输电线路杆塔状态在线监测装置及其检测方法与流程

本发明输电线路铁塔监测作业领域，一种脆弱地质环境下输电线路杆塔状态在线监测装置及其检测方法。

背景技术：

输电电路的铁塔，在电力工程中起着托举电力导线并使之保持适当对地绝缘距离的作用。在结构工程专业术语中，铁塔也称之为塔架。依据结构形式和受力特点，输电铁塔可以分为拉线式和自立式两种。对于拉线式铁塔，不仅塔身的抗扭性交差，而且一旦铁塔基础发生沉降，则拉线会退出工作，这样极易造成杆塔倾斜、进而结构失稳，出现断线倒塔的事故。相比之下，自立式输电铁塔具有不受地形限制、占地少而且稳定性好的特点。因此，自立式铁塔在电力系统中得到了广泛采用。本发明主要针对自立式铁塔的状态监测技术。

传统的铁塔状态监测依靠人工巡线开展。这种方法现在依然保留，但存在工作量大、准确度低、成本高等问题。后来出现了铁塔在线状态监测技术，依照被测对象来分，大致可以分为两种类型。一种是在塔身2/3处和塔顶布置倾斜传感器，直接测量塔身的倾斜。另一类是在塔身上布置倾斜传感器、应力传感器、振动传感器、微气象传感器、拉力传感器、摄像头等，获得塔身全面的应力、应力、外观和环境的全部数据。传感器获取的信息，一般会通过GPRS/GSM/CDMA/3G/4G、WiFi、Zigbee、蓝牙、北斗等无线通信手段或者直接利用电力通信光缆，将数据传回控制中心。控制中心的计算机依据获取的信息，分析、判断杆塔的安全状态。这些传感器和通信装置，一般通过太阳能、蓄电池、小型风力发电、相线/地线感应取电等方式获取电能。此外，还有一些技术发明是从传感器上入手，如采用特殊的机械结构去测量杆塔的倾斜角度或者应用光纤传感器取代电阻应力片去测量塔架应力等。上述这些新技术，相比于传统的人工巡线，极大地提高了杆塔状态监测的准确程度，有利于电力系统的安全运行。但总的来看，现有这些技术发明在西南地区电网实际应用中，出现了一些问题：

1)以塔身倾斜作为唯一的标准判断塔架的安全状态，在实际中存在判据不充分的问题。依照现有技术，塔架出现倾斜现象，则依据倾斜角度的大小判断塔架状态的危险程度。有可能出现这么一种情况：塔基出现均匀的地质沉降但没有造成明显的铁塔倾斜。虽然此时依据倾斜角度指标铁塔是安全的，但塔架的安全系数已经降低，可能难以抵挡外加变化的荷载。因此，仅靠倾斜角度的当前检测数据，难以全面反映系统的安全状态。

2)对于构建了以塔身倾斜、导线拉力、塔材应力、摄像头、微气象等多源信息融合的状态监测系统，虽然可以弥补单一倾斜数据判据不充分的弊端，但在实际应用中，限于当前的技术水平和现场的恶劣环境，往往出现测量和通信装置供电难、传感器故障率高、不同测试数据之间相互矛盾、系统可靠性低等情况。尤其是在我国西南山区，局部微气象条件恶劣，地形地貌复杂多变，地质灾害频发，某些复杂的输电铁塔状态监测系统，在实际应用效果不佳。因此，针对山地不良地质环境，对输电铁塔状态监测技术进一步展开研究极有必要。

技术实现要素：

本发明提供一种脆弱地质环境下输电线路杆塔状态在线监测装置及其检测方法，利用应变传感器的特殊的位置布局，获得能辨识杆塔状态的数据，从而达到杆塔的在线监测目的，起到杆塔不安全的情况下做到及时报警。

输电线路杆塔状态在线监测装置，包括至少2个应变传感器，所述应变传感器安装在塔身与塔基之间的横隔上，横隔包括矩形框式的横隔主材和设置横隔主材内的横隔斜材，相邻横隔斜材交叉设置，应变传感器设置在非同一个横隔斜材上，2个应变传感器的布置方向的夹角小于180度且大于0度。

输电铁塔安全状态的变化，源于铁塔所受荷载的变化。地质灾害会造成铁塔内部应力分布和形变，对于塔基遭受地质灾害侵袭的杆塔，塔基地质不均匀沉降后会在铁塔底部横隔处产生较明显的塑形变形，这些部位杆材有可能率先达到屈服极限，即使杆塔的倾角依然在安全范围内。同时，地质不均匀沉降对塔体变坡以上的杆件受力影响不大。这个规律表明，针对地质类灾害侵袭的杆塔状态监测，应力传感器更适宜布置在塔底横隔处的杆材上。而横隔的杆材分为主材和斜材。斜材一般采用Q235钢，其屈服极限比横隔主材、铁塔主材要低很多。在铁塔受力变化时候，更容易产生形变。同时，在斜材上进行点焊、钻孔布置螺栓也对铁塔的安全状态影响更小。因此，横隔斜材是传感器安装布置的合理位置。上述这些研究成果，如果用于输电铁塔在线状态监测，就可以用比较少的传感器，构建一个更具针对性、更精准、功耗和通信数据量更低的监测系统，从而避开现有技术依赖单一的杆塔倾斜数据或者复杂多源数据的弊端。因此，本发明将应变传感器设置在非同一个横隔斜材上，且2个应变传感器的布置方向的夹角小于180度且大于0度。以此可以构建一个更具针对性、更精准、功耗和通信数据量更低的监测系统，本发明的应变传感器可以只使用2个，而传统的检测系统需要大量的应变传感器，且应变传感器的位置位于塔身上。

优选的，所述应变传感器的数量为2个，且这2个应变传感器分别设置在正交设置的2个横隔斜材上，2个应变传感器成正交设置。采用正交设置2个应变传感器，有利用从两个方向上采集应变数据，国家全面的掌握杆塔的受力情况。

优选的，还包括位于塔身2/3处且位于杆塔中心线上的第一双轴倾斜传感器，还包括位于杆塔顶端且位于杆塔中心线上的第二双轴倾斜传感器。

优选的，由于本发明的在线检测针对的是输电线路杆塔，电源供给、设备故障几率是一个技术难题，传统的技术直接采用小型风能发电、太能发电设备为整个在线检测设备供电，且整个检测设备处于持续的工作状态，而由于风能和太阳能的持续性能差，无法长时间供电，一旦电源耗尽，没有补偿电源的情况下，整个在线检测系统则处于停机状态。

为了解决上述问题，本发明采用分组方式，将所有传感器设备分为2组，每一组的传感器都至少包括1个应变传感器和至少1个倾斜传感器，具体的：第一组数据采集端包括至少1个应变传感器和第一双轴倾斜传感器，第二组数据采集端包括至少1个应变传感器和第二双轴倾斜传感器；同时，设置2个开关组分别控制第一组数据采集端和第二组数据采集端的电源，利用控制器交替控制2个开关组，具体的，控制器控制第一组开关启动，则第一组数据采集端的应变传感器和第一双轴倾斜传感器启动开始采集数据，而第二组开关关闭，第二组数据采集端的应变传感器和第二双轴倾斜传感器不启动，控制器控制第二组开关启动，则第二组数据采集端的应变传感器和第二双轴倾斜传感器启动开始采集数据，而第一组开关关闭，第一组数据采集端的应变传感器和第一双轴倾斜传感器不启动。这样就可以保证一次检测活动就可以以极少的传感器采集到相应的数据，极大的降低能耗，可以综合查看2次的数据来评判整个杆塔状态，不影响整个杆塔的检测。

具体的还包括数据集中器，所述数据集中器包括电源管理模块和控制器；

所述控制器采集所有应变传感器、第一双轴倾斜传感器、第二双轴倾斜传感器的数据；

还包括与电源管理模块连接的并受控制器控制的第一组开关和第二组开关，所有应变传感器、第一双轴倾斜传感器、第二双轴倾斜传感器构成数据采集端，所述数据采集端分为2组，第一组数据采集端包括至少1个应变传感器和第一双轴倾斜传感器，第二组数据采集端包括至少1个应变传感器和第二双轴倾斜传感器，其中，第一组开关设置在第一组数据采集端的应变传感器和第一双轴倾斜传感器的电源回路上，第二组开关设置在第二组数据采集端的应变传感器和第二双轴倾斜传感器的电源回路上。

所述数据集中器还包括原始数据存储模块，原始数据存储模块用于存储控制器获得的数据，还包括数据格式转换模块、无线通信模块，数据格式转换模块规范控制器获得的数据的数据格式，无线通信模块转发规范后的数据。

另外，上述原始数据存储模块可以在杆塔处于正常状态下储存数据，当数据存储到预定值后，从而启动无线通信模块一次性转发所历史数据，达到低能耗的目的。

且上述设计还可以使得各个传感器轮值启动，无线通信模块的启动频率降低，增加上述设备的使用寿命，降低设备的故障几率，同时，将上述传感器采用分组设计，也可以起到，一组设备故障后，另一组设备可以正常工作，防止一个设备工作导致整个系统无法起到检测的目的。

在降低系统功耗和数据通信量上所采用的方式是：

基于所述的输电线路杆塔状态在线监测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1步骤、通过应力传感器获得应力值，通过第一双轴倾斜传感器和第二双轴倾斜传感器检测顺线路方向的倾斜角度和杆塔横担轴线方向的倾斜角度；

S2步骤、获得杆塔倾斜角度，杆塔倾斜角度，为顺线路方向的倾斜角度、杆塔横担轴线方向的倾斜角度，单位为弧度；

S3步骤、控制器获得杆塔倾斜角度、应力值，

当杆塔倾斜角度、应力值中任意一值达到提示级别时，转到S4步骤，

当杆塔倾斜角度、应力值中任意一值达到预警级别时，转到S5步骤，

当杆塔倾斜角度、应力值中任意一值达到报警级别时，转到S6步骤，

当杆塔倾斜角度、应力值中任意一值未达到提示级别时，转到S7步骤，

S4步骤、控制器控制电源管理模块，使得数据采集时间间隔为F1分钟，控制器控制无线通信模块将数据采集后立即发送出去，

S5步骤、控制器控制电源管理模块，使得数据采集时间间隔为F2分钟，控制器控制无线通信模块将数据采集后立即发送出去，

S6步骤、控制器控制电源管理模块，使得数据采集时间间隔为F3分钟，控制器控制无线通信模块将数据采集后立即发送出去，

S7步骤、控制器控制电源管理模块，使得数据采集时间间隔为F0分钟，每次数据采集后打上时间标签存储到存储控制器中形成一组数据，待存储控制器存满Z组后，控制器控制无线通信模块将一次性将存储控制器内的数据发送出去，并清零存储控制器，

其中，F0＞F1＞F2＞F3。

另外，本发明通过上述方式设计数据的传输模式，且根据杆塔倾斜角度、应力值的大小自动判断杆塔状态处于何种等级，从而启动对于的数据传输模式，这样就可以在紧急情况下，以高频率发生数据，在正常情况下以低频率发生数据，达到能耗最小化的目的，数据通信量最小化的目的。

控制器每间隔F0分钟或F1分钟或F2分钟或F3分钟后通过控制第一组开关和第二组开关交替启动第一组数据采集端、第二组数据采集端的杆塔倾斜角度、应力值。

对于钢管输电线路杆塔和50米及以上高度直线角钢输电线路杆塔，其杆塔倾斜角度的提示级别的值为0.003弧度、应力值的提示级别的值为15MPa，其杆塔倾斜角度的预警级别的值为0.004弧度、应力值的提示级别的值为30MPa，其杆塔倾斜角度的报警级别的值为0.005弧度、应力值的提示级别的值为50MPa。

对于钢管输电线路杆塔和50米以下高度直线角钢输电线路杆塔，其杆塔倾斜角度的提示级别的值为0.003弧度、应力值的提示级别的值为15MPa，其杆塔倾斜角度的预警级别的值为0.007弧度、应力值的提示级别的值为30MPa，其杆塔倾斜角度的报警级别的值为0.01弧度、应力值的提示级别的值为50MPa。

本发明的有益效果是：充分利用塔基与杆塔联结处横隔斜材对塔基受力变化敏感的规律，对其应力变化进行监测。并结合现有的基于塔身倾斜角度的杆塔倾斜监测技术，二者共同构建一个传感器数量适中、应力与倾角数据相融合、更适合地质不良区域的杆塔安全状态监测系统和装置，弥补现有监测技术要么过简导致判据不充分、要么过繁导致运行可靠性低的不足。本发明所采用的传感器，在电力部门输变电设备状态监测领域均为常规传感器，技术成熟，应用广泛，和现有技术相比，最大的区别在于传感器的布置设计方案和设定的阈值。而硬件设备上的一致性便于本发明的推广应用。

附图说明

图1是检测装置安装在输电线路杆塔的布局示意图。

图2是数据集中器的结构示意图。

图3是本发明的流程示意图。

图4是应变传感器的布置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1-图4所示，输电线路杆塔包括塔身1与塔基2，塔身1与塔基2之间采用横隔连接，横隔包括横隔主材和横隔斜材3，图1中这里有相互正交的“十”字形交叉两根横隔斜材3，为图4中的布置方案情况所示，采用点焊或者螺栓固定的方式布置2个应变传感器4分别位于两根横隔斜材3上。在输电铁塔塔身2/3处的中心线和杆塔顶端中心线上，布置第一双轴倾斜传感器6和第二双轴倾斜传感器7。每个第一双轴倾斜传感器6和第二双轴倾斜传感器7可以监测顺线路方向倾斜角度（称之为x方向）和杆塔横担轴线方向（称之为y方向）的倾斜角度，二者的平方和再开方即为倾角传感器在该点所测量到的杆塔倾斜角度。双轴倾斜传感器安装完成后，采用现场适宜的标准角度测量工具，对每台双轴倾斜传感器的初始测量值进行校准，获得杆塔在该点准确的初始倾斜角（这部分技术也是本技术领域的常用手段，在此不再赘述）。这里的应力传感器和倾角传感器的工作原理均是将被测物理量转换为电压信号的原理，如电阻应变片式或者是微机电原理（MEMS: Micro-Electro-Mechanical System）技术。

数据集中器8位于杆塔的横担处。数据集中器8采用电源9（太阳能+蓄电池的方式）供电，数据集中器8通过无线通信网络和位于远处的输电线路状态监测主站系统11进行通信。同时数据集中器8中控制应变传感器4、第一双轴倾斜传感器6和第二双轴倾斜传感器7的供电，每个应变传感器4、第一双轴倾斜传感器6和第二双轴倾斜传感器7通过相互独立的并联供电线路获得电源，同时数据集中器8采用相互独立的RS485总线线缆与每个应变传感器4、第一双轴倾斜传感器6和第二双轴倾斜传感器7进行独立的通信。读取每个应变传感器4、第一双轴倾斜传感器6和第二双轴倾斜传感器7的数据，数据集中器8以符合国家电网公司企业标准《输电线路杆塔倾斜监测装置技术规范》（Q/GDW 559-2010）规定的数据格式借助无线通信网络上传给输电线路状态监测主站系统11。该数据格式是本技术领域的所熟知的数据格式，在此不再赘述其详细的规定。

需要说明的是，图1中，在塔身1与塔基2相连的横隔斜材3是“十”字形交叉两根杆材，所以布置了应力传感器4和5。某些杆塔横隔，斜材布置方案可能为正方形、正方形+“十”字形、混合形等不同形式，对应应力传感器则可以正交地布置2个和3个，这种布置方式，不增加传感器的数量，减少功耗和数据通信量，同时又能够全面均衡地监测杆塔四个塔腿的地质变化。这些应力传感器均需自带温度补偿，且以点焊或者螺栓联结的方式固定在塔材上。

数据集中器8在整个监测系统中起到了本地装置的供电、通信、数据处理、功耗控制的功能。其工作情况见图2虚线框中的部分。在供电方面，数据集中器8由电源9（太阳能电池板+蓄电池）联合供电，数据集中器8内部带有一个电源管理模块803。电源管理模块给控制器供电，同时针对本实施例的每个应变传感器4、第一双轴倾斜传感器6和第二双轴倾斜传感器7，输出4路电压进入电子开关Q1。控制器805中控制信号807输出高电平1，则Q1中第一组开关中的K11、K12接通，电源管理模块将电源9的电压转换成符合应变传感器4、第一双轴倾斜传感器6额定电压给其供电；如果控制器805中控制信号807输出低电平0，则Q1中第二组开关中的开关K13、K14接通，电源管理模块将电源9的电压转换成符合应变传感器4、第二双轴倾斜传感器7的额定电压给其供电。这样子，可以实现传感器的分组供电，降低系统的功耗。在通信方面，应变传感器4、第一双轴倾斜传感器6、第二双轴倾斜传感器7采集的信号以RS485总线的形式连接到控制器805处，由控制器805依照图3给定的数据采集和通信的约定方式，读取传感器的数据。数据首先打上当前的时间标签后，存在控制器805的内部存储器中，同时存入原始数据存储模块802（在控制器805内部存储器中额外开辟的一块数据存储区域）中。数据集中器8中，原始数据存储模块802数据存储区的容量需足够大，能够保存30天以上的数据，否则可扩展存储器设计。在原始数据存储模块802中，数据一旦存储满了，则利用先进先出的原则，用新的数据覆盖最早的数据，如此循环。同时，控制器805也依照图3给定的数据采集和通信的约定方式，如果满足上传数据的条件，则从控制器芯片的内部存储器中读取测试数据，经数据格式转换模块804处理成符合电力系统行业标准的格式后，由无线通信模块806发射数据。控制器805需要内部计时，则由恒温晶振801提供准确的振荡信号。

对于输电杆塔状态在线监测系统，系统供电是一个难题。在当前技术水平下，功率消耗比较大的部分是传感器和通信模块。节省能量开销的主要办法是尽量降低它们的启动次数，同时又满足系统在线监测的功能。本发明将所有的传感器分为两组，利用二者依次交替工作的方式，可以降低约一半的功耗，提高供电的可靠性。对于本实施例中采用了2个应变传感器、2个双轴倾斜传感器，图3给出了数据集中器8中数据采集和通信控制的策略。在图3中，2个应变传感器、2个双轴倾斜传感器采集的数据以RS485协议的方式进入控制器805。控制器805对数据进行分析，依照事先设定的阈值，判断杆塔状态的严重程度，进而确定数据采集和通信的时间间隔是60分钟、30分钟、15分钟或者10分钟。正常情况下，数据集中器60分钟启动一组传感器进行测试，交替进行。如果其中所有数据均不到提示级别，则数据存储在数据集中器中（其存储容量至少满足30天运行数据的存储需求）。存满24组数据后，则启动数据集中器中的通信模块，将测试数据通过无线通信网络的方式传回输电线路状态监测主站系统。如果任一数据达到了提示级别，则数据采集间隔缩短为30分钟，而且数据采集之后立即上传至主站系统。如果任一数据达到了预警级别，则数据采集间隔缩短为15分钟（由于是分成了2组，因此对于每个传感器而已，工作时间间隔是30分钟），数据也是随采随传。如果任一数据达到了报警级别，则数据采集间隔缩短为10分钟，数据随采随传。传感器的阈值分为提示/预警/报警三档的设定值如下。对于倾角传感器，对钢管塔和50米及以上高度直线角钢杆塔，为0.003/0.004/0.005弧度；而对于50米以下高度直线角钢杆塔，设定值为0.003/0.007/0.01弧度。对于应力传感器，无论塔高和型号，提示/预警/报警的设定值分别为15MPa/30MPa/50MPa。

具体的，本发明的输电线路杆塔状态监测装置，在降低系统功耗和数据通信量上所采用的方式是，将上述的2个双轴倾角传感器和横隔斜材上的应力传感器平均分为两组（两组各含1个双轴倾角传感器及1个的应力传感器）。正常情况下，数据集中器60分钟启动一组传感器进行测试，交替进行。如果其中所有数据均不到提示级别，则数据存储在数据集中器中（其内部存储器容量满足至少存储30天运行数据的需要）。存满24组数据后，则启动数据集中器中的通信模块，将测试数据以无线的方式传回输电线路状态监测主站系统。如果任一数据达到了提示级别，则数据采集间隔缩短为30分钟，而且数据采集之后立即上传至主站系统。如果任一数据达到了预警级别，则数据采集间隔缩短为15分钟（由于是分成了2组，因此对于每个传感器而已，工作时间间隔是30分钟），数据也是随采随传。如果任一数据达到了报警级别，则数据采集间隔缩短为10分钟，数据随采随传。这种数据采集和通信的频率，由数据集中器本地控制。

在输电线路状态监测主站系统11，数据分析处理软件将负责接收无线通信模块发来的数据，并进行显示、存储、安全状态判断、趋势预测。在进行安全状态判断的时候，依照数据集中器8中相同的提示/预警/报警的设定值，借助声音、色彩、光等手段，采用页面、短信、邮件等形式，发送杆塔安全状态信息。当任一传感器发来的数据超过了其历史最大值的时候，即使没有达到提示的级别，也将给出提示信息，提醒管理人员对该杆塔的状态予以关注。此外，输电线路状态监测主站系统11的数据分析处理软件也能够根据历史监测数据，采用时间序列一阶线性递推的方法简单地预测杆塔安全状态的演变趋势。这种方法属于本领域中的常规技术，在此不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。