器1-1，调理电路1-2和Xbee-pro s2c模块1-4，所述的风速风向传感器1-3与Xbee-pros2c模块1-4连接，所述的Xbee-pro s2c模块1-4与4G通信模块2连接。
2.一种利用权利要求1所述的输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置进行监测的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，对结构完好的铁塔进行模态分析；
步骤2，安装监测装置，实时测量风速、风向以及关键杆件的振动加速度值；
步骤3，采用特征系统实现算法对铁塔进行实时模态分析，得到固有频率矩阵
步骤4，将步骤3中计算得到的固有频率矩阵与步骤1中正常状态时的铁塔杆件的固有频率矩阵中的元素比较，判断铁塔螺栓松动的状态。
3.根据权利要求2所述的利用输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置进行监测的方法，其特征在于，所述的步骤1具体为：
步骤1.1，首先对对现场待安装的铁塔进行详细的状态评估，确认铁塔结构完好无损；
步骤1.2，测量在自然激励下，铁塔振动的加速度谱，同时测量风速风向，得到风力功率谱；
步骤1.3，利用步骤1.2中采集的数据，采用有限元仿真的方法对铁塔进行模态分析，得到未有螺栓松动铁塔杆件的固有频率矩阵即状态正常时的铁塔杆件的固有频率矩阵
4.根据权利要求2所述的利用输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置进行监测的方法，其特征在于，所述的步骤3具体为，
步骤3.1、将加速度信号进行数字滤波和放大并经AD转换处理；
步骤3.2、利用步骤3.1中处理后的信号，构造Hankel矩阵，并求解状态矩阵，
步骤3.3、求取铁塔系统矩阵A的特征值λi，然后通过特征值求得铁塔杆件的固有频率；
λi＝-αi+jβ； (3-3-1)
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5.根据权利要求4所述的利用输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置进行监测的方法，其特征在于，所述的步骤3.2具体为：
步骤3.2.1、根据监控中心接收到的步骤3.1处理后的数据，确定铁塔系统的传递函数，然后进一步得到铁塔系统的脉冲响应函数h(t)；
步骤3.2.2、对脉冲响应函数h(t)进行离散采样，得到离散的脉冲响应函数序列h(K)，K＝1,2，...为采样点的序列号；
步骤3.2.3、设采样时间间隔为Δ，在KΔ时刻，各测量点的脉冲响应函数可构成下列脉冲响应矩阵；
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其中，hij为铁塔系统第j个点进行激励、第i个点进行测量的脉冲响应函数值；L、P分别为测量点与激励点的总数，i≤L,j≤P；
步骤3.2.3、通过构造Hankel矩阵，求解脉冲响应的最小实现，如公式(3-2-2)和(3-2-3)所示，
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步骤3.2.4、采用奇异值分解的方法求出铁塔系统矩阵A，
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式中U表示左奇异矩阵；为右奇异矩阵V，T表示转置(U、V是正交归一化矩阵，UTU＝VTV＝I)；Σ＝diag(σ1 σ2 … σ2N)为奇异值矩阵，σi成为奇异值。
6.根据权利要求2所述的利用输电线路铁塔螺栓松动在线监测装置进行监测的方法，其特征在于，所述的步骤4具体为，将步骤3中计算得到的固有频率矩阵与步骤1中正常状态时的铁塔杆件的固有频率矩阵中的元素比较，当第n阶固有频率的变化量时，判定铁塔杆件n(n为横担处、主材与斜材交汇处等关键杆件)结构出现异常，
此时，继续判定相邻杆件模态参数，当且时，判定铁塔杆件n连接处的螺栓发生了松动；
当第n阶固有频率的变化量时，铁塔杆件螺栓状态正常，未发生松动。
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