CN111854687A - 输电杆塔沉降量在线监测系统及监测方法 - Google Patents

输电杆塔沉降量在线监测系统及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种输电杆塔沉降量在线监测系统，同时还公开了一种输电杆塔沉降量在线监测系统的监测方法。首先利用安装在塔腿A和塔腿B上方横担靠近塔腿B处的无线单轴倾角传感器a获取塔腿A和塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值；安装在塔腿B和塔腿C上方横担靠近塔腿C处的无线单轴倾角传感器b获取塔腿B和塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值；安装在塔腿C和塔腿D上方横担靠近塔腿D处无线单轴倾角传感器c获取塔腿C和塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值；计算出输电杆塔的沉降值；最后根据各塔腿的沉降值决定是否对运行中的输电杆塔进行修正。本发明实现对杆塔塔基沉降量监测、及时、有效的提醒工作人员杆塔运行情况。

Description

输电杆塔沉降量在线监测系统及监测方法
技术领域
本发明属于输电线路在线监测技术领域，具体涉及一种输电杆塔沉降量在线监测系统，本发明还涉及一种输电杆塔沉降量在线监测系统的监测方法。
背景技术
随着电网建设的加速和市场经济的推进，输电线路杆塔沉降对电网安全正常运行的危害越来越大。我国地理分布广泛，地质条件复杂多样，当输电线路经过煤炭开采区、软土质区、山坡地、沙漠地带、河床地带等不良地质区时，在自然环境和外界条件的作用下，杆塔基础时常会发生滑移、倾斜、沉降、开裂等现象，从而引起杆塔的变形、杆塔倾斜、甚至倒塔断线。杆塔倾斜将造成杆塔导地线的不平衡受力，引起杄塔受力发生变化，造成电气安全距离不够，影响线路正常运给人们的正常生产和生活带来严重影响，并造成了巨大的经济损失。。
输电杆塔基础沉降作为杆塔倾斜、杆塔的变形等灾害的罪魁祸首，一旦发生，造成的经济损失将难以估计，因此研制一套输电杆塔沉降量在线监测系统对于解决上述问题具有十分重要的意义。
目前，常规的杆塔沉降测量方法是采用北斗差分定位技术来监测杆塔的沉降位移，但仅适用于地形平坦的地区。而在一些地势陡峭的山区，由于受到观测点的限制，就无法按常规方法进行杆塔沉降测量因此迫切需要对现有杆塔沉降监测技术进行改进，实现对输电杆塔沉降量的在线监测，获得杆塔的沉降值信息，为线路安全运行提供保障。
发明内容
本发明的目的是提供一种输电杆塔沉降量在线监测系统，实现对杆塔塔基沉降量监测、及时、有效的提醒工作人员杆塔运行情况。
本发明的另一目的是提供一种输电杆塔沉降量在线监测系统的监测方法。
本发明所采用的第一技术方案是，输电杆塔沉降量在线监测系统，其特征在于，包括有多个杆塔沉降监测裝置和一个监测后台，多个杆塔沉降监测裝置均通过4G通信网络与所述监测后台连接。
本发明第一技术方案的特点还在于，
杆塔沉降监测裝置具体结构为：包括测量单元和监测主机，监测主机包括微处理器，微处理器外接有4G通信模块和LoRa模块，4G通信模块和LoRa模块构成通信单元，电源模块为微处理器、4G通信模块和LoRa模块供电，测量单元包括无线单轴倾角传感器a、无线单轴倾角传感器b和无线单轴倾角传感器c，无线单轴倾角传感器a、无线单轴倾角传感器b和无线单轴倾角传感器c分别通过LoRa模块与微处理器进行数据传输，无线单轴倾角传感器a设置于塔腿A和塔腿B上方横担靠近塔腿B处，无线单轴倾角传感器b设置于塔腿B和塔腿C上方横担靠近塔腿C处，无线单轴倾角传感器c设置于塔腿C和塔腿D上方横担靠近塔腿D处。
微处理器采用基于ARM Cotex-M4核的STM32L433CBT6互联型微控制器，所述电源模块包括太阳能板加蓄电池，无线单轴倾角传感器a、无线单轴倾角传感器b和无线单轴倾角传感器c结构相同，均采用基于3D微机电系统的高精度倾角传感器芯片。
本发明所采用的第二技术方案是，一种输电杆塔沉降量在线监测系统的监测方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、利用安装在塔腿A和塔腿B上方横担靠近塔腿B处的无线单轴倾角传感器a获取塔腿A和塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值；安装在塔腿B和塔腿C上方横担靠近塔腿C处的无线单轴倾角传感器b获取塔腿B和塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值；安装在塔腿C和塔腿D上方横担靠近塔腿D处无线单轴倾角传感器c获取塔腿C和塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值；
步骤2、利用经步骤1获取的塔腿A和塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值、塔腿B和塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值、塔腿C和塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值及监测主机内集成的杆塔沉降计算模型计算出输电杆塔的沉降值；
步骤3、将经步骤2计算得到的输电杆塔的塔腿B、塔腿C和塔腿D相对于塔腿A的沉降值经过4G通信模块传输至监测后台，工作人员根据监控中心的各塔腿的沉降值决定是否对运行中的输电杆塔进行修正。
本发明第二技术方案的特点还在于，
步骤2具体如下：
步骤2.1、将经步骤1获得的塔腿A和塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值、塔腿B、塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值、塔腿C、塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值通过LoRa模块发送到微处理器内；
步骤2.2、监测主机根据步骤2.1中获取到的塔腿A、塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值，塔腿B、塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值，塔腿C、塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值，并利用微处理器内的杆塔沉降计算模型计算岀输电杆塔旳塔腿B、塔腿C、塔腿D相对于塔腿A的沉降值。
步骤2.2中杆塔沉降计算模型如下：
塔腿A沉降值＝0；
塔腿B沉降值＝L1*tan(fabs(θ1-))；
塔腿C沉降值＝L2*tan(fabs(θ2))+塔腿B沉降值；
塔腿D沉降值＝L1*tan(fabs(θ3))+塔腿C沉降值；
其中，L1为塔腿A与塔腿B上方横档之间的距离，L2为塔腿B与塔腿C上方横档距离；θ1是经无线单轴倾角传感器a测得塔腿AB之间相对沉降后产生的角度；θ2是经无线单轴倾角传感器b测得塔腿BC之间相对沉降后产生的角度；θ3是经无线单轴倾角传感器a测得塔腿CD之间相对沉降后产生的角度。
本发明的有益效果是，本发明的输电杆塔沉降量在线监测系统中的双轴倾角传感器采用的是基于微机电系统(MEMS)的高精度倾角传感器芯片，用于测量物体相对于水平面的倾斜度，该倾角传感具有分辨率高、动态响应快、体积小、成本低及可靠性高等特点，还具有良好的防水、防潮和防尘能力。本发明的输电杆塔沉降量在线监测系统中采用LoRa通信方式连接无线单轴倾角传感器和微处理器，具有低功耗通信距离远易于建设和部署的优点。本发明的输电杆塔沉降量在线监测系统中的电源模块采用太阳能与蓄电池组合使用，有效解决了因电源馈电影响正常工作的问题。本发明的特高压杆塔沉降量在线监测系统可适应特殊地形和极端气候，不受自然环境和外界条件的影响。本发明的特高压杆塔沉降量在线监测方法中建立了杆塔沉降模型，得出了塔腿B、C、D相对于塔腿A的计算公式。本发明的输电杆塔沉降量在线监测方法是根据无线单轴倾角传感器采集的塔腿之间的倾斜角度，计算出沉降量，再通过4G通信网络发送到监测后台。
附图说明
图1是本发明的输电杆塔沉降量在线监测系统的结构示意图；
图2是本发明的输电杆塔沉降量在线监测系统中的杆塔倾斜监测装置的结构；
图3是本发明的输电杆塔沉降量在线监测系统中监测装置安装示意图；
图4(a)是塔腿B相对塔腿A沉降值模型图；
图4(b)是塔腿C相对塔腿B沉降值模型图；
图4(c)是塔腿D相对塔腿C沉降值模型图。
图中，1.监测浒苔，2.杆塔沉降量监测装置，3.测量单元，3-1.无线倾角传感器a，3-2.无线倾角传感器b，3-3.无线倾角传感器c，4.监测主机，4-1.微处理器，4-2.4G通信模块，4-3.LoRa通信，4-4.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。
本发明一种沉降量在线监测系统，结构图如图1、图2、图3所示，包括有多个杆塔沉降监测裝置2和一个监测后台1，多个杆塔沉降监测裝置2均通过4G通信网络与所述监测后台1连接。
杆塔沉降监测裝置2具体结构为：包括测量单元3和监测主机4，监测主机4包括微处理器4-1，微处理器4-1外接有4G通信模块4-2和LoRa模块4-3，4G通信模块4-2和LoRa模块4-3构成通信单元，电源模块4-4为微处理器4-1、4G通信模块4-2和LoRa模块4-3供电，测量单元3包括无线单轴倾角传感器a3-1、无线单轴倾角传感器b3-2和无线单轴倾角传感器c3-3，无线单轴倾角传感器a3-1、无线单轴倾角传感器b3-2和无线单轴倾角传感器c3-3分别通过LoRa模块4-3与所述微处理器4-1进行数据传输，无线单轴倾角传感器a3-1设置于塔腿A和塔腿B上方横担靠近塔腿B处，无线单轴倾角传感器b3-2设置于塔腿B和塔腿C上方横担靠近塔腿C处，无线单轴倾角传感器c3-3设置于塔腿C和塔腿D上方横担靠近塔腿D处。
微处理器4-1采用基于ARM Cotex-M4核的STM32L433CBT6互联型微控制器，电源模块4-4包括太阳能板加蓄电池，所述无线单轴倾角传感器a3-1、无线单轴倾角传感器b3-2和无线单轴倾角传感器c3-3结构相同，均采用基于3D微机电系统的高精度倾角传感器芯片，型号可以选择Sca100t-d01。
一种输电杆塔沉降量在线监测系统的监测方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、利用安装在塔腿A和塔腿B上方横担靠近塔腿B处的无线单轴倾角传感器a3-1获取塔腿A和塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值；安装在塔腿B和塔腿C上方横担靠近塔腿C处的无线单轴倾角传感器b3-2获取塔腿B和塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值；安装在塔腿C和塔腿D上方横担靠近塔腿D处无线单轴倾角传感器c3-3获取塔腿C和塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值；
步骤2、利用经步骤1获取的塔腿A和塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值、塔腿B和塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值、塔腿C和塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值及监测主机4内集成的杆塔沉降计算模型计算出输电杆塔的沉降值；
步骤2具体如下：
步骤2.1、将经步骤1获得的塔腿A和塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值、塔腿B、塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值、塔腿C、塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值通过LoRa模块4-3发送到微处理器4-1内；
步骤2.2、监测主机4根据步骤2.1中获取到的塔腿A、塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值，塔腿B、塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值，塔腿C、塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值，并利用微处理器4-1内的杆塔沉降计算模型计算岀输电杆塔旳塔腿B、塔腿C、塔腿D相对于塔腿A的沉降值。
步骤2.2中杆塔沉降计算模型如下：
塔腿A沉降值＝0；
塔腿B沉降值＝L1*tan(fabs(θ1-))；
塔腿C沉降值＝L2*tan(fabs(θ2))+塔腿B沉降值；
塔腿D沉降值＝L1*tan(fabs(θ3))+塔腿C沉降值；
其中，L1为塔腿A与塔腿B上方横档之间的距离，L2为塔腿B与塔腿C上方横档距离；θ1是经无线单轴倾角传感器a3-1测得塔腿AB之间相对沉降后产生的角度；θ2是经无线单轴倾角传感器b3-2测得塔腿BC之间相对沉降后产生的角度；θ3是经无线单轴倾角传感器a3-3测得塔腿CD之间相对沉降后产生的角度。
步骤3、将经步骤2计算得到的输电杆塔的塔腿B、塔腿C和塔腿D相对于塔腿A的沉降值经过4G通信模块4-2传输至监测后台1，工作人员根据监控中心的各塔腿的沉降值决定是否对运行中的输电杆塔进行修正。
本发明输电杆塔沉降量在线监测系统中各个部件的功能如下：
监测后台1主要完成通过4G通信模块4-2聚现场各状态监测装置发送的数据，实现分散数据的集中。
杆塔沉降监测装置2的主要作用是利用安装在塔腿A和塔腿B上方横担靠近踏脚B处的无线单轴倾角传感器a，获取塔腿A和塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值；安装在塔腿B和塔腿C上方横担靠近塔腿C处的无线单轴倾角传感器b，获取塔腿B和塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值；安装在塔腿C和塔腿D上方横担靠近塔腿D处无线单轴倾角传感器c,获取塔腿C和塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值，结合杆塔沉降计算模型计算杆塔的沉降值。
输电杆塔沉降量在线监测系统2的监测主机4采用电源模块4-4供电，电源模块4-4采用太阳能与蓄电池结合的供电方式，当阳光充足时太阳能电池能产生足够的电能，除供给整个系统用电外，多余的电能经过控制器给蓄电池充电；当夜晚或者阴天的时候太阳能电池产生的电能不足以供系统用电的时候，由蓄电池给系统供电，整个过程由控制器自动完成。
LoRa通信4-3主要将测量单元3中的无线单轴倾角传感器a3-1、无线单轴倾角传感器b3-2和无线单轴倾角传感器c3-3的监测数据传输至监测主机4中的微处理器4-1，由微处理器4-1内的杆塔沉降计算模型进行计算。
如图4(a)～(c)所示，本发明的输电杆塔沉降量在线监测系统中采用了3个无线单轴倾角传感器，分别安装在第一节横担上靠近塔腿B、塔腿C和塔腿D的位置处，当杆塔发生不均匀沉降后，相邻塔腿之间发生相对位移，塔腿B相对塔腿A沉降后产生了倾角θ1，塔腿C相对塔腿B沉降后产生了倾角θ2，塔腿C相对塔腿D沉降后产生了倾角θ3，倾角传感器将测量到的倾角数据θ1、θ2、θ3通过LoRa无线通信将数据传输至监测主机，监测主机中的微处理器根据杆塔沉降量模型计算塔腿B、塔腿C和塔腿D相对于塔腿A的沉降值，得岀杆塔的沉降情况，实现对输电杆塔沉降的完全监测。

Claims (6)

1.输电杆塔沉降量在线监测系统，其特征在于，包括有多个杆塔沉降监测裝置(2)和一个监测后台(1)，所述多个杆塔沉降监测裝置(2)均通过4G通信网络与所述监测后台(1)连接。
2.根据权利要求1所述的输电杆塔沉降量在线监测系统，其特征在于，所述杆塔沉降监测裝置(2)具体结构为：包括测量单元(3)和监测主机(4)，监测主机(4)包括微处理器(4-1)，微处理器(4-1)外接有4G通信模块(4-2)和LoRa模块(4-3)，4G通信模块(4-2)和LoRa模块(4-3)构成通信单元，电源模块(4-4)为微处理器(4-1)、4G通信模块(4-2)和LoRa模块(4-3)供电，测量单元(3)包括无线单轴倾角传感器a(3-1)、无线单轴倾角传感器b(3-2)和无线单轴倾角传感器c(3-3)，无线单轴倾角传感器a(3-1)、无线单轴倾角传感器b(3-2)和无线单轴倾角传感器c(3-3)分别通过LoRa模块(4-3)与所述微处理器(4-1)进行数据传输，无线单轴倾角传感器a(3-1)设置于塔腿A和塔腿B上方横担靠近塔腿B处，无线单轴倾角传感器b(3-2)设置于塔腿B和塔腿C上方横担靠近塔腿C处，无线单轴倾角传感器c(3-3)设置于塔腿C和塔腿D上方横担靠近塔腿D处。
3.根据权利要求2所述的输电杆塔沉降量在线监测系统，其特征在于，所述微处理器(4-1)采用基于ARM Cotex-M4核的STM32L433CBT6互联型微控制器，所述电源模块(4-4)包括太阳能板加蓄电池，所述无线单轴倾角传感器a(3-1)、无线单轴倾角传感器b(3-2)和无线单轴倾角传感器c(3-3)结构相同，均采用基于3D微机电系统的高精度倾角传感器芯片。
4.一种输电杆塔沉降量在线监测系统的监测方法，其特征在于，基于权利要求2所述的输电杆塔沉降量在线监测系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1、利用安装在塔腿A和塔腿B上方横担靠近塔腿B处的无线单轴倾角传感器a(3-1)获取塔腿A和塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值；安装在塔腿B和塔腿C上方横担靠近塔腿C处的无线单轴倾角传感器b(3-2)获取塔腿B和塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值；安装在塔腿C和塔腿D上方横担靠近塔腿D处无线单轴倾角传感器c(3-3)获取塔腿C和塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值；
步骤2、利用经步骤1获取的塔腿A和塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值、塔腿B和塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值、塔腿C和塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值及监测主机(4)内集成的杆塔沉降计算模型计算出输电杆塔的沉降值；
步骤3、将经步骤2计算得到的输电杆塔的塔腿B、塔腿C和塔腿D相对于塔腿A的沉降值经过4G通信模块(4-2)传输至监测后台(1)，工作人员根据监控中心的各塔腿的沉降值决定是否对运行中的输电杆塔进行修正。
5.根据权利要求4所述的一种输电杆塔沉降量在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：
步骤2.1、将经步骤1获得的塔腿A和塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值、塔腿B、塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值、塔腿C、塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值通过LoRa模块(4-3)发送到微处理器(4-1)内；
步骤2.2、监测主机(4)根据步骤2.1中获取到的塔腿A、塔腿B发生不均匀沉降后的倾角值，塔腿B、塔腿C发生不均匀沉降后的倾角值，塔腿C、塔腿D发生不均匀沉降后的倾角值，并利用微处理器(4-1)内的杆塔沉降计算模型计算岀输电杆塔旳塔腿B、塔腿C、塔腿D相对于塔腿A的沉降值。
6.根据权利要求4所述的一种输电杆塔沉降量在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤2.2中杆塔沉降计算模型如下：
塔腿A沉降值＝0；
塔腿B沉降值＝L1*tan(fabs(θ1-))；
塔腿C沉降值＝L2*tan(fabs(θ2))+塔腿B沉降值；
塔腿D沉降值＝L1*tan(fabs(θ3))+塔腿C沉降值；
其中，L1为塔腿A与塔腿B上方横档之间的距离，L2为塔腿B与塔腿C上方横档距离；θ1是经无线单轴倾角传感器a(3-1)测得塔腿AB之间相对沉降后产生的角度；θ2是经无线单轴倾角传感器b(3-2)测得塔腿BC之间相对沉降后产生的角度；θ3是经无线单轴倾角传感器a(3-3)测得塔腿CD之间相对沉降后产生的角度。
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