CN112697386B - 一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法与系统 - Google Patents

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本发明公开了一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法与系统，涉及智能电网领域。其特征在于，所述方法步骤如下：S1针对被监控的输电塔，单独建立其风载荷‑土体影响函数，所述风载荷‑土体影响函数用于求解风载荷对输电塔所处土体造成的影响，函数建立基础来该输电塔的自身结构数据及其所处外部环境条件监控数据；S2根据气象预报数据，获取风力风向预报数据；S3利用风载荷‑土体影响函数，模拟风力风向预报数据对输电塔塔体周围土体稳定性产生的影响结果；S4电网运营人员对土体稳定性模拟结果进行分析；S5监测获取真实风载荷和土体监控数据，对模拟结果进行对比，对风载荷‑土体影响函数进行纠正。

Description

一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法与系统
技术领域
本发明涉及智能电网技术领域，具体涉及一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法及系统。
背景技术
矗立在山区高边坡的大型输电线塔由于其高柔性，且跨度较大，对风荷载极其敏感。一旦风荷载引起了输电线塔的破坏倒塌等现象，不仅给国家财产带来极大损失，而且也给社会的正常生活与工作带来极大影响。
风荷载作用于高压输电线塔时，对输电塔线的振动作用经由塔基向边坡土体传递，引起边坡地面振动。高压输电线塔与边坡的动力作用是相互的：一方面，风荷载对输电线塔的振动作用，有可能引起边坡内部变形；另一方面，边坡的变形产生的惯性力反过来作用于输电塔，加剧输电塔的振动，也可能引起输电线塔的失稳。
发明内容
高边坡上的高压输电线塔，由风荷载作用引起的振动，成为高边坡失稳的重要诱发原因之一，是高边坡土体稳定的一个重要的潜在不安因素，边坡土体的稳定性也深刻地影响输电塔的稳定性。目前的电网运营监控系统中，多数只单独针对风载荷或者单独针对山区边坡土体地质隐患进行监控，对土体地质隐患监控时很少关注风载荷通过建筑物对土体造成影响，因此，在智能电网技术领域有必要对风载荷与土体稳定性之间进行同时监测分析。
为此，本发明提供了一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法及系统用以下技术要点来解决问题：
一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法，其特征在于，所述方法步骤如下：S1针对被监控的输电塔，单独建立其风载荷-土体影响函数，所述风载荷-土体影响函数用于求解风载荷对输电塔所处土体造成的影响，函数建立基础来该输电塔的自身结构数据及其所处外部环境条件监控数据；S2根据气象预报数据，获取风力风向预报数据；S3利用风载荷-土体影响函数，模拟风力风向预报数据对输电塔塔体周围土体稳定性产生的影响结果；S4电网运营人员对土体稳定性模拟结果进行分析；S5监测获取真实风载荷和土体监控数据，对模拟结果进行对比，对风载荷-土体影响函数进行纠正。
如上所述，本发明提供了一种风载荷作用下的山区输电塔稳定性监控方法，在该方法中，以针对性、独立建立的风载荷-土体影响函数为核心，将气象预测给出的风载荷数据作为输入值，通过该函数模拟出风载荷对土体可能产生的影响。电网运营人员对该模拟结果进行分析，以便及时做好围绕山区输电塔稳定性的预警、防灾准备。该方法步骤的最后通过实际测得的风载荷与土体的监控数据，对模拟过程进行反馈、纠正、改进，修正该影响函数使其更加贴合实际环境工况。在该方法中，由于山间地区不同位置的地形、环境差异巨大，山间地区的输电塔跨距大、间隔远，因此本发明选择针对性地对每个监控的对象进行单独建立风载荷与土体之间的关系。在后续工作中，可以结合每个单塔自己的影响函数，统一起来对较长距离的输电走廊进行精准监控。
更进一步的技术方案为：
所述风载荷-土体影响函数建立方法步骤如下：S1.1建立输电塔及其周围土体的三维模型；S1.2监测获取输电塔所受风载荷数据值、输电塔塔身不同位置的塔身动力学数据、输电塔塔基与土体接合处的监测土体力学数据；S1.3对三维模型输入监测所得风载荷数据值；S1.4使用谐波叠加法进行数值模拟，获取塔身不同处的模拟风荷载时程曲线；S1.5将监测所得的塔身动力学数据与模拟风荷载时程曲线进行对比、纠正获取风荷载时程曲线；S1.6将塔身不同位置的风荷载时程曲线作为输入，对三维模型进行有限元法求解，获取土体所受的模拟应力与模拟变形；S1.7将模拟应力与模拟变形与监测土体力学数据进行对比、纠正得土体力学数据；S1.8将风载荷数据值与土体力学数据进行关联，建立风载荷-土体影响函数。在该技术特征中，首先对输电塔及周围土体建立三维模型，三维模型的建模需要尽可能地贴近输电塔的结构、所处周围环境的实际情况,使得后续步骤得出的风载荷-土体影响函数更加准确。随后利用该三维模型，将监测得到风载荷数据作为输入获取模拟风荷载时程曲线，风载荷时程曲线能够反映塔身随时间的受力变化情况。再将监测获取到的，与监测风载荷相匹配的输电塔塔身不同位置的动力学数据作为参考，对该函数的建立过程进行第一次矫正。以矫正后的风载荷输入曲线作为中间变量，再次利用该三维模型模拟出土体的变形与受力情况。利用监测到的土体力学数据作为参考，对该函数的建立过程进行第二次矫正。如上所述，以风载荷为输入，多次计算、矫正，最终模拟得到了土体力学数据。通过关联风载荷数据值与对应的土体力学数据，能够建立一个属于该输电塔的、计算更加快速简便的风载荷-土体影响函数。
所述风载荷数据值包括输电塔所在地基本风压与基本风速。
一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控系统，用于实现前述的任一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法，其特征在于，所述监控系统包括若干塔身监测单元和若干塔基监测单元，所述塔身监测单元用于获取输电塔所受风载荷数据值和输电塔塔身动力学数据；所述塔基监测单元用于获取监测土体力学数据；所述监控系统还包括数据处理单元，所述数据处理单元与塔身监测单元和塔基监测单元信号连接，所述数据处理单元用于收集、处理各监测数据。在该技术特征中，由于输电塔结构复杂，输电塔并非简单的整体刚体，风载荷在输电塔上不同位置引起的振动有巨大差异。因此该监控系统包括的塔身检测单元若干，以布置在塔身不同位置处。更多的监测数据，使得前述监控方法中所建立的函数能够更加精确贴合实际。
所述塔身监测单元包括风速传感器、拉力传感器、激光位移传感器、振动传感器，所述风速传感器用于获取风载荷数据值，所述拉力传感器用于设置在电缆与绝缘子串的连接处，用于监测导线对塔身产生的动力与张力，所述激光位移传感器用于采集塔身的位移数据，所述振动传感器用于采集塔身的振动加速度，所述动力、张力、位移数据和振动加速度共同组成塔身动力学数据。
所述塔基监测单元包括应力计和位移计。应力计用于获取土体中产生的内力，位移计用于测量获取土体发生的变形。
当输电塔线受到风荷载影响时,输电塔对土体产生的振动是通过塔基和土体的接触面传递而实现的。由于塔基与周围土体的材料性能差异较大,在受到振动时产生变形,而产生的变形不一致会导致在塔基与土的接触面上形成相对位移和剪应力,一定条件下可能致使接触面上出现开裂或滑移现象。此外，由于山区输电塔的基础通常不是平整的水平面，在山区长短腿输电塔较为常见，不同的塔基产生的力学效果有较大差异，因此设置为所述监控系统包含的塔基检测单元数量为四个，塔基监测单元用于设置在输电塔塔基与土体的接合面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明科学合理。本发明提出了一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法，通过该监控方法，电网运营人员能够通过预测的风力气象数据，模拟出风载荷对输电塔所处土体造成的影响，进而做好维护山区输电塔稳定性的条件准备。本发明还提出了一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控系统，该监控系统能够实现前述的监控方法。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法的步骤图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法，其特征在于，所述方法步骤如下：S1针对被监控的输电塔，单独建立其风载荷-土体影响函数，所述风载荷-土体影响函数用于求解风载荷对输电塔所处土体造成的影响，函数建立基础来该输电塔的自身结构数据及其所处外部环境条件监控数据；S2根据气象预报数据，获取风力风向预报数据；S3利用风载荷-土体影响函数，模拟风力风向预报数据对输电塔塔体周围土体稳定性产生的影响结果；S4电网运营人员对土体稳定性模拟结果进行分析；S5监测获取真实风载荷和土体监控数据，对模拟结果进行对比，对风载荷-土体影响函数进行纠正。
如上所述，本发明提供了一种风载荷作用下的山区输电塔稳定性监控方法，在该方法中，以针对性、独立建立的风载荷-土体影响函数为核心，将气象预测给出的风载荷数据作为输入值，通过该函数模拟出风载荷对土体可能产生的影响。电网运营人员对该模拟结果进行分析，以便及时做好围绕山区输电塔稳定性的预警、防灾准备。该方法步骤的最后通过实际测得的风载荷与土体的监控数据，对模拟过程进行反馈、纠正、改进，修正该影响函数使其更加贴合实际环境工况。在该方法中，由于山间地区不同位置的地形、环境差异巨大，山间地区的输电塔跨距大、间隔远，因此本发明选择针对性地对每个监控的对象进行单独建立风载荷与土体之间的关系。在后续工作中，可以结合每个单塔自己的影响函数，统一起来对较长距离的输电走廊进行精准监控。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定：
所述风载荷-土体影响函数建立方法步骤如下：S1.1建立输电塔及其周围土体的三维模型；S1.2监测获取输电塔所受风载荷数据值、输电塔塔身不同位置的塔身动力学数据、输电塔塔基与土体接合处的监测土体力学数据；S1.3对三维模型输入监测所得风载荷数据值；S1.4使用谐波叠加法进行数值模拟，获取塔身不同处的模拟风荷载时程曲线；S1.5将监测所得的塔身动力学数据与模拟风荷载时程曲线进行对比、纠正获取风荷载时程曲线；S1.6将塔身不同位置的风荷载时程曲线作为输入，对三维模型进行有限元法求解，获取土体所受的模拟应力与模拟变形；S1.7将模拟应力与模拟变形与监测土体力学数据进行对比、纠正得土体力学数据；S1.8将风载荷数据值与土体力学数据进行关联，建立风载荷-土体影响函数。在该技术特征中，首先对输电塔及周围土体建立三维模型，三维模型的建模需要尽可能地贴近输电塔的结构、所处周围环境的实际情况,使得后续步骤得出的风载荷-土体影响函数更加准确。随后利用该三维模型，将监测得到风载荷数据作为输入获取模拟风荷载时程曲线，风载荷时程曲线能够反映塔身随时间的受力变化情况。再将监测获取到的，与监测风载荷相匹配的输电塔塔身不同位置的动力学数据作为参考，对该函数的建立过程进行第一次矫正。以矫正后的风载荷输入曲线作为中间变量，再次利用该三维模型模拟出土体的变形与受力情况。利用监测到的土体力学数据作为参考，对该函数的建立过程进行第二次矫正。如上所述，以风载荷为输入，多次计算、矫正，最终模拟得到了土体力学数据。通过关联风载荷数据值与对应的土体力学数据，能够建立一个属于该输电塔的、计算更加快速简便的风载荷-土体影响函数。
所述风载荷数据值包括输电塔所在地基本风压与基本风速。
实施例3：
一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控系统，用于实现前述的任一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法，其特征在于，所述监控系统包括若干塔身监测单元和若干塔基监测单元，所述塔身监测单元用于获取输电塔所受风载荷数据值和输电塔塔身动力学数据；所述塔基监测单元用于获取监测土体力学数据；所述监控系统还包括数据处理单元，所述数据处理单元与塔身监测单元和塔基监测单元信号连接，所述数据处理单元用于收集、处理各监测数据。在该技术特征中，由于输电塔结构复杂，输电塔并非简单的整体刚体，风载荷在输电塔上不同位置引起的振动有巨大差异。因此该监控系统包括的塔身检测单元若干，以布置在塔身不同位置处。更多的监测数据，使得前述监控方法中所建立的函数能够更加精确贴合实际。
所述塔身监测单元包括风速传感器、拉力传感器、激光位移传感器、振动传感器，所述风速传感器用于获取风载荷数据值，所述拉力传感器用于设置在电缆与绝缘子串的连接处，用于监测导线对塔身产生的动力与张力，所述激光位移传感器用于采集塔身的位移数据，所述振动传感器用于采集塔身的振动加速度，所述动力、张力、位移数据和振动加速度共同组成塔身动力学数据。
所述塔基监测单元包括应力计和位移计。应力计用于获取土体中产生的内力，位移计用于测量获取土体发生的变形。
当输电塔线受到风荷载影响时,输电塔对土体产生的振动是通过塔基和土体的接触面传递而实现的。由于塔基与周围土体的材料性能差异较大,在受到振动时产生变形,而产生的变形不一致会导致在塔基与土的接触面上形成相对位移和剪应力,一定条件下可能致使接触面上出现开裂或滑移现象。此外，由于山区输电塔的基础通常不是平整的水平面，在山区长短腿输电塔较为常见，不同的塔基产生的力学效果有较大差异，因此设置为所述监控系统包含的塔基检测单元数量为四个，塔基监测单元用于设置在输电塔塔基与土体的接合面。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
S1 针对被监控的输电塔，单独建立其风载荷-土体影响函数，所述风载荷-土体影响函数用于求解风载荷对输电塔所处土体造成的影响，函数建立基础来该输电塔的自身结构数据及其所处外部环境条件监控数据；
其中，所风载荷-土体影响函数建立方法步骤如下：
S1.1 建立输电塔及其周围土体的三维模型；
S1.2 监测获取输电塔所受风载荷数据值、输电塔塔身不同位置的塔身动力学数据、输电塔塔基与土体接合处的监测土体力学数据；
S1.3 对三维模型输入监测所得风载荷数据值；
S1.4 使用谐波叠加法进行数值模拟，获取塔身不同处的模拟风荷载时程曲线；
S1.5 将监测所得的塔身动力学数据与模拟风荷载时程曲线进行对比、纠正获取风荷载时程曲线；
S1.6 将塔身不同位置的风荷载时程曲线作为输入，对三维模型进行有限元法求解，获取土体所受的模拟应力与模拟变形；
S1.7 将模拟应力与模拟变形与监测土体力学数据进行对比、纠正得土体力学数据；
S1.8 将风载荷数据值与土体力学数据进行关联，建立风载荷-土体影响函数；
S2 根据气象预报数据，获取风力风向预报数据；
S3利用风载荷-土体影响函数，模拟风力风向预报数据对输电塔塔体周围土体稳定性产生的影响结果；
S4 电网运营人员对土体稳定性模拟结果进行分析；
S5 监测获取真实风载荷和土体监控数据，对模拟结果进行对比，对风载荷-土体影响函数进行纠正。
2.根据权利要求1所述的一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法，其特征在于，所述风载荷数据值包括输电塔所在地基本风压与基本风速。
3.一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控系统，用于实现权利要求1-2所述的任一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控方法，其特征在于，所述监控系统包括若干塔身监测单元和若干塔基监测单元，所述塔身监测单元用于获取输电塔所受风载荷数据值和输电塔塔身动力学数据；所述塔基监测单元用于获取监测土体力学数据；所述监控系统还包括数据处理单元，所述数据处理单元与塔身监测单元和塔基监测单元信号连接，所述数据处理单元用于收集、处理各监测数据。
4.根据权利要求3所述的一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控系统，其特征在于，所述塔身监测单元包括风速传感器、拉力传感器、激光位移传感器、振动传感器，所述风速传感器用于获取风载荷数据值，所述拉力传感器用于设置在电缆与绝缘子串的连接处，用于监测导线对塔身产生的动力与张力，所述激光位移传感器用于采集塔身的位移数据，所述振动传感器用于采集塔身的振动加速度，所述动力、张力、位移数据和振动加速度共同组成塔身动力学数据。
5.根据权利要求3所述的一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控系统，其特征在于，所述塔基监测单元包括应力计和位移计。
6.根据权利要求3所述的一种风载荷作用下山区输电塔稳定性监控系统，其特征在于，所述监控系统包含的塔基检测单元数量为四个，塔基监测单元用于设置在输电塔塔基与土体的接合面。
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