CN116625219B - 电力铁塔绝缘子串距离监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力铁塔监测技术领域，提供一种电力铁塔绝缘子串距离监测方法和系统，方法包括：分别在相邻的电力铁塔的基底设置第一监测站点、第二监测站点和第三监测站点；电力铁塔附近设有一基站；以基站为原点建立整体坐标系；以第一监测站点、第二监测站点和第三监测站点建立局部坐标系；获得相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的关系；同时，分别获取相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标；分别得到相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标；得到相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离。本方案能够有效监测相邻的电力铁塔之间绝缘子串的距离，并且可以判断塔身形变情况。

Description

电力铁塔绝缘子串距离监测方法和系统

技术领域

本发明涉及电力铁塔监测技术领域，特别是涉及一种电力铁塔绝缘子串距离监测方法和系统。

背景技术

电力铁塔的塔体稳定是保障输电线路安全运行的重要前提，尤其是在一些煤矿采空区，电力铁塔地常基存在不均匀沉降，易导致铁塔倾斜，甚至塔身出现屈服，以至于拉断导线，引起电力事故等问题，故需要对相邻电力铁塔绝缘子串之间的距离进行实时监测，对电力铁塔的健康状态进行预警。

目前，在输电线路中对铁塔运行状态进行检测的常规方法是人工周期巡检，此方法无法实时监测铁塔在运行过程中的状态。随着物联网技术的发展，人们逐渐提出采用无线传感器来监测铁塔姿态以解决监测实时性的问题，专利公开号CN110763271A《北斗卫星铁路铁塔监测装置及方法》提出采用基于北斗卫星精确定位的方式，实现对铁路铁塔进行倾斜监测、塔基沉降监测、铁塔环境监测；专利公开号CN109737922A《一种通信铁塔监测装置及方法》提出用陀螺仪监测铁塔倾斜，并给出了陀螺仪数据零漂的纠偏方法。这些方案聚焦于铁塔的姿态监测，但是对于相邻铁塔绝缘子串之间的距离监测以及铁塔的形变情况，目前的专利中未见有效的手段。

因此，亟需开发一种电力铁塔绝缘子串距离监测方法和系统，能够有效监测相邻的电力铁塔之间绝缘子串的距离，并且可以判断塔身形变情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力铁塔绝缘子串距离监测方法和系统，解决无法监测相邻电力铁塔之间绝缘子串的距离的问题，能够监测绝缘子串的距离，判断塔身形变情况。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种电子铁塔绝缘子串距离监测方法，包括以下步骤：

分别在相邻的电力铁塔的基底设置监测站点，每个电力铁塔设置有3个以上的监测站点，监测站点包括：第一监测站点、第二监测站点和第三监测站点，第一监测站点和第二监测站点的连线垂直于第一监测站点和第三监测站点的连线；以第一监测站点作为局部坐标系的原点；电力铁塔附近设有一基站；

以基站为原点建立整体坐标系；

以第一监测站点、第二监测站点和第三监测站点建立局部坐标系；

根据局部坐标系原点在整体坐标系中的坐标以及局部坐标系在整体坐标系的方向余弦，获得相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的关系；同时，分别获取相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标；

根据相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的关系及相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标分别得到相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标；

根据相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标得到相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离。

作为本发明的一示例实施方式，所述电子铁塔绝缘子串距离监测方法还包括：

得到相邻的线路铁塔的两个绝缘子串的距离之后，计算塔身倾斜度变化值，如果塔身倾斜度变化之小于或等于指定阈值，则该距离有效；否则该距离无效。

所述计算塔身倾斜度变化值的方法采用公式1：

公式1；

其中，abs表示绝对值；表示初始时刻/>方向的余弦和监测时刻/>方向的余弦的夹角；/>表示初始时刻至监测时刻塔身倾斜度变化值；K表示指定阈值；/>方向表示垂直于第一监测站点、第二监测站点、第三监测站点所在平面的方向。

作为本发明的一示例实施方式，的计算方法采用公式2：

公式2；

其中，表示初始时刻/>方向的余弦；/>表示监测时刻/>方向的余弦。

作为本发明的一示例实施方式，所述塔身倾斜度变化值根据设置在电力铁塔上的倾角监测计监测得到。

作为本发明的一示例实施方式，所述分别获取相邻的电力铁塔的局部坐标系和整体坐标系的关系的方法采用公式3：

公式3；

其中，P_A为绝缘子串在局部坐标系中的坐标；P_B为绝缘子串在整体坐标系中的坐标；T表示平移齐次变换矩阵；R表示旋转齐次变换矩阵。

作为本发明的一示例实施方式，

；/>；

其中，为/>方向的余弦；/>为/>方向的余弦；/>为/>方向的余弦；局部坐标系原点在整体坐标系中的坐标O’（x₀，y₀，z₀）；/>方向表示第一监测站点至第二监测站点的方向，/>表示第一监测站点至第三监测站点的方向，/>方向表示垂直于第一监测站点、第二监测站点、第三监测站点所在平面的方向。

作为本发明的一示例实施方式，

=/>=

；

=/>=

；

；

其中，第二监测站点在整体坐标系中的坐标为（x₁，y₁，z₁）；第三监测站点在整体坐标系中的坐标为（x₂，y₂，z₂）。

作为本发明的一示例实施方式，所述根据相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标得到相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离的方法采用公式4：

公式4；

其中，L表示相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离，一电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标为，另一电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标为/>。

作为本发明的第二个方面，本发明提供了一种电力铁塔绝缘子串距离监测系统，包括：多个监测站点、基站和数据处理装置；

相邻的两个电力铁塔的基底均设有第一监测站点、第二监测站点、第三监测站点；第一监测站点和第二监测站点的连线垂直于第一监测站点和第三监测站点的连线；

基站设在电力铁塔附近；

数据处理装置与多个监测站点和基站通讯地连接；用于计算相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离；该数据处理装置以基站为原点建立整体坐标系，以第一监测站点作为局部坐标系的原点；以第一监测站点、第二监测站点和第三监测站点建立局部坐标系；分别获取相邻的电力铁塔的局部坐标系和整体坐标系的关系；分别获取相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标；根据相邻的电力铁塔的局部坐标系和整体坐标系的关系及相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标分别得到相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标；根据相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标得到相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离。

作为本发明的一示例实施方式，所述电力铁塔绝缘子串距离监测系统还包括倾角监测计，该倾角监测计与数据处理装置通讯地连接，用于监测电力铁塔的塔身倾斜度变化值。

本发明的有益效果是：

本发明采用GNSS监测相邻的电力铁塔之间的绝缘子串距离，并且还能判断塔身形变情况，能够对电力铁塔的健康状态进行预警，保证电力输送的安全进行。

附图说明

图1示意性示出了电力铁塔上放置监测站点的示意图；

图2示意性示出了电力铁塔绝缘子串距离监测方法的步骤图。

其中，BD01—第一监测站点，BD02—第二监测站点，BD03—第三监测站点，QJ01—第一倾角监测计，QJ02—第二倾角监测计。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

下例所描述的实施例是本发明串联电池片的胶带铺设装置和铺设方法，本例仅是本发明的一部分实施例，但本发明的保护范围并不局限于此。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它实施例，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

作为本发明的第一个实施方式，提供一种电力铁塔绝缘子串距离监测系统，包括：多个监测站点、基站和数据处理装置。

相邻的两个电力铁塔的基底均设有第一监测站点BD01、第二监测站点BD02、第三监测站点BD03。第一监测站点BD01和第二监测站点BD02的连线垂直于第一监测站点BD01和第三监测站点BD03的连线。优选地，监测站点采用北斗监测站。

基站设在电力铁塔附近。优选地，基站采用北斗基站。

数据处理装置与多个监测站点和基站通讯地连接；用于计算相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离；该数据处理装置以基站为原点建立整体坐标系，以第一监测站点BD01作为局部坐标系的原点；以第一监测站点BD01、第二监测站点BD02和第三监测站点BD03建立局部坐标系；分别获取相邻的电力铁塔的局部坐标系和整体坐标系的关系；分别获取相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标；根据相邻的电力铁塔的局部坐标系和整体坐标系的关系及相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标分别得到相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标；根据相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标得到相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离。

电力铁塔绝缘子串距离监测系统还包括倾角监测计，该倾角监测计与数据处理装置通讯地连接，用于监测电力铁塔的塔身倾斜度变化值。根据塔身倾斜度变化值可以得到电力铁塔的形变情况，如果形变情况过大，则监测出的两个绝缘子串的距离无效。优选地，倾角监测计包括第一倾角监测计和第二倾角监测计，倾角监测计采用三轴倾角计。

通过本方案的系统，能够计算出相邻铁塔绝缘子串之间的距离监测以及铁塔的形变情况。

作为本发明第二个实施方式，本发明提供一种电子铁塔绝缘子串距离监测方法，采用第一个实施方式的电子铁塔绝缘子串距离监测系统，如图2所示，包括以下步骤：

分别在相邻的电力铁塔的基底设置监测站点，每个电力铁塔设置有3个以上的监测站点，监测站点包括：第一监测站点BD01、第二监测站点BD02和第三监测站点BD03，第一监测站点BD01和第二监测站点BD02的连线垂直于第一监测站点BD01和第三监测站点BD03的连线；以第一监测站点BD01作为局部坐标系的原点；电力铁塔附近设有一基站。

S1：以基站为原点建立整体坐标系。

S2：以第一监测站点BD01、第二监测站点BD02和第三监测站点BD03建立局部坐标系。

局部坐标系的原点为第一监测站点BD01，局部坐标系通过第一监测站点BD01、第二监测站点BD02和第三监测站点BD03组成的平面和该平面的法向量组建而成。局部坐标系的X轴方向即主矢量为第一监测站点BD01至第二监测站点BD02的方向，Y轴方向即主矢量/>为第一监测站BD01点至第三监测站点BD03的方向，Z轴方向即主矢量/>为第一监测站点BD01、第二监测站点BD02和第三监测站点BD03组成的平面的法向量，也是垂直于第一监测站点BD01、第二监测站点BD02、第三监测站点BD03所在平面的方向。

S3：根据局部坐标系原点在整体坐标系中的坐标以及局部坐标系在整体坐标系的方向余弦，获得相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的关系；同时，分别获取相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标。

监测站点和基站通讯地连接，基站可获取监测站点的位置信息。通过基站（北斗监测站）可以获取局部坐标系原点在整体坐标系中的坐标（x₀，y₀，z₀）以及局部坐标系的三个主矢量、/>、/>在整体坐标系的方向余弦。要求解的两绝缘子串的距离问题转化为局部坐标系向整体坐标系的坐标转换问题，只要知道了各绝缘子串在整体坐标系下的坐标，距离即可直接求解。

因此，需要直到局部坐标系和整体坐标系的关系。

在整体坐标系下：整体坐标系原点O（0，0，0），局部坐标系原点即第一监测站点BD01的坐标为（x₀，y₀，z₀），第二监测站点BD02、第三监测站点BD03的坐标分别是（x₁，y₁，z₁）、（x₂，y₂，z₂）。

局部坐标系的方向余弦/>=/>=

；

的方向余弦/>=/>=

；

的方向余弦

。

假设铁塔上某绝缘子串的局部坐标为，化为齐次为/>，整体坐标为/>，化为齐次/>，现在需要将局部坐标转换为整体坐标。

坐标转换分为平移坐标变换和旋转变换。平移齐次变换矩阵，旋转齐次变换矩阵/>，/>，由矩阵乘法结合；

因此有：

。

由上述的分析可知，分别获取相邻的电力铁塔的局部坐标系和整体坐标系的关系的方法采用公式3：

公式3；

其中，P_A为绝缘子串在局部坐标系中的坐标；P_B为绝缘子串在整体坐标系中的坐标；T表示平移齐次变换矩阵；R表示旋转齐次变换矩阵。

；/>；

其中，为/>方向的余弦；/>为/>方向的余弦；/>为/>方向的余弦；局部坐标系原点在整体坐标系中的坐标O’（x₀，y₀，z₀）；/>方向表示第一监测站点BD01至第二监测站点BD02的方向，/>表示第一监测站点BD01至第三监测站点BD03的方向，/>方向表示垂直于第一监测站点BD01、第二监测站点BD02、第三监测站点BD03所在平面的方向。

其中，

=/>=

；

=/>=

；

；

其中，第二监测站点BD02在整体坐标系中的坐标为（x₁，y₁，z₁）；第三监测站点BD03在整体坐标系中的坐标为（x₂，y₂，z₂）。

通过铁塔设计图纸、无人机摄影测量建模或全站仪测量等手段，可以获取铁塔上的绝缘子串在局部坐标系中的坐标。

S4：根据相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的关系及相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标分别得到相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标。

S5：根据相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标得到相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离。

根据相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标得到相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离的方法采用公式4：

公式4；

其中，L表示相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离，一电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标为，另一电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标为/>。

S6：计算塔身倾斜度变化值，如果塔身倾斜度变化之小于或等于指定阈值，则该距离有效；否则该距离无效。

计算塔身倾斜度变化值的方法采用公式1：

公式1；

其中，abs表示绝对值；表示初始时刻/>方向的余弦和监测时刻/>方向的余弦的夹角；/>表示初始时刻至监测时刻塔身倾斜度变化值；K表示指定阈值；/>方向表示垂直于第一监测站点BD01、第二监测站点BD02、第三监测站点BD03所在平面的方向。

初始时刻表示将倾角监测计安装在塔身上的时刻，即倾角监测计设备数据上线的时刻。

的计算方法采用公式2：

公式2；

其中，表示初始时刻/>方向的余弦；/>表示监测时刻/>方向的余弦。

塔身倾斜度变化值根据设置在电力铁塔上的倾角监测计监测得到。优选地，由于电力铁塔周围的环境恶劣，设置两个倾角监测计，为了防止其中一个异常离线。

根据塔身倾斜度变化值与指定阈值的比较，判断监测结果是否合理，如果塔身倾斜度变化值已经很大，说明铁塔已经出现了较大的形变，需要查看铁塔的现场情况。K值大小根据铁塔的结构特点和具体情况等条件进行设定。

本发明采用GNSS监测相邻的电力铁塔之间的绝缘子串距离，并且还能判断塔身形变情况，能够对电力铁塔的健康状态进行预警，保证电力输送的安全进行。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力铁塔绝缘子串距离监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

分别在相邻的电力铁塔的基底设置监测站点，每个电力铁塔设置有3个以上的监测站点，监测站点包括第一监测站点、第二监测站点和第三监测站点，第一监测站点和第二监测站点的连线垂直于第一监测站点和第三监测站点的连线；以第一监测站点作为局部坐标系的原点；电力铁塔附近设有一基站；

以基站为原点建立整体坐标系；

以第一监测站点、第二监测站点和第三监测站点建立局部坐标系；

根据局部坐标系原点在整体坐标系中的坐标以及局部坐标系在整体坐标系的方向余弦，获得相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的关系；同时，分别获取相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标；

根据相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的关系及相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标分别得到相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标；

根据相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标得到相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离。

2.根据权利要求1所述的电力铁塔绝缘子串距离监测方法，其特征在于，还包括：

得到相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离之后，计算塔身倾斜度变化值，如果塔身倾斜度变化值小于或等于指定阈值，则该距离有效；否则该距离无效。

3.根据权利要求2所述的电力铁塔绝缘子串距离监测方法，其特征在于，所示计算塔身倾斜度变化值的方法采用公式1：

公式1；

其中，abs表示绝对值；表示初始时刻/>方向的余弦和监测时刻/>方向的余弦的夹角；/>表示初始时刻至监测时刻塔身倾斜度变化值；K表示指定阈值；/>方向表示垂直于第一监测站点、第二监测站点、第三监测站点所在平面的方向。

4.根据权利要求3所述的电力铁塔绝缘子串距离监测方法，其特征在于，的计算方法采用公式2：

公式2；

其中，表示初始时刻/>方向的余弦；/>表示监测时刻/>方向的余弦。

5.根据权利要求3所述的电力铁塔绝缘子串距离监测方法，其特征在于，所述塔身倾斜度变化值根据设置在电力铁塔上的倾角监测计监测得到。

6.根据权利要求1所述的电力铁塔绝缘子串距离监测方法，其特征在于，所述分别获取相邻的电力铁塔的局部坐标系和整体坐标系的关系的方法采用公式3：

公式3；

其中，P_A为绝缘子串在局部坐标系中的坐标；P_B为绝缘子串在整体坐标系中的坐标；T表示平移齐次变换矩阵；R表示旋转齐次变换矩阵。

7.根据权利要求6所述的电力铁塔绝缘子串距离监测方法，其特征在于，

；/>；

其中，为/>方向的余弦；/>为/>方向的余弦；为/>方向的余弦；局部坐标系原点在整体坐标系中的坐标O’（x₀，y₀，z₀）；/>方向表示第一监测站点至第二监测站点的方向，/>表示第一监测站点至第三监测站点的方向，/>方向表示垂直于第一监测站点、第二监测站点、第三监测站点所在平面的方向。

8.根据权利要求7所述的电力铁塔绝缘子串距离监测方法，其特征在于，

=/>=

；

=/>=

；

；

其中，第二监测站点在整体坐标系中的坐标为（x₁，y₁，z₁）；第三监测站点在整体坐标系中的坐标为（x₂，y₂，z₂）。

9.根据权利要求1所述的电力铁塔绝缘子串距离监测方法，其特征在于，所述根据相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标得到相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离的方法采用公式4：

公式4；

其中，L表示相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离，一电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标为，另一电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标为。

10.一种电力铁塔绝缘子串距离监测系统，其特征在于，包括：多个监测站点、基站和数据处理装置；

相邻的两个电力铁塔的基底均设有第一监测站点、第二监测站点、第三监测站点；第一监测站点和第二监测站点的连线垂直于第一监测站点和第三监测站点的连线；

基站设在电力铁塔附近；

数据处理装置与多个监测站点和基站通讯地连接；用于计算相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离；该数据处理装置以基站为原点建立整体坐标系，以第一监测站点作为局部坐标系的原点；以第一监测站点、第二监测站点和第三监测站点建立局部坐标系；分别获取相邻的电力铁塔的局部坐标系和整体坐标系的关系；分别获取相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标；根据相邻的电力铁塔的局部坐标系和整体坐标系的关系及相邻的电力铁塔上的绝缘子串在该电力铁塔的局部坐标系中的坐标分别得到相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标；根据相邻的电力铁塔的绝缘子串在整体坐标系中的坐标得到相邻的电力铁塔的两个绝缘子串的距离。