CN113239506A - 一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，包括远程管理终端、至少一个电磁波传感器和至少一个形变检测器，远程管理终端发射超宽带电磁波信号，通过电磁波传感器接收电磁波，通过形变检测器检测利用回波信号相位变化差值反演出的形变量，此基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，监测距离长，可以实现多点监测，且不受气象环境限制，能够实时连续全天候的监测，并利用杆塔多观测点同时提取与形变测量技术，实现多点测量，达到监测导线舞动和杆塔形变的目的，使得成本低，从而保证很好的实现杆塔状态运行的评估及时预警，确保输电线路的安全，减少电网事故的发生，降低电网跳闸率，大大提高电网的可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及杆塔监测技术领域，具体为一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型。
背景技术
随着社会和经济的发展，越来越多的高电压等级的输电线路逐步在勘察、设计、建造中，而高压输电线路大多处于野外运行，长期经受恶劣条件的考验，2004年有3个台风登陆浙江，为历年最多，1972年、1974年、1989年、 2000年、2005年和2007年都有2个台风登陆浙江，并列为历年次多，从登陆强度分布来看，各强度均有登录记录，其中以台风级登陆的次数最多，以强热带风暴级登陆的次数次多，登陆浙江省的最强台风为2006年第8号台风“桑美”，登陆时风力为17级(60m/s，920hPa)，从登陆月份分布来看，浙江省台风季期间为5月-10月，其中以7-8月最为集中，约占72％。该地区的线路跳闸数据表明，台风灾害引起的线路故障已占到跳闸总数的30％以上，很多地区都曾发生因台风灾害，造成断线、闪络、杆塔倒塌等事故，给当地电力部门带来重大经济损失，为了能够准确地对输电线路杆塔及导线进行监测，帮助电力部门尽早发现隐患、排除故障、预警灾害显得至关重要。
目前，常规的形变监测技术主要有：大地测量法、测量机器人技术、GPS 变形监测技术、摄影测量法，测量设备包括倾斜仪、位移计、应变测量计、全站仪、GPS测量等，根据工作模式和测量特点来看，这些测量设备均属于单点形变测量系统，它们是目前应用最为广泛的形变监测手段，但存在以下应用局限性：
(1)组建成本高，逐点测量形变监测系统，在监测大型杆塔时需要密集布设传感器，野外工作量大，造成系统成本高、测量速度慢等问题；
(2)智能化程度低，系统构建比较费时，而且运行过程中检测和修复损坏器件等工作都将耗费较大的时间和成本；
(3)全天候工作能力低，很多传统监测方法，如全站仪属于光学测量仪器，在光线昏暗和雨天不能使用，很难实现全天实时监测；再如GPS监测的条件是要求卫星信号良好、天气条件较好，为此，我们提出一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，包括远程管理终端、至少一个电磁波传感器和至少一个形变检测器；
远程管理终端发射超宽带电磁波信号，通过电磁波传感器接收电磁波，通过形变检测器检测利用回波信号相位变化差值反演出的形变量，同时通过精确位移技术测量的形变量算出导线舞动和杆塔的真实形变量，对高压输电线杆塔的机械失效进行分析，物理计算得出的基础参数形成数据库，用微波干涉的形变监测系统对输电线路杆塔进行带电检测，获得数据传送集控中心，通过比对做出判断，发出预警响应，以进行持续监测评估，监测距离长，可以实现多点监测，且不受气象环境限制，能够实时连续全天候的监测，并利用杆塔多观测点同时提取与形变测量技术，实现多点测量，达到监测导线舞动和杆塔形变的目的，使得成本低，从而保证很好的实现杆塔状态运行的评估及时预警，确保输电线路的安全，减少电网事故的发生，降低电网跳闸率，大大提高电网的可靠运行。
优选的，在通过形变检测器检测利用回波信号相位变化差值反演出的形变量后，根据杆塔的受力模型，构建杆塔的形变模型，由此可以知道输电杆塔上各点形变量之间的关系。使用测量的各点目标的形变量数据就能够拟合出杆塔的真实形变量。
例如，假设杆塔可以看做是单端固定的悬臂梁模型，那么根据悬臂梁模型的各点形变量之间的关系
H为塔体高度，h为观测位置高度，F为受力，E为弹性模量，I为截面惯性矩
由此可知，在该模型下只要能够得到杆塔上一个目标点的形变量就能够拟合出整个杆塔的形变量。
优选的，远程管理终端采用嵌入式GPU处理架构，以最低的功耗实现最高的并行处理速度，同时能够降低成本。
优选的，其回波信号采集数据有目标杆塔至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息，并在雷达散射图中利用空间多点识别技术将目标点一一提取出来，实现多点监测。
优选的，其回波信号信息处理时利用合成孔径雷达干涉技术，进而提取地表三维形变特征及其变化。
优选的，在处理电磁波的回波信号时，经混频、滤波和采样处理，提取每一个频率点上回波的振幅和相位，相当于系统在频域上提取目标的幅频响应，最后通过逆傅里叶变换重构出目标的响应，将原本持续时间较长的波形压缩成一个很窄的脉冲，以较好地分辨相隔很近的目标。
优选的，其特征在于：在持续监测评估过程中，利用相位干涉测量方法，使用两幅或多幅合成孔径图像，这些图像对应于不同时刻对相同检测区域的重复观测，根据系统接收到的回波的相位差反演生成目标形变图，该形变图表示了目标在系统视线方向的位移大小，信息处理软件可以根据目标的相对视角和先验信息估计出目标的真实形变(位移)大小。
优选的，在相位干涉测量时，当系统第一次发射和接收电磁波，可确定目标相对于系统的距离r1，当目标位置发生变化后，系统再次发射和接收电磁波，可确定目标变化后的距离r2，将两次电磁回波共轭相乘，可以提取与目标位移大小相关的相位差信息：
在得到相位差后，即可推算出目标的位移量r1-r2。由于电磁波的发射波长很短(厘米级)，因此通过相位差，估计目标位置可以达到很高的精度，在快速形变检测系统中，发射波长约为1.7cm，位移估计精度可达0.1mm，能够满足目前杆塔形变测量的精度要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明监测距离长，可以实现多点监测，且不受气象环境限制，能够实时连续全天候的监测，并利用杆塔多观测点同时提取与形变测量技术，实现多点测量，达到监测导线舞动和杆塔形变的目的，使得成本低，从而保证很好的实现杆塔状态运行的评估及时预警，确保输电线路的安全，减少电网事故的发生，降低电网跳闸率，大大提高电网的可靠运行。
附图说明
图1为本发明电磁波接收主机设计框图；
图2为本发明干涉相位反演目标位移原理图；
图3为本发明脉冲压缩原理图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，包括远程管理终端、至少一个电磁波传感器和至少一个形变检测器；
远程管理终端发射超宽带电磁波信号，通过电磁波传感器接收电磁波，通过形变检测器检测利用回波信号相位变化差值反演出的形变量，同时通过精确位移技术测量的形变量算出导线舞动和杆塔的真实形变量，对高压输电线杆塔的机械失效进行分析，物理计算得出的基础参数形成数据库，用微波干涉的形变监测系统对输电线路杆塔进行带电检测，获得数据传送集控中心，通过比对做出判断，发出预警响应，以进行持续监测评估。
其中，发射信号频率f0～f1，所以由发射端耦合出的一路信号与发射信号同频同相，且相位噪声相同，因此该方案下能实现相位噪声的对消，同时可以看到该方案下，利用正交调制器将频率在f0～f1的宽带信号产生频偏Δf，因此混频器将接收信号与频率在f0+Δf～f1+Δf的信号混频后得到了频率在Δf附近的中频信号，该信号经过带通滤波器后即被采集板采集成数字信号，因为在该体制下，信号将被搬移到Δf附近，所以可以避开在零中频附近出现的各种问题，如本振泄露、直流偏置等均可以在本方案中得到明显改善；同时固定中频方案中出现的相位噪声不能够完全对消的问题在本方案中也能够得到解决。
在通过形变检测器检测利用回波信号相位变化差值反演出的形变量后，根据杆塔的受力模型，构建杆塔的形变模型，由此可以知道输电杆塔上各点形变量之间的关系。使用测量的各点目标的形变量数据就能够拟合出杆塔的真实形变量。
例如，假设杆塔可以看做是单端固定的悬臂梁模型，那么根据悬臂梁模型的各点形变量之间的关系
H为塔体高度，h为观测位置高度，F为受力，E为弹性模量，I为截面惯性矩
由此可知，在该模型下只要能够得到杆塔上一个目标点的形变量就能够拟合出整个杆塔的形变量。
远程管理终端采用嵌入式GPU处理架构，以最低的功耗实现最高的并行处理速度，同时能够降低成本。
其回波信号采集数据有目标杆塔至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息，并在雷达散射图中利用空间多点识别技术将目标点一一提取出来，实现多点监测。
其回波信号信息处理时利用合成孔径雷达干涉技术，进而提取地表三维形变特征及其变化。
在处理电磁波的回波信号时，经混频、滤波和采样处理，提取每一个频率点上回波的振幅和相位，相当于系统在频域上提取目标的幅频响应，最后通过逆傅里叶变换重构出目标的响应，将原本持续时间较长的波形压缩成一个很窄的脉冲，以较好地分辨相隔很近的目标。
在持续监测评估过程中，利用相位干涉测量方法，使用两幅或多幅合成孔径图像，这些图像对应于不同时刻对相同检测区域的重复观测，根据系统接收到的回波的相位差反演生成目标形变图，该形变图表示了目标在系统视线方向的位移大小，信息处理软件可以根据目标的相对视角和先验信息估计出目标的真实形变(位移)大小。
在相位干涉测量时，当系统第一次发射和接收电磁波，可确定目标相对于系统的距离r1，当目标位置发生变化后，系统再次发射和接收电磁波，可确定目标变化后的距离r2，将两次电磁回波共轭相乘，可以提取与目标位移大小相关的相位差信息：
在得到相位差后，即可推算出目标的位移量r1-r2。由于电磁波的发射波长很短(厘米级)，因此通过相位差，估计目标位置可以达到很高的精度，在快速形变检测系统中，发射波长约为1.7cm，位移估计精度可达0.1mm，能够满足目前杆塔形变测量的精度要求。
需要说明的是，本方案对对线路杆塔形变与导线舞动进行了分级，并且可根据应用场景对阈值进行灵活配置，设置适合本区域内的分级预警，当杆塔形变量和导线舞动幅值达到设置的阈值，系统会按照级别，进行分级报警并自动推送报警信息，方便工作人员根据报警信息及时做出相应措施，减少风灾给输电线路带来的危害。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，包括远程管理终端、至少一个电磁波传感器和至少一个形变检测器；
远程管理终端发射超宽带电磁波信号，通过电磁波传感器接收电磁波，通过形变检测器检测利用回波信号相位变化差值反演出的形变量，同时通过精确位移技术测量的形变量算出导线舞动和杆塔的真实形变量，对高压输电线杆塔的机械失效进行分析，物理计算得出的基础参数形成数据库，用微波干涉的形变监测系统对输电线路杆塔进行带电检测，获得数据传送集控中心，通过比对做出判断，发出预警响应，以进行持续监测评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，其特征在于：在通过形变检测器检测利用回波信号相位变化差值反演出的形变量后，根据杆塔的受力模型，构建杆塔的形变模型，由此可以知道输电杆塔上各点形变量之间的关系。使用测量的各点目标的形变量数据就能够拟合出杆塔的真实形变量。
例如，假设杆塔可以看做是单端固定的悬臂梁模型，那么根据悬臂梁模型的各点形变量之间的关系
H为塔体高度，h为观测位置高度，F为受力，E为弹性模量，I为截面惯性矩
由此可知，在该模型下只要能够得到杆塔上一个目标点的形变量就能够拟合出整个杆塔的形变量。
3.根据权利要求1所述的一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，其特征在于：远程管理终端采用嵌入式GPU处理架构，以最低的功耗实现最高的并行处理速度，同时能够降低成本。
4.根据权利要求1所述的一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，其特征在于：其回波信号采集数据有目标杆塔至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息，并在雷达散射图中利用空间多点识别技术将目标点一一提取出来，实现多点监测。
5.根据权利要求1所述的一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，其特征在于：其回波信号信息处理时利用合成孔径雷达干涉技术，进而提取地表三维形变特征及其变化。
6.根据权利要求5所述的一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，其特征在于：在处理电磁波的回波信号时，经混频、滤波和采样处理，提取每一个频率点上回波的振幅和相位，相当于系统在频域上提取目标的幅频响应，最后通过逆傅里叶变换重构出目标的响应，将原本持续时间较长的波形压缩成一个很窄的脉冲，以较好地分辨相隔很近的目标。
7.根据权利要求1所述的一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，其特征在于：在持续监测评估过程中，利用相位干涉测量方法，使用两幅或多幅合成孔径图像，这些图像对应于不同时刻对相同检测区域的重复观测，根据系统接收到的回波的相位差反演生成目标形变图，该形变图表示了目标在系统视线方向的位移大小，信息处理软件可以根据目标的相对视角和先验信息估计出目标的真实形变(位移)大小。
8.根据权利要求7所述的一种基于台风天气的杆塔形变及导线舞动风险评估模型，其特征在于：在相位干涉测量时，当系统第一次发射和接收电磁波，可确定目标相对于系统的距离r1，当目标位置发生变化后，系统再次发射和接收电磁波，可确定目标变化后的距离r2，将两次电磁回波共轭相乘，可以提取与目标位移大小相关的相位差信息：
在得到相位差后，即可推算出目标的位移量r1-r2。由于电磁波的发射波长很短(厘米级)，因此通过相位差，估计目标位置可以达到很高的精度，在快速形变检测系统中，发射波长约为1.7cm，位移估计精度可达0.1mm，能够满足目前杆塔形变测量的精度要求。
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| CN114548832A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-05-27 | 北京千尧新能源科技开发有限公司 | 一种基于大数据的风电设备状态评估方法及系统 |
| CN117471452A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-01-30 | 江苏讯汇科技股份有限公司 | 基于毫米波雷达的输电线路导线舞动监测方法 |
| CN117471452B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-03-08 | 江苏讯汇科技股份有限公司 | 基于毫米波雷达的输电线路导线舞动监测方法 |
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