一种输电铁塔振动位移实时监测系统的制作方法

本发明涉及输电铁塔监测领域，尤其是涉及一种输电铁塔振动位移实时监测系统。

背景技术：

中国北方地区的高压输电线路舞动现象是威胁电网安全运行的主要问题，尤其是500kV及其以上主干网线路，一旦发生风偏放电，引起跳闸，将造成大面积停电，不但产生直接的经济损失，还会严重威胁电网的安全和可靠性。

近年来，随着电网建设的发展，以及灾害性气象条件的影响，我国架空输电线舞动事故发生的频率和强度都明显增加。覆冰导线的舞动除了可能引起电气事故外，严重时还会导致断线、铁塔受损甚至倒塔等严重事故。舞动一般首先造成塔材螺栓松动，进而横担断裂，然后发生掉线事故。在舞动产生恶劣后果前，实时监测分析塔材的舞动振动特性，对于研究并预警线路舞动危害至关重要。

公开号CN 104501769提供了一种输电线路杆塔状态检测方法及其装置，通过测距装置测量数据，计算纬度、经度、海拔的步骤，以及计算偏移量的步骤。公开号CN 102494650提供了一种杆塔位移监测系统，包括杆塔位移监测终端及与其电连接的地下位移监测终端；杆塔位移监测终端设置在杆塔上， 包括主控模块，及与主控模块分别电连接的地上杆塔位移传感器、电源模块及通讯模块；地下位移监测终端设置在地下基岩上，包括控制模块及与其电连接的位移传感器，通过利用位移传感器分别监测杆塔及基岩的位移量，通过杆塔位移量和基岩位移量，可以计算出杆塔相对于基岩的位移量。

公开号CN201233275的中国专利公开了一种精确测量高压线路舞动幅值及频率的检测装置，包括密封壳体及壳体内设置的供电感应电路和数据处理电路；数据处理电路包括低功耗单片机、振动幅值检测电路、振动频率检测电路、信号放大电路、采样保持电路、A/D 转换电路及信号长距离发射电路。公开号CN201134152 的中国专利提供一种架空输电线路舞动监测装置及系统，包括：加速度传感器、信号调理单元、无线收发单元以及电源；加速度传感器与信号调理单元相耦合，信号调理单元与无线收发单元相耦合；加速度传感器对架空输电线路导线上的舞动监测点的舞动加速度信号进行监测，并将监测的加速度信号传送给信号调理单元；信号调理单元对加速度信号进行信号调理，并将生成的加速度标准信号传送给无线收发单元；无线收发单元将接收的加速度标准信号进行无线发射；电源用于提供工作电能。

而导线舞动造成的杆塔塔材振动不同于一般的振动类型，属于0.1—3Hz的低频、超低频振动，因此测量方法不同于一般的杆塔位移测量。现有的输电线路舞动测量技术多集中于导线舞动轨迹的测量；导线舞动特征是低频、大振幅，而塔材振动位移特点是低频、位移量小，因此测量方法与导线舞动轨迹的测量不同，而目前尚未有针对输电铁塔塔材舞动位移监测的装置。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种输电铁塔振动位移实时监测系统，用以实时监测塔材的振动位移。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种输电铁塔振动位移实时监测系统，包括传感单元、信号调理隔离单元、信号采集平台、供电单元、通讯单元和位移转换单元，所述传感单元为加速度传感器，所述加速度传感器与信号调理隔离单元连接，所述信号调理隔离单元与所述信号采集平台连接，所述信号采集平台经通讯单元连接测控单元，所述测控单元连接位移转换单元，所述供电单元为信号采集平台供电；

加速度传感器采集铁塔塔材的加速度信号；将采集到的加速度信号经信号调理隔离后传送到信号采集平台；由所述信号采集平台经通讯单元将信号传送至测控单元，离线读取加速度信号；

所述位移转换单元利用傅里叶变换，将加速度时域信号转换为频域信号，对加速度频谱除以ω²，ω为角频率；选取高通频道得到的频域信号进行截断滤波后转换为位移频谱；将所述位移频谱进行傅里叶反变换为位移时域信号，得到铁塔塔材的实时位移。

优选的，所述信号采集平台采用NIcRIO信号采集平台。

优选的，所述信号采集平台经数据采集卡与信号调理隔离单元连接。

优选的，所述加速度传感器采用电容式加速度传感器。

优选的，所述加速度传感器包括三轴加速度传感器和单轴加速度传感器。

优选的，所述信号采集平台设置在不锈钢防水箱内，所述不锈钢防水箱设置在塔材上。

优选的，所述加速度传感器设置在不锈钢防水箱内，所述不锈钢防水箱设置在塔材上。

优选的，所述信号调理隔离单元设置在不锈钢防水箱内，所述不锈钢防水箱设置在塔材上。

本发明的有益效果是：

本发明在铁塔塔材上设置多个加速度传感器，能够实时监测杆塔塔材的振动位移，在输电导线舞动状态下，便于电力工作人员实时监测杆塔位移量大小，依此来对杆塔的安全状态进行判断，一旦杆塔有发生危险的趋势，能够及时采取补救措施。

本发明采用模块化结构，系统可靠性提高，同时也大幅度减轻了现场检修、故障排查工作的难度。同时，将信号采集平台、加速度传感器、信号调理隔离单元均设置在不锈钢防水箱内，将不锈钢防水箱采用不锈钢螺丝固定在塔材上，可有效减少机械振动带来的影响，并使防护等级达到要求。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本发明一种输电铁塔振动位移实时监测系统的结构框图。

图2是本发明一种输电铁塔振动位移实时监测系统中信号采集平台的信号传递示意图。

图3是本发明的监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1、图2所示，本发明包括传感单元、信号调理隔离单元、信号采集平台、供电单元、通讯单元和位移转换单元，传感单元为加速度传感器，加速度传感器为多个，均固定在铁塔塔材上。加速度传感器与信号调理隔离单元连接，信号调理隔离单元与信号采集平台连接，信号采集平台经通讯单元连接测控单元，测控单元连接位移转换单元，供电单元为信号采集平台供电。信号采集平台经数据采集卡与信号调理隔离单元连接。加速度传感器包括三轴加速度传感器和单轴加速度传感器两种。采用通讯单元将信号采集平台采集到的数据传输到测控单元上或测控机房的计算机上。位移转换单元将采集到的加速度信号进行加速度-速度-位移变换，对离线的加速度数据进行处理，展示、分析、处理、转换、存储加速度信号。

在一个实施例中，如图2所示，信号采集平台采用美国NI公司的NIcRIO信号采集平台（简称cRIO平台），信号采集平台与加速度传感器两者之间的接口是信号前端给cRIO平台的标准电压信号1~5V。cRIO平台不需要了解最前端的传感器采集到的信号类型，只需要针对其最终发来的1~5V电压信号进行采集即可，由于工作在室外，必须具备定抗干扰能力，因此数据采集卡以具备信号隔离的NI 9239采集卡为主，除此之外，cRIO平台一般还自带授时用的GPS卡。

如图3所示，本发明的监测方法包括如下步骤：

步骤S101，加速度传感器采集铁塔塔材的加速度信号；

步骤S102，将采集到的加速度信号经信号调理隔离后传送到NIcRIO信号采集平台；

步骤S103，由所述NIcRIO信号采集平台经通讯单元将信号传送至测控单元，离线读取加速度信号；

步骤S104，位移转换单元利用傅里叶变换，将加速度时域信号转换为频域信号，对加速度频谱除以ω²，ω为角频率；

步骤S105，选取高通频道得到的频域信号进行截断滤波后转换为位移频谱；

步骤S106，将所述位移频谱进行傅里叶反变换为位移时域信号，得到铁塔塔材的实时位移。

位移测量一般有间接和直接两种方式，直接测量一般需要参考位作为固定点，对于塔材振动位移难以采用该方式，只能采用间接方式。采用间接方式就需要对测量到的物理量进行转换，该位移转换算法的选择对于最终精度影响较大。本发明针对塔材实时振动监测系统采集到的加速度数据转换为塔材振动位移的计算方法。

该实施例中，对于采用相对量测量振动位移的方式，需要进行位移计算。在测量到加速度之后，需要进行A-V-D变换，也就是加速度-速度-位移变换，该过程简单来说就是积分过程：加速度积分变为速度，速度积分变为位移。该方法利用傅里叶变换，将加速度时域信号转换为频域信号，对加速度频谱除以ω²，ω为角频率，然后选择合适高通频率进行截断滤波后，转换为位移频谱，然后进行傅里叶反变换为位移时域信号。针对所测量杆塔对象周期性较强的特点，根据其频谱选择合适的滤波频率，将采集到的杆塔振动加速度信号转换为杆塔振动的位移信号，对塔材振动位移进行实时监测。

不同的对象的振动频率不同，选择的截止频率也不相同，截止频率带宽可调。以某一基杆塔为例，该杆塔两端档距的导线舞动频率为0.4 Hz，则引起的该杆塔的振动频率也是0.4 Hz，通过反复测试可得该杆塔的振动的带通滤波低频截止频率是0.3 Hz，高频截止频率是5Hz。

采用美国NI公司的NIcRIO信号采集平台（简称cRIO平台），cRIO平台不需要了解最前端的传感器到底是拉力信号，还是加速度信号，只需要针对其最终发来的1~5V电压信号进行采集即可，由于工作在室外，必须具备定抗干扰能力，NIcRIO信号采集平台一般还自带授时用的GPS卡。

NIcRIO信号采集平台用于控制信号的存储和传输、GPS时戳注入等，以及用于控制采集卡采集信号。

NIcRIO信号采集平台包含用户设置和实时采样两个部分，用户设置部分用于初始化采样频率、设定最终输出信号的比例系数、设定上传数据的FTP服务器的IP等，实时采样部分在用户设置结束后，可以开启进行数据采集。采样率可调整，可从0.1Hz~1000Hz，重新设置后需要重启reboot cRIO才能生效。将GPS卡获得实时标准时间注入所采集到的所有数据中，并和采样到的数据一起保存、传输。数据展示界面包含采集到的所有通道的实时电压数据，及对应的实时测量曲线，同时还要有设置过信号比例系数的最终数据及其曲线。所采集的数据可以保存到NIcRIO信号采集平台，也要能够实时、同步上传到用户设置好IP的FTP服务器上。数据在NIcRIO信号采集平台中的保存依据覆盖最老数据的循环存储原则；数据向FTP服务器的上传采用实时的方式。上位机具备数据格式转换功能，可将NIcRIO信号采集平台传输到FTP服务器上的TMDS格式的数据，转换为excel文件，便于分析和处理。

在一个实施例中，供电单元采用220V电源供电。振动位移的测量方式主要有直接测量和间接测量方法。其中直接测量精度高，不需要信号转换，但是需要一个固定点作为参考。而杆塔发生振动时，杆塔整体都会发生振动，因此不适合直接测量方法。间接测量方法通过测量绝对量——加速度，然后进行数据转换计算位移量。适用的传感器包括压电式、电容式等。通过实验证明压电式传感器的输出随频率的下降误差越来越大，在塔材振动测量系统中难以应用。综上，本发明采用电容式加速度传感器作为塔材振动位移测量传感器。

信号调理隔离单元的作用将加速度信号与信号采集平台进行电气隔离、信号变送，同时为传感器供电。采用的信号调理隔离单元与信号采集平台接口完全匹配，可在-20~70℃下正常长期工作，且结构小巧、安装方便，便于现场施工和更换。

在一个实施例中，为有效减少机械振动带来的影响，并使防护等级达到要求，将信号采集平台、加速度传感器、信号调理隔离单元均设置在不锈钢防水箱内，将不锈钢防水箱采用不锈钢螺丝固定在塔材上。

接口有220V电源、GPS线和网线三部分。根据经验，网口出现雷击过电压的可能性较小，且网口防雷器的故障率较高，因此网口没有采用避雷器，但是采用了带屏蔽的超五类网线，一方面可以减少高频干扰，另一方面可以提高数据传输距离。在电源防雷和抗干扰上，主要依靠铁塔自有的避雷器和自动重合闸开关，以及工频隔离变压器、大品牌开关电源和多级EMI滤波器。

在信号的抗干扰方面，主要是采用TRVSP抗拉双屏蔽双绞线、铜和304不锈钢屏蔽网，进行模拟信号、220V电源和网线传输，充分利用绞线传输差分信号，减少差分和磁场干扰，屏蔽层则减少电磁干扰。

在硬件接口方面，采用防护等级为IP67的不同芯数的航插进行连接，一方面可以保证信号传输的可靠性，一方面可以保证抗干扰性能。在减震方面，所有板卡的易振动部位都采用减震垫，吸收振动能量；在防护等级方面，除了护线管、IP67的航插外，采用不锈钢的不同大小的防水箱保护内部的电子设备。

本发明的工作过程为：电容式加速度传感器获得的杆塔振动加速度信号经过调理和隔离后，接入NI采集卡，通过信号采集平台进行加速度信号的扩充测量，在获取加速度原始信号后，离线处理软件读取历史数据，将加速度信号转换为位移信号。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。