CN112345185A - 一种特高压换流站地震损伤实时监测系统 - Google Patents

一种特高压换流站地震损伤实时监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，包括加速度传感器、信号采集装置、信号分析装置；按照换流站功能和设备特征将其合理分为四个区域，分别为：GIS与GIL回路区域、交流滤波器回路区域、换流阀厅与换流变压器回路区域、直流场回路区域。在每个区域内关键设备上布置加速度传感器，区域内设置信号采集装置；地震发生后，所述的加速度传感器将监测到的设备地震动加速度响应信号输出至对应信号采集装置，信号采集装置将采集到的加速度响应信号输出至信号分析装置对每一处信号进行损伤识别，不需要未损伤结构振动响应作为对比，实现对换流站设备的地震受损情况初步评估，有利于特高压换流站震后快速修复工作的展开。

Description

一种特高压换流站地震损伤实时监测系统
技术领域
本发明涉及结构健康监测技术领域，特别是涉及一种生命线工程中特高压换流站的设备地震损伤实时监测系统。
背景技术
特高压输电工程是作为生命线工程重要组成部分，与社会经济稳定发展和民众生活幸福指数息息相关。我国能源集中区域所在的西南地区如青藏高原和云贵川西部等地同时也是地震多发地带，在地震作用下变电设施极易损坏。一方面由于设施自振频率多在1Hz-10Hz范围内，与地震波的卓越频率接近，地震发生时极易产生共振现象；另一方面，电力设备多采用脆性材料，其阻尼比小、强度较低，在地震作用下会加大震害发生。
考虑到换流站内设备由母线连接在一起，且部分设备安装有一定的高度，设备尺寸较大，重心高，母线与设备形成的耦连体系与单体设备的地震响应有很大不同，在强震下由于相互间的动力作用可能对地震响应起放大作用，从而造成设备结构受损，影响电力系统安全运行，造成巨大经济损失。
在重大地震灾情发生后，特高压电力设备的震后检修与快速速恢复工作关乎抢险救灾与震后重建工作，因此有必要对换流站建立有效的监测系统使其能够在地震灾害发生后快速响应得到换流站内单体设备受损状况以及整个变电站的受损率，从而保证电力系统能快速恢复正常工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有结构监测系统的不足，提供一种基于实时监测数据的特高压换流站地震损伤实时监测系统。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，所述换流站按照其功能和设备特征分为四个区域，分别为：GIS与GIL回路区域(1)、交流滤波器回路区域(2)、换流阀厅与换流变压器回路区域(3)、直流场回路区域(4)，这四个区域是根据现有换流站内部设备布置划分的，是现有换流站的已经运用的布局，其特征在于：包括加速度传感器、信号采集装置、信号分析装置；
四个区域中，在每个区域内关键设备上布置所述加速度传感器，区域内设置信号采集装置；地震发生后，所述的加速度传感器将监测到的设备地震动加速度响应信号输出至对应信号采集装置，所述信号采集装置将采集到的加速度响应信号输出至信号分析装置。
所述的一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：所述的加速度传感器布置在GIS与GIL回路区域(1)中管线的固定支架和滑移支架上，数量若干，应保证每一个支架至少布置一个传感器。
所述的一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：所述的加速度传感器布置在交流滤波器回路区域(2)中各设备的支柱绝缘子根部，数量若干，应保证每一个设备下方至少有一根支柱绝缘子布置一个传感器。
所述的一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：所述的加速度传感器布置在换流阀厅与换流变压器回路区域(3)中穿墙套管根部、悬挂式阀塔底部屏蔽罩、换流变压器套管根部，数量若干，应保证每一组换流阀塔和每一根套管至少布置一个传感器。
所述的一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：所述的加速度传感器布置在直流场回路区域(4)中设备支柱绝缘子根部、悬吊滤波器底部，数量若干，应保证每一个设备下方至少有一根支柱绝缘子布置一个传感器。
所述的种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：各装置电源接入口设置有电源避雷器。
所述的一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：所述加速度传感器的编号与换流站内布置位置一一对应，地震发生后，所述加速度传感器将采集到的实时信号输出至所在区域的信号采集装置，再由不同区域的信号采集装置统一输出至信号分析装置，最后系统根据对每一处信号的损伤识别结果，给出换流站此次地震的结构损伤情况。
所述的一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：所述信号分析装置所采用的损伤识别算法基于HHT变换，为自主开发，主要步骤为：
(1)对采集到的监测加速度信号进行高通滤波，得到滤波信号；
(2)对滤波信号进行EEMD分解，对分解得到的第一阶IMF进行Hilbert变换，得到信号的时频矩阵HS；
(3)对时频矩阵HS中的元素按秒聚拢，得到高频能量和向量Ehf：
Figure BDA0002728041000000041
其中，ejk为信号时频矩阵HS中第j行第k列的元素；imin和imax分别表示时间向量t中大于(i-1)并且小于等于i的元素对应的下标索引；
(4)根据向量Ehf中数值与数据异常值上限U的大小关系确定损伤数量特征值Dn：
U＝n(Q3-Q1)
其中，Q1和Q3分别为向量Ehf中数据的下四分位数和上四分位数，n为向量Ehf中元素的个数。将向量Ehf中大于U的数值数量定义为损伤数量特征值Dn。Dn＝0时表示未识别出损伤；1>Dn＞0时表示设备发生了损伤；Dn＞1表示设备在多个时刻发生多次损伤。
与现有技术对比，本发明的优点在于：当换流站周边地区发生地震时，布置于设备上的加速度传感器可以记录下不同设备的加速度响应，通过损伤识别算法可以识别出此次地震过程中产生的设备结构性损伤，不需要未损伤结构振动响应作为对比，从而对换流站设备的受损情况初步评估，有利于震后快速修复工作的展开。同时对换流站进行合理划分区域，布置传感器更加合理，对换流站内设备正常工作影响较小。
附图说明
图1为本发明实施例特高压换流站平面图(此部分为现有技术)；
图2为本发明特高压换流站地震损伤实时监测系统构造示意图；
图3为为本发明特高压换流站地震损伤实时监测系统所采用的损伤识别算法流程图；
附图标记含义：1、特高压换流站GIS与GIL回路区域；2、特高压换流站交流滤波器回路区域；3、特高压换流站换流阀厅与换流变压器回路区域；4、特高压换流站直流场回路区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的内容进一步详细说明。
如图1、图2所示，本特高压换流站地震损伤实时监测系统，包括加速度传感器、信号采集装置、信号分析装置；
本实施例中换流站按照其功能和设备特征分为四个区域，分别为：GIS与GIL回路区域1、交流滤波器回路区域2、换流阀厅与换流变压器回路区域3、直流场回路区域4。在每个区域内关键设备上布置所述加速度传感器，区域内设置信号采集装置；地震发生后，所述的加速度传感器将监测到的设备地震动加速度响应信号输出至对应信号采集装置，所述信号采集装置将采集到的加速度响应信号输出至信号分析装置。
GIS与GIL管线全密封结构使得损伤的定位和检修较为困难，在GIS与GIL回路区域1中，加速度传感器布置在管线的固定支架和滑移支架上，每一个支架至少布置一个传感器。
交流滤波器回路区域2中大多数为支柱式设备，在地震作用下支柱绝缘子根部应力较大，容易产生损伤，加速度传感器布置在各设备的支柱绝缘子根部，每一个设备下方至少有一根支柱绝缘子布置一个传感器。
换流阀厅与换流变压器回路区域3中设备类型和结构形式较为复杂，在地震作用下容易发生破坏的为高压穿墙套管、悬挂式换流阀以及换流变套管，加速度传感器布置在穿墙套管根部、悬挂式阀塔底部屏蔽罩、换流变压器套管根部，每一组换流阀塔和每一根套管至少布置一个传感器。
直流场回路区域4中设备主要为支柱式设备和悬吊滤波器，其中支柱绝缘子在地震作用下容易损坏，悬吊滤波器同样容易受到破坏，加速度传感器布置在设备支柱绝缘子根部、悬吊滤波器底部，每一个设备下方至少有一根支柱绝缘子布置一个传感器。
为了保证在地震发生时所述监测系统能够正常工作，作为优选方式，在监测系统各装置的电源接入口设置有电源避雷器。
如图2所示，GIS与GIL回路区域(1)、交流滤波器回路区域(2)、换流阀厅与换流变压器回路区域(3)、直流场回路区域(4)，这四个区域回路信息采集装置分别提供给分析与损伤识别装置，分别由损伤识别算法模块完成信号分析并对这四个区域的损伤进行识别判断。
如图3所示，本实施例中信号分析与损伤识别装置所采用的损伤识别算法是基于HHT变换自主研发，主要步骤如下：
(1)对采集到的监测加速度信号进行高通滤波，得到滤波信号；
(2)对滤波信号进行EEMD分解，对分解得到的第一阶IMF进行Hilbert变换，得到信号的时频矩阵HS；
(3)对时频矩阵HS中的元素按秒聚拢，得到高频能量和向量Ehf：
Figure BDA0002728041000000071
其中，ejk为信号时频矩阵HS中第j行第k列的元素；imin和imax分别表示时间向量t中大于(i-1)并且小于等于i的元素对应的下标索引；
(4)根据向量Ehf中数值与数据异常值上限U的大小关系确定损伤数量特征值Dn：
U＝n(Q3-Q1)
其中，Q1和Q3分别为向量Ehf中数据的下四分位数和上四分位数，n为向量Ehf中元素的个数。将向量Ehf中大于U的数值数量定义为损伤数量特征值Dn。Dn＝0时表示未识别出损伤；1>Dn＞0时表示设备发生了损伤；Dn＞1表示设备在多个时刻发生多次损伤。
所述加速度传感器的编号与换流站内布置位置一一对应，地震发生后，所述加速度传感器将采集到的实时信号输出至所在区域的信号采集装置，再由不同区域的信号采集装置统一输出至信号分析装置，最后根据对每一处信号的损伤识别结果，得到换流站此次地震的结构损伤情况报告。
地震发生后，每个区域内的加速度传感器将监测到的设备地震动加速度响应信号输出至对应信号采集装置，信号采集装置将采集到的加速度响应信号输出至信号分析装置对每一处信号进行损伤识别，不需要未损伤结构振动响应作为对比，实现对换流站设备的地震受损情况初步评估，有利于特高压换流站震后快速修复工作的展开。
以上所述仅为本发明的实施例具体说明，并不用以限制本发明的专利范围，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，所述换流站按照其功能和设备特征分为四个区域，分别为：GIS与GIL回路区域(1)、交流滤波器回路区域(2)、换流阀厅与换流变压器回路区域(3)、直流场回路区域(4)，这四个区域是根据现有换流站内部设备布置划分的，是现有换流站的已经运用的布局，其特征在于：包括加速度传感器、信号采集装置、信号分析装置；
四个区域中，在每个区域内关键设备上布置所述加速度传感器，区域内设置信号采集装置；地震发生后，所述的加速度传感器将监测到的设备地震动加速度响应信号输出至对应信号采集装置，所述信号采集装置将采集到的加速度响应信号输出至信号分析装置。
2.根据权利要求1所述的一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：所述的加速度传感器布置在GIS与GIL回路区域(1)中管线的固定支架和滑移支架上，数量若干，应保证每一个支架至少布置一个传感器。
3.根据权利要求1所述的一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：所述的加速度传感器布置在交流滤波器回路区域(2)中各设备的支柱绝缘子根部，数量若干，应保证每一个设备下方至少有一根支柱绝缘子布置一个传感器。
4.根据权利要求1所述的一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：所述的加速度传感器布置在换流阀厅与换流变压器回路区域(3)中穿墙套管根部、悬挂式阀塔底部屏蔽罩、换流变压器套管根部，数量若干，应保证每一组换流阀塔和每一根套管至少布置一个传感器。
5.根据权利要求1所述的一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：所述的加速度传感器布置在直流场回路区域(4)中设备支柱绝缘子根部、悬吊滤波器底部，数量若干，应保证每一个设备下方至少有一根支柱绝缘子布置一个传感器。
6.根据权利要求1-5任一项所述的种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：各装置电源接入口设置有电源避雷器。
7.根据权利要求1所述的一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：所述加速度传感器的编号与换流站内布置位置一一对应，地震发生后，所述加速度传感器将采集到的实时信号输出至所在区域的信号采集装置，再由不同区域的信号采集装置统一输出至信号分析装置，最后系统根据对每一处信号的损伤识别结果，给出换流站此次地震的结构损伤情况。
8.根据权利要求1所述的一种特高压换流站地震损伤实时监测系统，其特征在于：所述信号分析装置所采用的损伤识别算法基于HHT变换，步骤为：
(1)对采集到的监测加速度信号进行高通滤波，得到滤波信号；
(2)对滤波信号进行EEMD分解，对分解得到的第一阶IMF进行Hilbert变换，得到信号的时频矩阵HS；
(3)对时频矩阵HS中的元素按秒聚拢，得到高频能量和向量Ehf：
Figure FDA0002728040990000031
其中，ejk为信号时频矩阵HS中第j行第k列的元素；imin和imax分别表示时间向量t中大于(i-1)并且小于等于i的元素对应的下标索引；
(4)根据向量Ehf中数值与数据异常值上限U的大小关系确定损伤数量特征值Dn：
U＝n(Q3-Q1)
其中，Q1和Q3分别为向量Ehf中数据的下四分位数和上四分位数，n为向量Ehf中元素的个数；将向量Ehf中大于U的数值数量定义为损伤数量特征值Dn；Dn＝0时表示未识别出损伤；1>Dn＞0时表示设备发生了损伤；Dn＞1表示设备在多个时刻发生多次损伤。
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