CN108760018A - 一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测系统及方法，其中的系统包括动态位移传感器(1)、数据采集器和计算机，动态位移传感器(1)和数据采集器之间数据连接，数据采集器和计算机之间相连接。方法包括：采集变电联合构架监测点(2)在风荷载作用下的动态位移信号H1(z,t)；数据采集器输出变电联合构架监测点(2)的动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)；得到变电联合构架监测点(2)的动态距离数字信号平均值计算出平均风压产生的顺风向位移值和脉动风压产生的顺风向位移脉动值yd(z,n)(n＝1,2,…,N)；计算出位移有效值RMS(yd)；计算出风振系数βy(z)。实现在变电站运行过程中对变电联合构架监测点(2)的风振系数进行快速、准确的实时监测，为变电站的可靠运行提供有力保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种在线监测方法，更具体的说涉及一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测系统及方法，属于超高压、特高压输变电领域和土木工程高耸结构技术领域。
背景技术
超高压及特高压输电为高负荷电能输送载体，其日趋呈现杆塔结构高耸、导线截面粗大、负荷大、柔性强等特点。由于其高柔性、导地线和绝缘子串的几何非线性以及构架之间、构架与基础之间的耦合作用，导致对风与地震、导地线裹冰、导地线张力、温度等环境激励作用较为敏感，容易发生动力疲劳和失稳等现象。尤其是在强风等动力荷载作用下，构架-导线耦合风振响应极易使构架动力失稳和疲劳破坏。由于变电站构架-导线体系由构架、导(地)线、绝缘子和金具等部分组成，导线在脉动风作用下振动会产生变化的动张力，导线与构架形成复杂的动力耦联体系，二者之间相互影响、共同作用。这种耦合效应使得构架-导线体系的动力特性和风振响应的评估十分困难、复杂，尤其对于大型联合变电构架防风设计与评估造成严重困扰。
在大型变电构架抗风设计中，风振系数是结构设计的关键数据，而近些年，由于强风引起的铁塔、大型构架倒塌事故时有发生，对人民的生产生活产生严重的影响。但是，目前对于在强风作用下大型全联合变电构架的风荷载及其风振响应尚无法从理论上得到统一模型，风振系数难以实现实时检测，因此对此类大型联合变电构架防风设计带来很大困难。同时，对于已经建成的全联合构架，其模态阻尼的大小是影响风振系数的重要因素，对于这种复杂的工程结构，需要现场测量风振系数，根据测量的风振系数来判断变电联合构架结构阻尼系数的变化情况，并对变电联合构架的缺陷和故障进行诊断与定位。因此，亟需一种能够快速、准确监测变电联合构架风振系数的系统及方法以满足工程需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的高压变电联合构架风振系数难以实现实时检测的技术难题，提供一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测系统及方法。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测系统，包括动态位移传感器、数据采集器和计算机，所述的动态位移传感器安装于变电联合构架正向和侧向，动态位移传感器与变电联合构架基础位于同一水平面，且动态位移传感器与变电联合构架之间无遮挡物，所述的动态位移传感器和数据采集器之间数据连接，所述的数据采集器和计算机之间相连接，所述的动态位移传感器用来采集变电联合构架监测点的动态位移信号H1(z,t)，所述的数据采集器接收动态位移传感器输出的动态位移信号H1(z,t)并输出变电联合构架监测点的动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)，所述的计算机将动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)转换为变电联合构架监测点的风振系数值。
所述的动态位移传感器为激光远距离动态高精度位移传感器。
所述动态位移传感器与最高的变电联合构架监测点所构成的仰角不超过30°。
一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测方法，包括下面的步骤：步骤一，使用激光远距离位移检测技术检测和采集变电联合构架监测点(2)在风荷载作用下的动态位移信号H1(z,t)，此处z为无风状态下变电联合构架监测点(2)距离地面的高度、t为时间；步骤二，将采集到的变电联合构架监测点(2)在风荷载作用下的动态位移信号H1(z,t)输入到数据采集器进行分析处理，数据采集器经过分析处理得到并输出变电联合构架监测点(2)的动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)，此处N为采样点数；步骤三，计算机对采集的动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)进行处理和分析，得到变电联合构架监测点(2)的动态距离数字信号平均值步骤四，计算出变电联合构架监测点(2)在平均风压作用下产生的顺风向位移值和脉动风压产生的顺风向位移脉动值yd(z,n)(n＝1,2,…,N)；步骤五，计算出脉动风压引起的变电构架监测点(2)的位移有效值RMS(yd)；步骤六，计算出变电联合构架监测点(2)的风振系数βy(z)。
所述步骤三中的变电联合构架监测点的动态距离数字信号平均值根据下面的式(1)计算得出：
所述步骤四中变电联合构架监测点(2)在平均风压作用下产生的顺风向位移值根据动态距离数字信号平均值无风状态下的变电联合构架监测点(2)至动态位移传感器(1)的距离值H0(z)通过下面的式(2)～(5)计算得出：
Δθ＝θ-θ′(弧度) (4)
其中θ为无风状态下动态位移传感器(1)和变电联合构架监测点(2)之间的连线与水平面的夹角，θ′为风载荷作用下动态位移传感器(1)和变电联合构架监测点(2)之间的连线与水平面的夹角；
所述步骤四中变电联合构架监测点(2)在脉动风压产生的顺风向位移脉动值yd(z,n)(n＝1,2,…,N)根据H1(z,n)(n＝1,2,…,N)、动态距离数字信号平均值和脉动风压产生的监测点的波动距离值Hd(z,n)(n＝1,2,…,N)通过下面的式(7)计算得出，其中脉动风压产生的监测点的波动距离值Hd(z,n)(n＝1,2,…,N)通过下面的式(6)计算得出：
yd(z,n)＝Hd(z,n)cosθ (7)。
所述步骤五中脉动风压引起的变电构架监测点(2)的位移有效值RMS(yd)根据脉动风压产生的顺风向位移脉动值yd(z,n)(n＝1,2,…,N)通过下面的式(8)计算得出：
所述步骤六中的变电联合构架监测点(2)的风振系数根据顺风向位移值和RMS(yd)通过下面的式(9)计算得出：
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明利用动态位移传感器采集的动态位移信号H1(z,t)，经数据采集器得到并输出动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)，通过计算机最终得到变电联合构架监测点的风振系数，从而实现在变电站运行过程中对变电联合构架监测点的风振系数进行快速、准确的实时监测，因此能够及时准确地反映出变电联合构架的运行可靠性情况，为变电站的可靠运行提供有力保障。
附图说明
图1是本发明中在线监测系统结构框图。
图2是本发明中检测方法流程图。
图3是本发明中变电联合构架监测点位移检测原理示意。
图中：动态位移传感器1，变电联合构架监测点2。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
具体实施例一：
参见图1，一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测系统，适用于超高压、特高压变电联合构架风振系数在线监测，其包括动态位移传感器1、数据采集器和计算机。所述的动态位移传感器1和数据采集器之间数据连接，所述的数据采集器和计算机之间相连接。
参见图1，所述的动态位移传感器1用来采集变电联合构架的动态位移信号H1(z,t)，其固定安装在地面，同时安装于变电联合构架正向和侧向；动态位移传感器1与变电联合构架基础位于同一水平面，且动态位移传感器1与变电联合构架之间无遮挡物。所述的数据采集器接收动态位移传感器1输出的动态位移信号H1(z,t)，经过数据采集器分析处理得到并输出变电联合构架监测点2的动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)。
参见图1，所述的计算机通常选用工业用笔记本电脑，包含硬件、通用软件、专用软件，其际起到整个检监测系统管理、控制、信号处理作用，实现实时将数据采集器输出的距离动态信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)转换为变电联合构架监测点2的风振系数值。
参见图1，在具体应用实例中，所述的动态位移传感器1通常采用激光远距离动态高精度位移传感器。例如选择FTM-200激光位移传感器，该FTM-200激光位移传感器的主要技术参数为：量程：0.05-200m，精度：1mm，分辨率：1mm/0.1mm，采样频率：2HZ-15HZ，工作温度：-10℃-50℃，存储温度：-30℃-80℃，工作电压：直流5V/9-18V，功耗：1.5W，输出格式：RS232、RS485、0-5V、0-10V、4-20mA、PNP，光斑直径：10mm@50m，尺寸：45X70X150mm；通常技术参数在上述描述范围内的其它型号激光动态距离传感器都可以满足要求。
参见图1，在具体应用实例中，可以选用NI公司生产的数据采集器，要求数据采集器的技术参数与动态位移传感器1的技术参数相匹配。
参见图1，进一步的，所述动态位移传感器1与最高的变电联合构架监测点2所构成的仰角不超过30°。
参见图1，本在线监测系统实现了对变电联合构架监测点2的风振系数值的实时检测，且能够通过风振系数的变化判断联合构架的健康状况及其变化趋势，通过历史数据分析对变电联合构架的运行风险进行评估。
具体实施例二：
参见图2、图3，一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测方法，包括下面的步骤：
步骤一，使用激光远距离位移检测技术利用动态位移传感器1检测和采集变电联合构架监测点2在风荷载作用下的动态位移信号H1(z,t)；此处z为无风状态下变电联合构架监测点2距离地面的高度、t为时间。此处变电联合构架监测点2在风荷载作用下的动态位移信号H1(z,t)为顺风向的动态位移信号，H1(z,t)为顺风向的变电联合构架监测点2至动态位移传感器2的距离值。
步骤二，动态位移传感器1将采集到的变电联合构架监测点2在风荷载作用下的动态位移信号H1(z,t)输入到数据采集器进行分析处理，数据采集器经过分析处理得到并输出变电联合构架监测点2的动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)，此处N为采样点数。
步骤三，计算机对采集的动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)进行处理和分析，得到变电联合构架监测点2的动态距离数字信号平均值
步骤四，计算机计算出变电联合构架监测点2在平均风压作用下产生的顺风向位移值和脉动风压产生的顺风向位移脉动值yd(z,n)(n＝1,2,…,N)。
步骤五，计算机计算出脉动风压引起的变电构架监测点2的位移有效值RMS(yd)。
步骤六，计算机计算出变电联合构架监测点2的风振系数βy(z)。
具体的，所述步骤三中的变电联合构架监测点2的动态距离数字信号平均值根据下面的式(1)计算得出：
参见图3，具体的，所述步骤四中变电联合构架监测点2在平均风压作用下产生的顺风向位移值根据动态距离数字信号平均值无风状态下的变电联合构架监测点2至动态位移传感器1的距离值H0(z)通过下面的式(2)～(5)计算得出：
Δθ＝θ-θ′(弧度) (4)
其中θ为无风状态下动态位移传感器1和变电联合构架监测点2之间的连线与水平面的夹角，θ′为风载荷作用下动态位移传感器1和变电联合构架监测点2之间的连线与水平面的夹角；此处无风状态下的变电联合构架监测点2至动态位移传感器1的距离值H0(z)是在无风状态下通过动态位移传感器1直接测取的，它表示无风静止下的一个距离值。图3中粗实线通过的黑点为无风状态下变电联合构架监测点2位置，粗虚线通过的黑点为风载荷作用下变电联合构架监测点2位置。
具体的，所述步骤四中变电联合构架监测点2在脉动风压产生的顺风向位移脉动值yd(z,n)(n＝1,2,…,N)根据H1(z,n)(n＝1,2,…,N)、动态距离数字信号平均值和脉动风压产生的监测点的波动距离值Hd(z,n)(n＝1,2,…,N)通过下面的式(7)计算得出，其中脉动风压产生的监测点的波动距离值Hd(z,n)(n＝1,2,…,N)通过下面的式(6)计算得出：
yd(z,n)＝Hd(z,n)cosθ (7)。
具体的，所述步骤五中脉动风压引起的变电构架监测点的位移有效值RMS(yd)根据脉动风压产生的顺风向位移脉动值yd(z,n)(n＝1,2,…,N)通过下面的式(8)计算得出：
具体的，所述步骤六中的变电联合构架监测点2的风振系数βy(z)根据顺风向位移值和RMS[yd(z)]通过下面的式(9)计算得出：
参见图2、图3，本在线监测方法利用激光远距离位移检测技术获得变电联合构架监测点2的动态位移信号H1(z,t)，经数据采集器得到并输出动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)，通过计算机最终得到变电联合构架监测点2的风振系数βy(z)，从而实现在变电站运行过程中对变电联合构架监测点2的风振系数进行快速、准确的实时监测，因此能够及时准确地反映出变电联合构架的运行可靠性情况，为变电站的可靠运行提供有力保障。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测系统，其特征在于，包括动态位移传感器(1)、数据采集器和计算机，所述的动态位移传感器(1)安装于变电联合构架正向和侧向，动态位移传感器(1)与变电联合构架基础位于同一水平面，且动态位移传感器(1)与变电联合构架之间无遮挡物，所述的动态位移传感器(1)和数据采集器之间数据连接，所述的数据采集器和计算机之间相连接，所述的动态位移传感器(1)用来采集变电联合构架监测点(2)的动态位移信号H1(z,t)，所述的数据采集器接收动态位移传感器(1)输出的动态位移信号H1(z,t)并输出变电联合构架监测点(2)的动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)，所述的计算机将动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)转换为变电联合构架监测点(2)的风振系数值。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测系统，其特征在于：所述的动态位移传感器(1)为激光远距离动态高精度位移传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测系统，其特征在于：所述动态位移传感器(1)与最高的变电联合构架监测点(2)所构成的仰角不超过30°。
4.一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测方法，其特征在于，包括下面的步骤：
步骤一，使用激光远距离位移检测技术检测和采集变电联合构架监测点(2)在风荷载作用下的动态位移信号H1(z,t)，此处z为无风状态下变电联合构架监测点(2)距离地面的高度、t为时间；
步骤二，将采集到的变电联合构架监测点(2)在风荷载作用下的动态位移信号H1(z,t)输入到数据采集器进行分析处理，数据采集器经过分析处理得到并输出变电联合构架监测点(2)的动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)，此处N为采样点数；
步骤三，计算机对采集的动态距离数字信号H1(z,n)(n＝1,2,…,N)进行处理和分析，得到变电联合构架监测点(2)的动态距离数字信号平均值
步骤四，计算出变电联合构架监测点(2)在平均风压作用下产生的顺风向位移值和脉动风压产生的顺风向位移脉动值yd(z,n)(n＝1,2,…,N)；
步骤五，计算出脉动风压引起的变电构架监测点(2)的位移有效值RMS(yd)；
步骤六，计算出变电联合构架监测点(2)的风振系数βy(z)。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测方法，其特征在于，所述步骤三中的变电联合构架监测点的动态距离数字信号平均值根据下面的式(1)计算得出：
6.根据权利要求4所述的一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测方法，其特征在于，所述步骤四中变电联合构架监测点(2)在平均风压作用下产生的顺风向位移值根据动态距离数字信号平均值无风状态下的变电联合构架监测点(2)至动态位移传感器(1)的距离值H0(z)通过下面的式(2)～(5)计算得出：
Δθ＝θ-θ′(弧度) (4)
其中θ为无风状态下动态位移传感器(1)和变电联合构架监测点(2)之间的连线与水平面的夹角，θ′为风载荷作用下动态位移传感器(1)和变电联合构架监测点(2)之间的连线与水平面的夹角；
所述步骤四中变电联合构架监测点(2)在脉动风压产生的顺风向位移脉动值yd(z,n)(n＝1,2,…,N)根据H1(z,n)(n＝1,2,…,N)、动态距离数字信号平均值和脉动风压产生的监测点的波动距离值Hd(z,n)(n＝1,2,…,N)通过下面的式(7)计算得出，其中脉动风压产生的监测点的波动距离值Hd(z,n)(n＝1,2,…,N)通过下面的式(6)计算得出：
yd(z,n)＝Hd(z,n)cosθ (7)。
7.根据权利要求4所述的一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测方法，其特征在于，所述步骤五中脉动风压引起的变电构架监测点(2)的位移有效值RMS(yd)根据脉动风压产生的顺风向位移脉动值yd(z,n)(n＝1,2,…,N)通过下面的式(8)计算得出：
8.根据权利要求4所述的一种基于激光测距的变电联合构架风振系数在线监测方法，其特征在于，所述步骤六中的变电联合构架监测点(2)的风振系数根据顺风向位移值和RMS(yd)通过下面的式(9)计算得出：
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