CN108413921A - 一种输电线路铁塔塔材变形在线监测系统及监测方法 - 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。
Description
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xp(k):
其中,xp(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,Σr从矩阵形式上看为奇异值组成的实数对角矩阵;Ur从矩阵形式上看为奇异值向量组成的酉矩阵;Ur矩阵中的第一列是第r阶固有频率对应的模态振型,而Σr中的最大值即为铁塔的第r阶固有频率;
U和Σ是由矩阵GXX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xp(k):
其中,xp(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,Σr从矩阵形式上看为奇异值组成的实数对角矩阵。Ur从矩阵形式上看为奇异值向量组成的酉矩阵。Ur矩阵中的第一列是第r阶固有频率对应的模态振型,而Σr中的最大值即为铁塔的第r阶固有频率。
U和Σ是由矩阵GXX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。
Claims (10)
1.输电线路铁塔塔材变形在线监测系统,其特征在于,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);其中所述的无线加速度传感器(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。
2.根据权利要求1所述的输电线路铁塔塔材变形在线监测系统,其特征在于,所述的测量分析模块(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),所述的采样模块(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,所述的电源模块(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。
3.根据权利要求2所述的输电线路铁塔塔材变形在线监测系统,其特征在于,所述的通信单元(3-3)包括蓝牙模块和3G网络模块;所述的加速度传感器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;所述的监控中心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。
4.根据权利要求2所述的输电线路铁塔塔材变形在线监测系统,其特征在于,所述的风速风向传感器(2)与采样模块(3-1)连接,所述的分析处理模块(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。
5.一种输电线路铁塔塔材变形在线监测方法,其特征在于,具体按以下步骤实施:
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。
6.根据权利要求5所述的一种输电线路铁塔塔材变形在线监测方法,其特征在于,所述的步骤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。
7.根据权利要求5所述的一种输电线路铁塔塔材变形在线监测方法,其特征在于,所述的步骤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xp(k):
其中,xp(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。
8.根据权利要求5所述的一种输电线路铁塔塔材变形在线监测方法,其特征在于,所述的步骤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。
9.根据权利要求8所述的一种输电线路铁塔塔材变形在线监测方法,其特征在于,所述的步骤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,Σr从矩阵形式上看为奇异值组成的实数对角矩阵;Ur从矩阵形式上看为奇异值向量组成的酉矩阵;Ur矩阵中的第一列是第r阶固有频率对应的模态振型,而Σr中的最大值即为铁塔的第r阶固有频率;
U和Σ是由矩阵GXX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。
10.根据权利要求5所述的一种输电线路铁塔塔材变形在线监测方法,其特征在于,所述的步骤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,所述的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。
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