CN109798853A - 一种输电塔结构健康监测方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明的输电塔结构健康监测方法，包括步骤：获取输电塔的加速度信号，进行预处理后进行数据压缩然后通过无线方式发送；接收数据并对其进行恢复；针对恢复后的数据求解其固有频率；设定判别条件进行判断。本发明的输电塔结构健康监测设备，包括设置于输电塔上振动加速度传感模块，振动加速度传感模块连接于分析仪，振动加速度传感模块用于获取加速度信号、进行预处理、压缩后进行无线传输，分析仪用于数据恢复并计算固有频率进行判定。本发明通过获取输电塔的振动加速度信号，预处理后压缩数据进行无线传输，然后重构恢复数据后计算前后两段时间内的固有频率的平均值差，判断输电塔的健康状况，实现了对输电塔结构健康的实时监测。

Description

一种输电塔结构健康监测方法及设备

技术领域

本发明属于输电线路检测技术领域，具体涉及一种输电塔结构健康监测 方法，还涉及实现该检测方法的健康监测设备。

背景技术

输电塔在输电线路中起着非常重要的作用，但是由于运行环境的特殊性， 会出现一些例如倒塌、折断等事故。尽管铁塔的结构也进行了改进，也仍然 不能避免出现损坏的风险。而这些事故均是由于受力异常导致，而倾斜、沉 降都是导致受力异常的原因。现有技术中基于倾角传感器的监测方法是针对 明显倾斜进行监测，基于图像处理的方法只能对较大的变形进行识别，但是 塔材出现显著变形时，铁塔已经处于危险状态；而输电塔在局部损伤、较小 变形时，现有技术的这些方法均无法进行监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输电塔结构健康监控方法，其通过获取输电 塔身的振动加速度信号，然后通过计算其固有频率变化即可实现对输电塔局 部损伤、微小变形的实时监测，从而可在事故萌芽阶段及时处理，为输电线 路安全运行提供保障。

本发明的目的还在于提供一种实现上述监测方法的设备。

本发明所采用的一种技术方案是：一种输电塔结构健康监测方法，包括 步骤：

步骤1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后对 信号进行预处理后进行数据压缩然后通过无线方式发送；

步骤2，通过无线方式接收压缩后的数据并对其进行恢复；

步骤3，针对恢复后的数据求解其固有频率，并求其在某一时间段内的 平均值；

步骤4，设定判别的时间段和频率变化阈值，如果固有频率平均值的变 化值超过设定的频率变化阈值则判定输电塔结构发生损伤，否则判定输电塔 结构健康。

进一步地，所述步骤1具体为：

步骤1.1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后 通过均值法滤除其直流分量，然后利用最小二乘函数进行拟合，消除加速度 信号出现偏离极限的趋势项：

上式中，k表示采样点编号，表示第k个采样点的趋势项，a₀至a_m均为系数，m为该式的阶次；

消除趋势项的加速度为：

其中，x(k)表示传感器第k个采样点去除趋势项后的加速度，x′(k)表示 传感器第k个采样点测量加速度；

步骤1.2，将预处理后的数据进行压缩：

A₀＝Ψ₀·a+e

其中，a是加速度信号的原始数据，n阶向量；Ψ₀是压缩矩阵，m×n 阶矩阵，e是随机噪声；A₀是压缩后的加速度数据，m阶向量；

然后将A₀通过无线方式进行发送。

进一步地，所述步骤2具体为：

通过无线方式接收会存在数据丢失情况，因此接收到的加速度数据标记 为A₁，根据采样频率和时间标签，确定丢失数据的位置，并去掉Ψ₀对应的 列，得到新的压缩矩阵Ψ₁，采用CS方法进行数据重构，恢复丢失的数据：

A₁＝Ψ₁·a+e＝Ψ₁Hx+e (3)

其中，H是小波基矩阵，x是基变换系数；

通过求解1-范数最优化的方法求解x：

其中，ε是误差上限；

将式(4)代入式(3)中，重构恢复出数据a。

进一步地，所述步骤3中，采用协方差驱动的随机子空间方法，求解出 固有频率。

事例性地，所述步骤4中，判别的时间段为相邻的两个小时，频率变化 阈值为0.5Hz。

本发明所采用的另一种技术方案是：一种输电塔结构健康监测设备，包 括若干个设置于输电塔上不同采样点的振动加速度传感模块，所述若干个振 动加速度传感模块均通过无线方式信号连接于分析仪，所述分析仪预存有平 均振动频率范围，所述若干个振动加速度传感模块用于间隔采样并将采样信 号压缩处理后传输给所述分析仪，所述分析仪用于根据接收到的压缩数据进 行恢复，然后根据恢复的数据计算相邻两个时间段内的平均振动频率差、并 判断所述平均振动频率差是否处于所述预警频率范围得到所述输电塔结构 的健康状况。

进一步的，所述分析仪包括相连的无线接收模块和处理模块，所述若干 个振动加速度传感模块均包括相连的传感信号获取单元、微处理单元以及无 线发送模块，所述微处理单元和处理模块之间通过无线发送模块和无线接收 模块实现无线信号传输。

事例性的，所述无线接收模块为zigbee模块。

进一步的，所述健康监测设备还包括监控中心，所述分析仪还包括与所 述处理模块相连的无线发射模块，所述分析仪的处理模块和所述监控中心通 过所述无发射模块实现无线信号传输。

进一步的，所述分析仪连接有风速风向传感器。

本发明的有益效果是：本发明的输电塔结构健康监测方法及设备，通过 获取输电塔上不同采样点的振动加速度信号，预处理后压缩数据进行无线传 输，然后重构恢复数据后计算前后两段时间内的固有频率的平均值，并与预 设的预警频率差值进行比较得出输电塔的健康状况，进一步还可向监控中心 进行报警，从而实现了对输电塔结构健康的实时监测，为输电线路的安全运 行提供保障。

附图说明

图1是本发明的输电塔结构健康监控方法的流程图；

图2是本发明实施例经过无线传输后的数据的加速度变化图；

图3是本发明实施例经过数据重构后的加速度变化图；

图4是本发明实施例测量数据的结果图；

图5是本发明的输电塔结构健康监测设备的结构示意图。

图中，1.振动加速度传感模块，2.风速风向传感器，3.分析仪，4.监控中 心，31.zigBee模块，32.处理模块，33.3G模块，34.电源模块。

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。

参见图1，本发明提供一种输电塔结构健康监测方法，包括步骤：

步骤1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后对 信号进行预处理后进行数据压缩然后通过无线方式发送，具体为：

步骤1.1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后 通过均值法滤除其直流分量，然后利用最小二乘函数进行拟合，消除加速度 信号出现偏离极限的趋势项：

上式中，k表示采样点编号，表示第k个采样点的趋势项，a₀至a_m均为系数，m为该式的阶次；

消除趋势项的加速度为：

其中，x(k)表示传感器第k个采样点去除趋势项后的加速度，x′(k)表示 传感器第k个采样点测量加速度；

步骤1.2，将预处理后的数据进行压缩：

A₀＝Ψ₀·a+e

其中，a是加速度信号的原始数据，n阶向量；Ψ₀是压缩矩阵，m×n 阶矩阵，e是随机噪声；A₀是压缩后的加速度数据，m阶向量；

然后将A₀通过无线方式进行发送。

步骤2，通过无线方式接收压缩后的数据并对其进行恢复，具体为：

通过无线方式接收会存在数据丢失情况，因此接收到的加速度数据标记 为A₁，根据采样频率和时间标签，确定丢失数据的位置，并去掉Ψ₀对应的 列，得到新的压缩矩阵Ψ₁，采用CS方法进行数据重构，恢复丢失的数据：

A₁＝Ψ₁·a+e＝Ψ₁Hx+e (3)

其中，H是小波基矩阵，x是基变换系数；

通过求解1-范数最优化的方法求解x：

其中，ε是误差上限，满足||e||₂≤ε，但ε越小，计算结果越精确，但计 算时间越长因此ε可根据情况进行设定；

将式(4)代入式(3)中，重构恢复出数据a。

步骤3，针对恢复后的数据求解其固有频率，并求其在某一时间段内的 平均值；事例性的，可以采用协方差驱动的随机子空间方法，求解出固有频 率。

步骤4，设定判别的时间段和频率变化阈值，如果固有频率平均值的变 化值超过设定的频率变化阈值则判定输电塔结构发生损伤，否则判定输电塔 结构健康。事例性地，判别的时间段为相邻的两个小时，频率变化阈值可以 为0.5Hz。

参见图5，本发明还提供一种实现上述监测方法的输电塔结构健康监测 设备，包括若干个设置于输电塔上不同采样点的振动加速度传感模块1，若 干个振动加速度传感模块1均通过无线方式信号连接于分析仪3，分析仪3 预存有平均振动频率范围，若干个振动加速度传感模块1用于间隔采样并将 采样信号压缩处理后传输给分析仪3，分析仪3用于根据接收到的压缩数据 进行恢复，然后根据恢复的数据计算相邻两个时间段内的平均振动频率差、 并判断平均振动频率差是否处于预警频率范围得到所述输电塔结构的健康 状况。

具体的，分析仪3包括相连的无线接收模块和处理模块32，若干个振动 加速度传感模块1均包括相连的传感信号获取单元、微处理单元以及无线发 送模块，微处理单元和处理模块32之间通过无线发送模块和无线接收模块 实现无线信号传输。事例性的，无线接收模块为zigbee模块31。无线传输 方式可以避免在输电塔上布置大量的连接线，也就避免了过多连接线对铁塔 结构的影响，同时避免了连接线长期在户外运行产生的老化问题。

进一步的，本发明的健康监测设备还包括监控中心4，分析仪3还包括 与处理模块32相连的无线发射模块，分析仪的处理模块32和监控中心4之 间通过无线发射模块实现无线信号传输。本实施例中，无线发射模块选择3G 模块33。当然监控中心4也可以通过3G模块33向分析仪3传输处理信息 或配置信息。

进一步的，分析仪3连接有风速风向传感器2。分析仪3还采集输电塔 附近的风速风向信号传输给监控中心4，以对输电塔附近的环境进行了解。

下面通过具体实施例对本发明的监测方法进行详细说明。

本实施例将输电塔结构健康监测设备在110kV输电塔实验，塔型为猫头 塔，塔高21米，振动加速度传感模块的采样频率为200Hz，采集20分钟数 据。参见图2，压缩后无线传输数据的丢失率为10％，这是典型的丢包情况。 从图3中可以看出，通过数据重构，可以减小数据丢失造成的误差。

针对对该输电塔结构变化进行监测。实验人员分别在没有变形和变形后 连续进行了连续9个小时的实验，采样频率选择200Hz，每十分钟的数据进 行一次分析。实验结果如图4所示。显然的，尽管塔腿在同一种状态下，识 别的固有频率仍然有小幅度的波动，这是由于本身识别有一定的误差，并且 温度变化，可能也会引起固有频率的变化。然而，在塔腿抬升后(实验中抬 升了5mm)，可以看出各阶固有频率明显下降。具体的，塔腿抬升前的最小 值和抬升后的最大值，差值分别为0.2999Hz、-0.19Hz、0.3798Hz。这表明 尽管从图4来看，变形前后频率发生了变化，但是假如单独用两个测量值分 析，不能确定是否发生了形变。然而，从长时间的监测可以发现，不同阶的 固有频率的平均值差值分别为0.7323Hz、0.573Hz、0.7491Hz。显然，三阶 固有频率平均值都有较明显的变化，可以判断该输电塔结构发生损伤。因此 在实际应用中，可以通过数小时监测，取得其固有频率的平均值作为判断依 据。

Claims (10)

1.一种输电塔结构健康监测方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后对信号进行预处理后进行数据压缩然后通过无线方式发送；

步骤2，通过无线方式接收压缩后的数据并对其进行恢复；

步骤3，针对恢复后的数据求解其固有频率，并求其在某一时间段内的平均值；

步骤4，设定判别的时间段和频率变化阈值，如果固有频率平均值的变化值超过设定的频率变化阈值则判定输电塔结构发生损伤，否则判定输电塔结构健康。

2.如权利要求1所述的输电塔结构健康监测方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

步骤1.1，在输电塔上设置不同采样点获取输电塔的加速度信号，然后通过均值法滤除其直流分量，然后利用最小二乘函数进行拟合，消除加速度信号出现偏离极限的趋势项：

上式中，k表示采样点编号，表示第k个采样点的趋势项，a₀至a_m均为系数，m为该式的阶次；

消除趋势项的加速度为：

其中，x(k)表示传感器第k个采样点去除趋势项后的加速度，x′(k)表示传感器第k个采样点测量加速度；

步骤1.2，将预处理后的数据进行压缩：

A₀＝Ψ₀·a+e

其中，a是加速度信号的原始数据，n阶向量；Ψ₀是压缩矩阵，m×n阶矩阵，e是随机噪声；A₀是压缩后的加速度数据，m阶向量；

然后将A₀通过无线方式进行发送。

3.如权利要求2所述的输电塔结构健康监测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

通过无线方式接收会存在数据丢失情况，因此接收到的加速度数据标记为A₁，根据采样频率和时间标签，确定丢失数据的位置，并去掉Ψ₀对应的列，得到新的压缩矩阵Ψ₁，采用CS方法进行数据重构，恢复丢失的数据：

A₁＝Ψ₁·a+e＝Ψ₁Ηx+e (3)

其中，H是小波基矩阵，x是基变换系数；

通过求解1-范数最优化的方法求解x：

其中，ε是误差上限；

将式(4)代入式(3)中，重构恢复出数据a。

4.如权利要求1所述的输电塔结构健康监测方法，其特征在于，所述步骤3中，采用协方差驱动的随机子空间方法，求解出固有频率。

5.如权利要求1所述的输电塔结构健康监测方法，其特征在于，所述步骤4中，判别的时间段为相邻的两个小时，频率变化阈值为0.5Hz。

6.一种输电塔结构健康监测设备，其特征在于，包括若干个设置于输电塔上不同采样点的振动加速度传感模块，所述若干个振动加速度传感模块均通过无线方式信号连接于分析仪，所述分析仪预存有平均振动频率范围，所述若干个振动加速度传感模块用于间隔采样并将采样信号压缩处理后传输给所述分析仪，所述分析仪用于根据接收到的压缩数据进行恢复，然后根据恢复的数据计算相邻两个时间段内的平均振动频率差、并判断所述平均振动频率差是否处于所述预警频率范围得到所述输电塔结构的健康状况。

7.如权利要求6所述的输电塔结构健康监测设备，其特征在于，所述分析仪包括相连的无线接收模块和处理模块，所述若干个振动加速度传感模块均包括相连的传感信号获取单元、微处理单元以及无线发送模块，所述微处理单元和处理模块之间通过无线发送模块和无线接收模块实现无线信号传输。

8.如权利要求7所述的输电塔结构健康监测设备，其特征在于，所述无线接收模块为zigbee模块。

9.如权利要求7所述的输电塔结构健康监测设备，其特征在于，所述健康监测设备还包括监控中心，所述分析仪还包括与所述处理模块相连的无线发射模块，所述分析仪的处理模块和所述监控中心通过所述无发射模块实现无线信号传输。

10.如权利要求6所述的输电塔结构健康监测设备，其特征在于，所述分析仪连接有风速风向传感器。