CN111811476B - 一种在线三维杆塔倾角及扭角监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线三维杆塔倾角及扭角监测系统及方法，包括倾角扭角测量传输单元、信号收发单元、远程数据传输单元和数据处理及服务单元，倾角扭角测量传输单元安装在输电杆塔上；倾角扭角测量传输单元与信号收发单元无线通信连接，信号收发单元与远程数据传输单元无线通信连接；远程数据传输单元连接到数据处理及服务单元。本发明在杆塔上安装三个倾角及扭角测量及数据传输单元，对杆塔姿态进行实时监测，不仅能够监测杆塔的倾角和扭角，还能根据各传感器数据判断出杆塔倾角产生的原因，为实现杆塔的状态检修提供依据，有效保障电网的安全稳定运行。

Description

一种在线三维杆塔倾角及扭角监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种在线三维杆塔倾角及扭角监测系统及方法，属于杆塔倾角扭角监测技术领域。

背景技术

杆塔是输电线路的重要组成部分，其稳定性关系到电网的安全运行，但由于输电线路拉力变化、基础下沉等原因，当超过杆塔的承受能力时，杆塔就会发生倾斜甚至倒塌，给电网运行带来巨大安全隐患。

当前的杆塔倾斜采用二维倾斜传感器对杆塔状态进行监测，由于缺少必要的监测参数，难以对杆塔倾斜产生的原因进行有效分析，即不能有效辨别出杆塔倾斜式由于杆塔倾斜引起的还是由于输电线路拉力变化引起的。

特别是在高海拔地区山区地带，当覆冰严重时必然会引起输电线路拉力的大幅改变，当杆塔两侧拉力不一致时，必然会引起杆塔的倾斜。同时，由于高海拔山区地形结构复杂，杆塔基础发生沉降的可能性较大，如能及时分辨出杆塔倾斜的原因，提前做好预防，对保证电网安全运行有重要意义。同时，由于高海拔山区地形结构复杂的原因，杆塔两侧的输电线路可能不在一条直线上，在输电线路长时间拉力的作用下，杆塔存在扭转的可能，为保证输电线路的安全，需要对这一扭转角度进行监测，而目前的杆塔倾斜监测装置是无法实现的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种在线三维杆塔倾角及扭角监测系统及方法，以解决目前杆塔倾斜监测装置和方法不能监测杆塔扭角的问题和不能判断杆塔倾斜原因进行判断的问题。

本发明采取的技术方案为：一种在线三维杆塔倾角及扭角监测系统，包括倾角扭角测量传输单元、信号收发单元、远程数据传输单元和数据处理及服务单元，倾角扭角测量传输单元安装在输电杆塔上；倾角扭角测量传输单元与信号收发单元无线通信连接，信号收发单元与远程数据传输单元无线通信连接；远程数据传输单元连接到数据处理及服务单元。

优选的，上述信号收发单元连接有太阳能发电蓄电单元。

优选的，上述倾角扭角测量传输单元采用三个，分别安装在杆塔顶部、离塔腿最近的输电线路横截面处、塔腿以上第一个横截面处。

优选的，上述倾角扭角测量传输单元包括倾角传感器、方向传感器、传感器数据采集及处理模块、传感器数据传输模块、太阳能供电模块，倾角传感器、方向传感器电连接到传感器数据采集及处理模块，传感器数据采集及处理模块连接有传感器数据传输模块和太阳能供电模块，传感器数据传输模块连接到信号收发单元。

优选的，上述传感器数据传输模块采用LoRa模块、WiFi模块、射频模块、蓝牙模块、GPRS模块、4G模块或5G模块。

优选的，上述倾角传感器采用加速度传感器、陀螺仪或液体摆式倾角传感器。

优选的，上述倾角扭角测量传输单元通过螺栓固定连接在输电杆塔上。

一种在线三维杆塔倾角及扭角监测系统的监测方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1)，建立三维笛卡尔坐标系(X，Y，Z)，三维笛卡尔坐标系(X，Y，Z)的XOY与地平面平行，在杆塔没有发生倾斜时，倾角传感器(10)基准面与XOY重合，OA为倾角传感器(10)基准面的法向量，OA”为OA在平面XOZ上的投影，OA'为OA在平面YOZ上的投影，OX为顺线方向，OY为垂直导线方向，顺线倾角β为∠A”OX，横向倾角δ为∠A'OZ，综合倾角φ为∠XOA，OB为传感器基准面顺线方向向量，扭角α为∠XOB；

步骤(2)，获取三个倾角传感器测得的杆塔顺线倾角β₁、β₂、β₃、横向倾角δ₁、δ₂、δ₃，下标1、2、3表示倾角传感器的编号，下标1表示倾角传感器位于杆塔顶部，下标2表示倾角传感器位于离塔腿最近的输电线路横截面处，下标3表示倾角传感器位于塔腿以上第一个横截面处；

步骤(3)，计算出综合倾角φ₁、φ₂、φ₃：

步骤(4)，获取三个方向传感器(11)测得的扭角α₁、α₂、α₃，下标1、2、3表示方向传感器(11)的编号，下标1表示方向传感器(11)位于杆塔顶部，下标2表示方向传感器(11)位于离塔腿最近的输电线路横截面处，下标3表示方向传感器(11)位于塔腿以上第一个横截面处。

步骤(5)，当式(4)成立时，杆塔发生倾斜：

φ₁＞f(l) (4)

式中，l是杆塔总高度，f(l)表示不同杆塔高度及类型对应的杆塔倾斜角允许值；

步骤(6)，当式(4)、(5)成立时，表示杆塔由于基础下沉发生倾斜：

步骤(7)，当式(4)、(6)成立时，杆塔由于输电线路拉力变化引起的倾斜：

式中，l₃表示塔腿以上第一个横截面距离杆塔基础上表面的距离，k为杆塔的刚度系数，f(l,l₃,k)表示杆塔不同传感器之间的允许偏差值；

步骤(8)，当式(7)成立时，杆塔发生扭转：

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明在杆塔上安装三个倾角及扭角测量及数据传输单元，对杆塔姿态进行实时监测，不仅能够监测杆塔的倾角和扭角，还能根据各传感器数据判断出杆塔倾角产生的原因，为实现杆塔的状态检修提供依据，有效保障电网的安全稳定运行，有效解决了目前杆塔倾斜监测装置和方法不能监测杆塔扭角的问题和不能判断杆塔倾斜原因进行判断的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是倾角扭角测量传输单元结构示意图；

图3是笛卡尔坐标系图；

图4是扭角测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图2所示，一种在线三维杆塔倾角及扭角监测系统，包括倾角扭角测量传输单元2、信号收发单元3、远程数据传输单元5和数据处理及服务单元6，倾角扭角测量传输单元2通过螺栓固定连接在输电杆塔1上，在任何情况下，保证倾角扭角测量传输单元2与固定点相对静止，倾角扭角测量传输单元2与信号收发单元3无线通信连接，信号收发单元3与远程数据传输单元5无线通信连接；远程数据传输单元5连接到数据处理及服务单元6。

倾角扭角测量传输单元2采集到的杆塔倾角信号及扭角信号通过无线信号传输到信号收发单元3，信号收发单元3将数据发送给远程数据传输单元5，太阳能发电蓄电单元4为信号收发单元3提供电能；

远程数据传输单元5将倾角扭角测量数据传输给数据处理及服务单元6，数据处理及服务单元6接收到数据后，对数据进行分析处理，对输电杆塔1的姿态做出判断，并提供数据查询、显示、报警功能。

优选的，上述信号收发单元3连接有太阳能发电蓄电单元4。

优选的，上述倾角扭角测量传输单元2采用三个，分别安装在杆塔顶部、离塔腿最近的输电线路横截面处、塔腿以上第一个横截面处；倾角扭角测量传输单元2包括倾角传感器10、方向传感器11、传感器数据采集及处理模块12、传感器数据传输模块13、太阳能供电模块14，倾角传感器10、方向传感器11电连接到传感器数据采集及处理模块12，传感器数据采集及处理模块12连接有传感器数据传输模块13和太阳能供电模块14，太阳能供电模块14给传感器数据采集及处理模块12提供电能，传感器数据传输模块13连接到信号收发单元3；传感器数据传输模块13采用LoRa模块、WiFi模块、射频模块、蓝牙模块、GPRS模块、4G模块或5G模块。

数据采集及处理模块12对倾角传感器10、方向传感器11感知到的杆塔姿态数据进行采集处理，并将数据传输给传感器数据传输模块13，传感器数据传输模块13接受到杆塔姿态数据后，将数据以无线方式传送给信号收发单元3。

优选的，上述倾角传感器10采用加速度传感器、陀螺仪或液体摆式倾角传感器。

实施例2：一种在线三维杆塔倾角及扭角监测系统的监测方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1)，如图3所示，建立三维笛卡尔坐标系(X，Y，Z)，三维笛卡尔坐标系(X，Y，Z)的XOY与地平面平行，在杆塔没有发生倾斜时，倾角传感器(10)基准面与XOY重合，OA为倾角传感器(10)基准面的法向量，OA”为OA在平面XOZ上的投影，OA'为OA在平面YOZ上的投影，OX为顺线方向，OY为垂直导线方向，顺线倾角β为∠A”OX，横向倾角δ为∠A'OZ，综合倾角φ为∠XOA，如图4所示，OB为传感器基准面顺线方向向量，扭角α为∠XOB；

步骤(2)，获取三个倾角传感器10测得的杆塔顺线倾角β₁、β₂、β₃、横向倾角δ₁、δ₂、δ₃，下标1、2、3表示倾角传感器10的编号，下标1表示倾角传感器10位于杆塔顶部，下标2表示倾角传感器10位于离塔腿最近的输电线路横截面处，下标3表示倾角传感器10位于塔腿以上第一个横截面处；

步骤(3)，计算出综合倾角φ₁、φ₂、φ₃：

步骤(4)，获取三个方向传感器11测得的扭角α₁、α₂、α₃，下标1、2、3表示方向传感器11的编号，下标1表示方向传感器11位于杆塔顶部，下标2表示方向传感器11位于离塔腿最近的输电线路横截面处，下标3表示方向传感器11位于塔腿以上第一个横截面处。

步骤(5)，当式(4)成立时，杆塔发生倾斜：

φ₁＞f(l) (4)

式中，l是杆塔总高度，f(l)表示不同杆塔高度及类型对应的杆塔倾斜角允许值；

步骤(6)，当式(4)、(5)成立时，表示杆塔由于基础下沉发生倾斜：

步骤(7)，当式(4)、(6)成立时，杆塔由于输电线路拉力变化引起的倾斜：

式中，l₃表示塔腿以上第一个横截面距离杆塔基础上表面的距离，k为杆塔的刚度系数，f(l,l₃,k)表示杆塔不同传感器之间的允许偏差值；

步骤(8)，当式(7)成立时，杆塔发生扭转：

本发明在杆塔上安装三个倾角扭角测量传输单元，对杆塔姿态进行实时监测，通过对多个传感器数据的分析，实现对杆塔的倾角和扭角的实时监测，同时，对传感器数据进行多参数融合分析，提取杆塔基础下沉和输电线路拉力变化的参数信息，实现对杆塔倾斜原因的判断，为实现杆塔的状态预判有重要意义，能有效保障电网的安全稳定运行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种在线三维杆塔倾角及扭角监测系统的监测方法，其特征在于：所述监测系统包括倾角扭角测量传输单元(2)、信号收发单元(3)、远程数据传输单元(5)和数据处理及服务单元(6)，倾角扭角测量传输单元(2)安装在输电杆塔(1)上；倾角扭角测量传输单元(2)与信号收发单元(3)无线通信连接，信号收发单元(3)与远程数据传输单元(5)无线通信连接；远程数据传输单元(5)连接到数据处理及服务单元(6)；信号收发单元(3)连接有太阳能发电蓄电单元(4)；倾角扭角测量传输单元(2)采用三个，分别安装在杆塔顶部、离塔腿最近的输电线路横截面处、塔腿以上第一个横截面处；倾角扭角测量传输单元(2)包括倾角传感器(10)、方向传感器(11)、传感器数据采集及处理模块(12)、传感器数据传输模块(13)、太阳能供电模块(14)，倾角传感器(10)、方向传感器(11)电连接到传感器数据采集及处理模块(12)，传感器数据采集及处理模块(12)连接有传感器数据传输模块(13)和太阳能供电模块(14)，传感器数据传输模块(13)连接到信号收发单元(3)；传感器数据传输模块(13)采用LoRa模块、WiFi模块、射频模块、蓝牙模块、GPRS模块、4G模块或5G模块；倾角传感器(10)采用加速度传感器、陀螺仪或液体摆式倾角传感器；倾角扭角测量传输单元(2)通过螺栓固定连接在杆塔上；所述监测方法包括以下步骤：

步骤(1)，建立三维笛卡尔坐标系(X，Y，Z)，三维笛卡尔坐标系(X，Y，Z)的XOY与地平面平行，在杆塔没有发生倾斜时，倾角传感器(10)基准面与XOY重合，OA为倾角传感器(10)基准面的法向量，OA”为OA在平面XOZ上的投影，OA'为OA在平面YOZ上的投影，OX为顺线方向，OY为垂直导线方向，顺线倾角β为∠A”OX，横向倾角δ为∠A'OZ，综合倾角φ为∠XOA，OB为传感器基准面顺线方向向量，扭角α为∠XOB；

步骤(2)，获取三个倾角传感器(10)分别测得的杆塔顺线倾角β₁、β₂、β₃、横向倾角δ₁、δ₂、δ₃，下标1、2、3表示倾角传感器(10)的编号，下标1表示倾角传感器(10)位于杆塔顶部，下标2表示倾角传感器(10)位于离塔腿最近的输电线路横截面处，下标3表示倾角传感器(10)位于塔腿以上第一个横截面处；

步骤(3)，计算出综合倾角φ₁、φ₂、φ₃：

步骤(4)，获取三个方向传感器(11)分别测得的扭角α₁、α₂、α₃，下标1、2、3表示方向传感器(11)的编号，下标1表示方向传感器(11)位于杆塔顶部，下标2表示方向传感器(11)位于离塔腿最近的输电线路横截面处，下标3表示方向传感器(11)位于塔腿以上第一个横截面处；

步骤(5)，当式(4)成立时，杆塔发生倾斜：

φ₁＞f(l) (4)

式中，l是杆塔总高度，f(l)表示不同杆塔高度及类型对应的杆塔倾斜角允许值；

步骤(6)，当式(4)、(5)成立时，表示杆塔由于基础下沉发生倾斜：

步骤(7)，当式(4)、(6)成立时，杆塔由于输电线路拉力变化引起的倾斜：

式中，l是杆塔总高度，l₃表示塔腿以上第一个横截面距离杆塔基础上表面的距离，k为杆塔的刚度系数，f(l,l₃,k)表示杆塔不同传感器之间的允许偏差值；

步骤(8)，当式(7)成立时，杆塔发生扭转：