輸電線路杆塔狀態在線監測裝置及其檢測方法與流程
2023-07-02 19:13:21
本發明輸電線路鐵塔監測作業領域，一種脆弱地質環境下輸電線路杆塔狀態在線監測裝置及其檢測方法。
背景技術：
輸電電路的鐵塔，在電力工程中起著託舉電力導線並使之保持適當對地絕緣距離的作用。在結構工程專業術語中，鐵塔也稱之為塔架。依據結構形式和受力特點，輸電鐵塔可以分為拉線式和自立式兩種。對於拉線式鐵塔，不僅塔身的抗扭性交差，而且一旦鐵塔基礎發生沉降，則拉線會退出工作，這樣極易造成杆塔傾斜、進而結構失穩，出現斷線倒塔的事故。相比之下，自立式輸電鐵塔具有不受地形限制、佔地少而且穩定性好的特點。因此，自立式鐵塔在電力系統中得到了廣泛採用。本發明主要針對自立式鐵塔的狀態監測技術。
傳統的鐵塔狀態監測依靠人工巡線開展。這種方法現在依然保留，但存在工作量大、準確度低、成本高等問題。後來出現了鐵塔在線狀態監測技術，依照被測對象來分，大致可以分為兩種類型。一種是在塔身2/3處和塔頂布置傾斜傳感器，直接測量塔身的傾斜。另一類是在塔身上布置傾斜傳感器、應力傳感器、振動傳感器、微氣象傳感器、拉力傳感器、攝像頭等，獲得塔身全面的應力、應力、外觀和環境的全部數據。傳感器獲取的信息，一般會通過GPRS/GSM/CDMA/3G/4G、WiFi、Zigbee、藍牙、北鬥等無線通信手段或者直接利用電力通信光纜，將數據傳回控制中心。控制中心的計算機依據獲取的信息，分析、判斷杆塔的安全狀態。這些傳感器和通信裝置，一般通過太陽能、蓄電池、小型風力發電、相線/地線感應取電等方式獲取電能。此外，還有一些技術發明是從傳感器上入手，如採用特殊的機械結構去測量杆塔的傾斜角度或者應用光纖傳感器取代電阻應力片去測量塔架應力等。上述這些新技術，相比於傳統的人工巡線，極大地提高了杆塔狀態監測的準確程度，有利於電力系統的安全運行。但總的來看，現有這些技術發明在西南地區電網實際應用中，出現了一些問題：
1)以塔身傾斜作為唯一的標準判斷塔架的安全狀態，在實際中存在判據不充分的問題。依照現有技術，塔架出現傾斜現象，則依據傾斜角度的大小判斷塔架狀態的危險程度。有可能出現這麼一種情況：塔基出現均勻的地質沉降但沒有造成明顯的鐵塔傾斜。雖然此時依據傾斜角度指標鐵塔是安全的，但塔架的安全係數已經降低，可能難以抵擋外加變化的荷載。因此，僅靠傾斜角度的當前檢測數據，難以全面反映系統的安全狀態。
2)對於構建了以塔身傾斜、導線拉力、塔材應力、攝像頭、微氣象等多源信息融合的狀態監測系統，雖然可以彌補單一傾斜數據判據不充分的弊端，但在實際應用中，限於當前的技術水平和現場的惡劣環境，往往出現測量和通信裝置供電難、傳感器故障率高、不同測試數據之間相互矛盾、系統可靠性低等情況。尤其是在我國西南山區，局部微氣象條件惡劣，地形地貌複雜多變，地質災害頻發，某些複雜的輸電鐵塔狀態監測系統，在實際應用效果不佳。因此，針對山地不良地質環境，對輸電鐵塔狀態監測技術進一步展開研究極有必要。
技術實現要素：
本發明提供一種脆弱地質環境下輸電線路杆塔狀態在線監測裝置及其檢測方法，利用應變傳感器的特殊的位置布局，獲得能辨識杆塔狀態的數據，從而達到杆塔的在線監測目的，起到杆塔不安全的情況下做到及時報警。
輸電線路杆塔狀態在線監測裝置，包括至少2個應變傳感器，所述應變傳感器安裝在塔身與塔基之間的橫隔上，橫隔包括矩形框式的橫隔主材和設置橫隔主材內的橫隔斜材，相鄰橫隔斜材交叉設置，應變傳感器設置在非同一個橫隔斜材上，2個應變傳感器的布置方向的夾角小於180度且大於0度。
輸電鐵塔安全狀態的變化，源於鐵塔所受荷載的變化。地質災害會造成鐵塔內部應力分布和形變，對於塔基遭受地質災害侵襲的杆塔，塔基地質不均勻沉降後會在鐵塔底部橫隔處產生較明顯的塑形變形，這些部位杆材有可能率先達到屈服極限，即使杆塔的傾角依然在安全範圍內。同時，地質不均勻沉降對塔體變坡以上的杆件受力影響不大。這個規律表明，針對地質類災害侵襲的杆塔狀態監測，應力傳感器更適宜布置在塔底橫隔處的杆材上。而橫隔的杆材分為主材和斜材。斜材一般採用Q235鋼，其屈服極限比橫隔主材、鐵塔主材要低很多。在鐵塔受力變化時候，更容易產生形變。同時，在斜材上進行點焊、鑽孔布置螺栓也對鐵塔的安全狀態影響更小。因此，橫隔斜材是傳感器安裝布置的合理位置。上述這些研究成果，如果用於輸電鐵塔在線狀態監測，就可以用比較少的傳感器，構建一個更具針對性、更精準、功耗和通信數據量更低的監測系統，從而避開現有技術依賴單一的杆塔傾斜數據或者複雜多源數據的弊端。因此，本發明將應變傳感器設置在非同一個橫隔斜材上，且2個應變傳感器的布置方向的夾角小於180度且大於0度。以此可以構建一個更具針對性、更精準、功耗和通信數據量更低的監測系統，本發明的應變傳感器可以只使用2個，而傳統的檢測系統需要大量的應變傳感器，且應變傳感器的位置位於塔身上。
優選的，所述應變傳感器的數量為2個，且這2個應變傳感器分別設置在正交設置的2個橫隔斜材上，2個應變傳感器成正交設置。採用正交設置2個應變傳感器，有利用從兩個方向上採集應變數據，國家全面的掌握杆塔的受力情況。
優選的，還包括位於塔身2/3處且位於杆塔中心線上的第一雙軸傾斜傳感器，還包括位於杆塔頂端且位於杆塔中心線上的第二雙軸傾斜傳感器。
優選的，由於本發明的在線檢測針對的是輸電線路杆塔，電源供給、設備故障機率是一個技術難題，傳統的技術直接採用小型風能發電、太能發電設備為整個在線檢測設備供電，且整個檢測設備處於持續的工作狀態，而由於風能和太陽能的持續性能差，無法長時間供電，一旦電源耗盡，沒有補償電源的情況下，整個在線檢測系統則處於停機狀態。
為了解決上述問題，本發明採用分組方式，將所有傳感器設備分為2組，每一組的傳感器都至少包括1個應變傳感器和至少1個傾斜傳感器，具體的：第一組數據採集端包括至少1個應變傳感器和第一雙軸傾斜傳感器，第二組數據採集端包括至少1個應變傳感器和第二雙軸傾斜傳感器；同時，設置2個開關組分別控制第一組數據採集端和第二組數據採集端的電源，利用控制器交替控制2個開關組，具體的，控制器控制第一組開關啟動，則第一組數據採集端的應變傳感器和第一雙軸傾斜傳感器啟動開始採集數據，而第二組開關關閉，第二組數據採集端的應變傳感器和第二雙軸傾斜傳感器不啟動，控制器控制第二組開關啟動，則第二組數據採集端的應變傳感器和第二雙軸傾斜傳感器啟動開始採集數據，而第一組開關關閉，第一組數據採集端的應變傳感器和第一雙軸傾斜傳感器不啟動。這樣就可以保證一次檢測活動就可以以極少的傳感器採集到相應的數據，極大的降低能耗，可以綜合查看2次的數據來評判整個杆塔狀態，不影響整個杆塔的檢測。
具體的還包括數據集中器，所述數據集中器包括電源管理模塊和控制器；
所述控制器採集所有應變傳感器、第一雙軸傾斜傳感器、第二雙軸傾斜傳感器的數據；
還包括與電源管理模塊連接的並受控制器控制的第一組開關和第二組開關，所有應變傳感器、第一雙軸傾斜傳感器、第二雙軸傾斜傳感器構成數據採集端，所述數據採集端分為2組，第一組數據採集端包括至少1個應變傳感器和第一雙軸傾斜傳感器，第二組數據採集端包括至少1個應變傳感器和第二雙軸傾斜傳感器，其中，第一組開關設置在第一組數據採集端的應變傳感器和第一雙軸傾斜傳感器的電源迴路上，第二組開關設置在第二組數據採集端的應變傳感器和第二雙軸傾斜傳感器的電源迴路上。
所述數據集中器還包括原始數據存儲模塊，原始數據存儲模塊用於存儲控制器獲得的數據，還包括數據格式轉換模塊、無線通信模塊，數據格式轉換模塊規範控制器獲得的數據的數據格式，無線通信模塊轉發規範後的數據。
另外，上述原始數據存儲模塊可以在杆塔處於正常狀態下儲存數據，當數據存儲到預定值後，從而啟動無線通信模塊一次性轉發所歷史數據，達到低能耗的目的。
且上述設計還可以使得各個傳感器輪值啟動，無線通信模塊的啟動頻率降低，增加上述設備的使用壽命，降低設備的故障機率，同時，將上述傳感器採用分組設計，也可以起到，一組設備故障後，另一組設備可以正常工作，防止一個設備工作導致整個系統無法起到檢測的目的。
在降低系統功耗和數據通信量上所採用的方式是：
基於所述的輸電線路杆塔狀態在線監測裝置的檢測方法，包括以下步驟：
S1步驟、通過應力傳感器獲得應力值，通過第一雙軸傾斜傳感器和第二雙軸傾斜傳感器檢測順線路方向的傾斜角度和杆塔橫擔軸線方向的傾斜角度；
S2步驟、獲得杆塔傾斜角度，杆塔傾斜角度，為順線路方向的傾斜角度、杆塔橫擔軸線方向的傾斜角度，單位為弧度；
S3步驟、控制器獲得杆塔傾斜角度、應力值，
當杆塔傾斜角度、應力值中任意一值達到提示級別時，轉到S4步驟，
當杆塔傾斜角度、應力值中任意一值達到預警級別時，轉到S5步驟，
當杆塔傾斜角度、應力值中任意一值達到報警級別時，轉到S6步驟，
當杆塔傾斜角度、應力值中任意一值未達到提示級別時，轉到S7步驟，
S4步驟、控制器控制電源管理模塊，使得數據採集時間間隔為F1分鐘，控制器控制無線通信模塊將數據採集後立即發送出去，
S5步驟、控制器控制電源管理模塊，使得數據採集時間間隔為F2分鐘，控制器控制無線通信模塊將數據採集後立即發送出去，
S6步驟、控制器控制電源管理模塊，使得數據採集時間間隔為F3分鐘，控制器控制無線通信模塊將數據採集後立即發送出去，
S7步驟、控制器控制電源管理模塊，使得數據採集時間間隔為F0分鐘，每次數據採集後打上時間標籤存儲到存儲控制器中形成一組數據，待存儲控制器存滿Z組後，控制器控制無線通信模塊將一次性將存儲控制器內的數據發送出去，並清零存儲控制器，
其中，F0＞F1＞F2＞F3。
另外，本發明通過上述方式設計數據的傳輸模式，且根據杆塔傾斜角度、應力值的大小自動判斷杆塔狀態處於何種等級，從而啟動對於的數據傳輸模式，這樣就可以在緊急情況下，以高頻率發生數據，在正常情況下以低頻率發生數據，達到能耗最小化的目的，數據通信量最小化的目的。
控制器每間隔F0分鐘或F1分鐘或F2分鐘或F3分鐘後通過控制第一組開關和第二組開關交替啟動第一組數據採集端、第二組數據採集端的杆塔傾斜角度、應力值。
對於鋼管輸電線路杆塔和50米及以上高度直線角鋼輸電線路杆塔，其杆塔傾斜角度的提示級別的值為0.003弧度、應力值的提示級別的值為15MPa，其杆塔傾斜角度的預警級別的值為0.004弧度、應力值的提示級別的值為30MPa，其杆塔傾斜角度的報警級別的值為0.005弧度、應力值的提示級別的值為50MPa。
對於鋼管輸電線路杆塔和50米以下高度直線角鋼輸電線路杆塔，其杆塔傾斜角度的提示級別的值為0.003弧度、應力值的提示級別的值為15MPa，其杆塔傾斜角度的預警級別的值為0.007弧度、應力值的提示級別的值為30MPa，其杆塔傾斜角度的報警級別的值為0.01弧度、應力值的提示級別的值為50MPa。
本發明的有益效果是：充分利用塔基與杆塔聯結處橫隔斜材對塔基受力變化敏感的規律，對其應力變化進行監測。並結合現有的基於塔身傾斜角度的杆塔傾斜監測技術，二者共同構建一個傳感器數量適中、應力與傾角數據相融合、更適合地質不良區域的杆塔安全狀態監測系統和裝置，彌補現有監測技術要麼過簡導致判據不充分、要麼過繁導致運行可靠性低的不足。本發明所採用的傳感器，在電力部門輸變電設備狀態監測領域均為常規傳感器，技術成熟，應用廣泛，和現有技術相比，最大的區別在於傳感器的布置設計方案和設定的閾值。而硬體設備上的一致性便於本發明的推廣應用。
附圖說明
圖1是檢測裝置安裝在輸電線路杆塔的布局示意圖。
圖2是數據集中器的結構示意圖。
圖3是本發明的流程示意圖。
圖4是應變傳感器的布置示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地的詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1：
如圖1-圖4所示，輸電線路杆塔包括塔身1與塔基2，塔身1與塔基2之間採用橫隔連接，橫隔包括橫隔主材和橫隔斜材3，圖1中這裡有相互正交的「十」字形交叉兩根橫隔斜材3，為圖4中的布置方案情況所示，採用點焊或者螺栓固定的方式布置2個應變傳感器4分別位於兩根橫隔斜材3上。在輸電鐵塔塔身2/3處的中心線和杆塔頂端中心線上，布置第一雙軸傾斜傳感器6和第二雙軸傾斜傳感器7。每個第一雙軸傾斜傳感器6和第二雙軸傾斜傳感器7可以監測順線路方向傾斜角度（稱之為x方向）和杆塔橫擔軸線方向（稱之為y方向）的傾斜角度，二者的平方和再開方即為傾角傳感器在該點所測量到的杆塔傾斜角度。雙軸傾斜傳感器安裝完成後，採用現場適宜的標準角度測量工具，對每臺雙軸傾斜傳感器的初始測量值進行校準，獲得杆塔在該點準確的初始傾斜角（這部分技術也是本技術領域的常用手段，在此不再贅述）。這裡的應力傳感器和傾角傳感器的工作原理均是將被測物理量轉換為電壓信號的原理，如電阻應變片式或者是微機電原理（MEMS: Micro-Electro-Mechanical System）技術。
數據集中器8位於杆塔的橫擔處。數據集中器8採用電源9（太陽能+蓄電池的方式）供電，數據集中器8通過無線通信網絡和位於遠處的輸電線路狀態監測主站系統11進行通信。同時數據集中器8中控制應變傳感器4、第一雙軸傾斜傳感器6和第二雙軸傾斜傳感器7的供電，每個應變傳感器4、第一雙軸傾斜傳感器6和第二雙軸傾斜傳感器7通過相互獨立的並聯供電線路獲得電源，同時數據集中器8採用相互獨立的RS485總線線纜與每個應變傳感器4、第一雙軸傾斜傳感器6和第二雙軸傾斜傳感器7進行獨立的通信。讀取每個應變傳感器4、第一雙軸傾斜傳感器6和第二雙軸傾斜傳感器7的數據，數據集中器8以符合國家電網公司企業標準《輸電線路杆塔傾斜監測裝置技術規範》（Q/GDW 559-2010）規定的數據格式藉助無線通信網絡上傳給輸電線路狀態監測主站系統11。該數據格式是本技術領域的所熟知的數據格式，在此不再贅述其詳細的規定。
需要說明的是，圖1中，在塔身1與塔基2相連的橫隔斜材3是「十」字形交叉兩根杆材，所以布置了應力傳感器4和5。某些杆塔橫隔，斜材布置方案可能為正方形、正方形+「十」字形、混合形等不同形式，對應應力傳感器則可以正交地布置2個和3個，這種布置方式，不增加傳感器的數量，減少功耗和數據通信量，同時又能夠全面均衡地監測杆塔四個塔腿的地質變化。這些應力傳感器均需自帶溫度補償，且以點焊或者螺栓聯結的方式固定在塔材上。
數據集中器8在整個監測系統中起到了本地裝置的供電、通信、數據處理、功耗控制的功能。其工作情況見圖2虛線框中的部分。在供電方面，數據集中器8由電源9（太陽能電池板+蓄電池）聯合供電，數據集中器8內部帶有一個電源管理模塊803。電源管理模塊給控制器供電，同時針對本實施例的每個應變傳感器4、第一雙軸傾斜傳感器6和第二雙軸傾斜傳感器7，輸出4路電壓進入電子開關Q1。控制器805中控制信號807輸出高電平1，則Q1中第一組開關中的K11、K12接通，電源管理模塊將電源9的電壓轉換成符合應變傳感器4、第一雙軸傾斜傳感器6額定電壓給其供電；如果控制器805中控制信號807輸出低電平0，則Q1中第二組開關中的開關K13、K14接通，電源管理模塊將電源9的電壓轉換成符合應變傳感器4、第二雙軸傾斜傳感器7的額定電壓給其供電。這樣子，可以實現傳感器的分組供電，降低系統的功耗。在通信方面，應變傳感器4、第一雙軸傾斜傳感器6、第二雙軸傾斜傳感器7採集的信號以RS485總線的形式連接到控制器805處，由控制器805依照圖3給定的數據採集和通信的約定方式，讀取傳感器的數據。數據首先打上當前的時間標籤後，存在控制器805的內部存儲器中，同時存入原始數據存儲模塊802（在控制器805內部存儲器中額外開闢的一塊數據存儲區域）中。數據集中器8中，原始數據存儲模塊802數據存儲區的容量需足夠大，能夠保存30天以上的數據，否則可擴展存儲器設計。在原始數據存儲模塊802中，數據一旦存儲滿了，則利用先進先出的原則，用新的數據覆蓋最早的數據，如此循環。同時，控制器805也依照圖3給定的數據採集和通信的約定方式，如果滿足上傳數據的條件，則從控制器晶片的內部存儲器中讀取測試數據，經數據格式轉換模塊804處理成符合電力系統行業標準的格式後，由無線通信模塊806發射數據。控制器805需要內部計時，則由恆溫晶振801提供準確的振蕩信號。
對於輸電桿塔狀態在線監測系統，系統供電是一個難題。在當前技術水平下，功率消耗比較大的部分是傳感器和通信模塊。節省能量開銷的主要辦法是儘量降低它們的啟動次數，同時又滿足系統在線監測的功能。本發明將所有的傳感器分為兩組，利用二者依次交替工作的方式，可以降低約一半的功耗，提高供電的可靠性。對於本實施例中採用了2個應變傳感器、2個雙軸傾斜傳感器，圖3給出了數據集中器8中數據採集和通信控制的策略。在圖3中，2個應變傳感器、2個雙軸傾斜傳感器採集的數據以RS485協議的方式進入控制器805。控制器805對數據進行分析，依照事先設定的閾值，判斷杆塔狀態的嚴重程度，進而確定數據採集和通信的時間間隔是60分鐘、30分鐘、15分鐘或者10分鐘。正常情況下，數據集中器60分鐘啟動一組傳感器進行測試，交替進行。如果其中所有數據均不到提示級別，則數據存儲在數據集中器中（其存儲容量至少滿足30天運行數據的存儲需求）。存滿24組數據後，則啟動數據集中器中的通信模塊，將測試數據通過無線通信網絡的方式傳回輸電線路狀態監測主站系統。如果任一數據達到了提示級別，則數據採集間隔縮短為30分鐘，而且數據採集之後立即上傳至主站系統。如果任一數據達到了預警級別，則數據採集間隔縮短為15分鐘（由於是分成了2組，因此對於每個傳感器而已，工作時間間隔是30分鐘），數據也是隨採隨傳。如果任一數據達到了報警級別，則數據採集間隔縮短為10分鐘，數據隨採隨傳。傳感器的閾值分為提示/預警/報警三檔的設定值如下。對於傾角傳感器，對鋼管塔和50米及以上高度直線角鋼杆塔，為0.003/0.004/0.005弧度；而對於50米以下高度直線角鋼杆塔，設定值為0.003/0.007/0.01弧度。對於應力傳感器，無論塔高和型號，提示/預警/報警的設定值分別為15MPa/30MPa/50MPa。
具體的，本發明的輸電線路杆塔狀態監測裝置，在降低系統功耗和數據通信量上所採用的方式是，將上述的2個雙軸傾角傳感器和橫隔斜材上的應力傳感器平均分為兩組（兩組各含1個雙軸傾角傳感器及1個的應力傳感器）。正常情況下，數據集中器60分鐘啟動一組傳感器進行測試，交替進行。如果其中所有數據均不到提示級別，則數據存儲在數據集中器中（其內部存儲器容量滿足至少存儲30天運行數據的需要）。存滿24組數據後，則啟動數據集中器中的通信模塊，將測試數據以無線的方式傳回輸電線路狀態監測主站系統。如果任一數據達到了提示級別，則數據採集間隔縮短為30分鐘，而且數據採集之後立即上傳至主站系統。如果任一數據達到了預警級別，則數據採集間隔縮短為15分鐘（由於是分成了2組，因此對於每個傳感器而已，工作時間間隔是30分鐘），數據也是隨採隨傳。如果任一數據達到了報警級別，則數據採集間隔縮短為10分鐘，數據隨採隨傳。這種數據採集和通信的頻率，由數據集中器本地控制。
在輸電線路狀態監測主站系統11，數據分析處理軟體將負責接收無線通信模塊發來的數據，並進行顯示、存儲、安全狀態判斷、趨勢預測。在進行安全狀態判斷的時候，依照數據集中器8中相同的提示/預警/報警的設定值，藉助聲音、色彩、光等手段，採用頁面、簡訊、郵件等形式，發送杆塔安全狀態信息。當任一傳感器發來的數據超過了其歷史最大值的時候，即使沒有達到提示的級別，也將給出提示信息，提醒管理人員對該杆塔的狀態予以關注。此外，輸電線路狀態監測主站系統11的數據分析處理軟體也能夠根據歷史監測數據，採用時間序列一階線性遞推的方法簡單地預測杆塔安全狀態的演變趨勢。這種方法屬於本領域中的常規技術，在此不再贅述。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明做任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發明的保護範圍之內。