本发明属于输电线路状态监测与诊断技术领域，具体涉及一种输电铁塔结构损伤在线监测系统，本发明还涉及利用该在线监测系统进行的监测方法。
背景技术：
在电力系统中，输电铁塔作为电力传输的重要组成部分，其安全运行是保证电能输送能力的重要因素。近年来随着超高压线路、特高压线路的不断推广，大跨越输电线路越来越多。但由于我国地形复杂，输电铁塔难免要经过河滩、沙漠、丘陵等复杂地形。输电铁塔塔易受风沙、雨水的侵蚀而造成结构损伤，再加之地震的发生其形变、倒塌事故时有发生，造成不可估量的损失。
对于输电铁塔的监测，主要还是依靠人工巡线为主。而人工巡检，对于微小形变和裂纹很难做到及时发现，只有当发生重大事故或明显形变和裂纹时才能发现。这将降低运维人员的维护时间，同时也增加维护成本。对于那些无人职守的地区只有当事故发生时才能获悉。因此实现输电铁塔的结构损伤在线监测对于输电线路的安全运行具有重大的意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种输电铁塔结构损伤在线监测系统，能够实现输电铁塔裂纹、形变等情况在线监测。
本发明的技术方案是，一种输电铁塔结构损伤在线监测系统，包括依次连接的控制器、主控单元和4g无线模块，控制器还连接有蓄电池和太阳能电池板；主控单元还依次与驱动模块、激励装置、电荷放大器和a/d模块连接，a/d模块也与主控单元连接；电荷放大器与加速度传感器连接，4g无线模块与监控中心连接。
本发明的特点还在于，
激励装置，包括壳体和设置在壳体内底部的高强磁铁，高强磁铁上部连接有高强度螺旋弹簧，高强度螺旋弹簧的另一端连接有一个电磁铁，电磁铁下方有一个锤头，锤头通过连接杆固定在电磁铁的下部，且位于高强度螺旋弹簧的中心线位置，高强磁铁中间与锤头对应的位置，为中空结构，锤头可在向下运动时穿出该空腔。
锤头通过导线连接电荷放电器，电荷放电器用来采集激励装置的脉冲信号，电磁铁通过导线与驱动模块连接。
本发明的另一目的在于提供利用输电铁塔结构损伤在线监测系统进行监测的方法。
本发明的另一技术方案是，利用输电铁塔结构损伤在线监测系统进行监测的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，建立待诊断输电铁塔的有限元模型，利用施加载荷仿真的方法得到输电铁塔结构的薄弱点和最佳激励位置；
步骤2，按照步骤1所得到的输电铁塔结构的薄弱点和最佳激励位置分别加装加速传感器和激励装置；
步骤3，对输电铁塔进行评估和模态分析，计算铁塔的固有频率矩阵ωi；
步骤4，利用步骤3的方法，对状态完好的铁塔进行监测评估，得到正常结构下输电铁塔固有频率矩阵ω0；
步骤5，利用步骤3中的方法，对持续的日常监测中得到的铁塔状态进行监测评估，得到铁塔的日常状态的固有频率矩阵ωi；
步骤6，将日常状态的固有频率矩阵ωi和正常结构下输电铁塔固有频率矩阵ω0进行对比计算，判断铁塔的结构状态。
本发明的特点还在于，
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1，通过主控单元1-4及驱动模块1-6控制激励装置1-8产生脉冲激励，使得输电铁塔发生振动，加速度传感器拾取此时的铁塔振动信息，并经过截止频率为50hz的滤波电路，得到激励发生时的加速度信号；
步骤3.2，对步骤3.1中得到的信号进行数据处理，得出铁塔的固有频率。
步骤3.2具体按照以下步骤实施：
步骤3.2.1，利用步骤3.1中得到的脉冲激励信号和滤波后的加速度信号建立输电铁塔系统频率响应函数；
步骤3.2.2，对输电铁塔系统频率响应函数进行拟合误差计算；
步骤3.2.3，计算得到分母系数矩阵α的特征值λi和λi*，并计算固有频率ωi。
步骤3.2.1具体为，对步骤3.1中的脉冲激励信号和滤波后的加速度信号进行离散傅立叶变换，得到激励装置产生的脉冲激励信号的输入参数矩阵为a(ω)，加速度测量装置产生的加速度数据的输出参数矩阵bo(ω)，
则，输电铁塔系统频率响应函数为ho(ω),可以得到以下关系：
[ho(ω)]＝[bo(ω)][a(ω)]-1(1)
等式右边用多项式基本项和参数向量表达得，
其中，o＝1，2…n0,其中n0为在采样时间δt内采集的数据点数；ωr＝e-jωδt·r为输电铁塔系统多项式基本项；r为输电铁塔铁塔模型的阶次，设定为0到p；δt为采样时间；αr为分母多项式系数；βor为分子多项式系数；
将所有多项式系数写成矩阵形式有：
式(2)中的输电铁塔系统频率响应函数可写成矩阵多项式系数θ的函数：h(ωf,θ)，f＝1,2…nf,nf为需要分析的识别频段内包含的谱线数。
步骤3.2.2具体按照以下步骤实施：对输电铁塔系统频率响应函数进行拟合误差计算，即，
其中，
关于参数矩阵θ的非线性最小二乘(nls)目标函数可表示为：
其中，
使其对未知系数矩阵θ的偏导数等于零，则此时误差函数达到最小值。为简化计算，给(1)两端乘输入参数矩阵矩阵a(ω)，得到新的误差表达式：
对于一个输出所有频率点，其误差表达式集合成误差矩阵
其中，
式中:
类似式(5)的总体误差函数的线性近似表达式为：
将式(7)带入式(8)中有：
其中，at表示矩阵a的转置；
式中r、s、t定义为：
步骤3.2.3具体为，要让输电铁塔系统的误差达到最小值，只需式(8)对各个未知的多项式系数θ的一阶偏导数等于零，即的得到如下正则方程：
因系统的极点只与分母矩阵系数α有关，利用式(12)中上面一行来消去分子系数矩阵βo，得到压缩方程
式中，
求解式(13)可得到分母系数矩阵α的特征值λi和
特征值λi、
由式(15)求出测量的输电铁塔系统的固有频率矩阵ωi的值，即，
其中，re表示实部，im表示虚部。
步骤6具体为，将步骤5中测量得到的固有频率矩阵ωi与步骤3中计算得到的正常状态下的固有频率矩阵ω0比较，当
本发明的有益效果是，本发明设计的激励装置，可产生稳定脉冲激励，装置安装使用方便，附加质量小。系统通过最小二乘复频域的模态分析方法，实现输电铁塔系统的模态参数辨识，通过分析监测的铁塔系统模态参数与结构完好时模态参数的关系实现对输电铁塔系统结构损伤的在线监测。
附图说明
图1是本发明输电铁塔结构损伤在线监测系统的整体结构框图；
图2是本发明输电铁塔结构损伤在线监测系统中激励装置的结构示意图；
图3是本发明输电铁塔结构损伤在线监测方法的流程图；
图4是本发明输电铁塔结构损伤在线监测方法实施时对铁塔结构完好时所提取出来的输电铁塔系统前七阶固有频率；
图5是本发明输电铁塔结构损伤在线监测方法实施时对使用形变、开裂塔材更换部分铁塔塔材时所提取出来的输电铁塔系统前七阶固有频率。
图中，1-1.太阳能电池板，1-2.蓄电池，1-3.控制器，1-4.主控单元，1-5.4g无线模块，1-6.驱动模块，1-7.a/d模块，1-8.激励装置，1-9.电荷放大器，1-10.加速度传感器，1-11.监控中心，2-1.高强磁铁，2-2.高强度螺旋弹簧，2-3.电磁铁，2-4.锤头，2-5.壳体，2-6.连接杆，2-7.空腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明输电铁塔结构损伤在线监测系统，如图1所示，包括依次连接的控制器1-3、主控单元1-4和4g无线模块1-5，
控制器1-3还连接有蓄电池1-2和太阳能电池板(1-1)；
主控单元1-4还依次与驱动模块1-6、激励装置1-8、电荷放大器1-9和a/d模块1-7连接，
a/d模块1-7也与主控单元1-4连接；
电荷放大器1-9与加速度传感器1-10连接，
4g无线模块1-5与监控中心1-11连接。
控制器1-3用于控制太阳能电池板1-1给蓄电池1-2充电防止蓄电池1-2过冲或过放影响其使用寿命，蓄电池1-2为整个系统提供电能。
激励装置1-8用于产生脉冲激励，使得输电铁塔发生振动。
电荷放大器1-9用于将加速度传感器1-10和激励装置1-8的产生的信号进行放大并将其电荷量转换成电压信号。
a/d模块1-7用于将电荷放大器1-9处理的信号进行采样。
主控单元1-4一方面将a/d模块1-7的数据进行滤波、fft变换等处理。另一方面将数据打包并利用4g无线模块1-5发送给监控中心1-11。
监控中心1-11内嵌有模态参数识别算法，可将主控单元1-4发送回来的数据进行模态参数识别得到输电铁塔系统的模态参数。此外，若得到的模态参数超过设定的预定值时给出相应的预警信息并及时通知相关运行人员采取防护措施。
激励装置1-8的结构，如图2所示，包括壳体2-5和设置在壳体2-5内底部的高强磁铁2-1，高强磁铁2-1上部连接有高强度螺旋弹簧2-2，高强度螺旋弹簧2-2的另一端连接有一个电磁铁2-3，电磁铁2-3下方有一个锤头2-4，锤头2-4通过连接杆2-6固定在电磁铁2-3的下部，且位于高强度螺旋弹簧2-2的中心线位置，
高强磁铁2-1中间与锤头对应的位置，为中空结构，锤头可在向下运动时穿出该空腔2-7，从而敲击到铁塔塔身。
锤头2-4通过导线连接电荷放电器1-9，电荷放电器1-9用来采集激励装置的脉冲信号，电磁铁2-3通过导线与驱动模块1-6连接。
激励装置通过高强磁铁2-1可直接吸附在输电铁塔上，再配合螺栓和螺母固定就可以确保装置长时间的安装在输电铁塔上而不会脱落。壳体2-5采用塑料为原材料，可以大大减轻装置的重量，同时不怕风吹雨淋，可防止环境对装置内部造成损伤。其锤头2-4材料为橡胶，可以减小冲击力过大对输电铁塔造成损伤。其工作原理为：在需要产生脉冲激励时，主控单元1-4产生一个1s的触发脉冲，由驱动模块1-6传达至电磁铁2-3，从而使电磁铁2-3得电获得磁性，在高强磁铁2-1的吸引下压缩高强度螺旋弹簧2-2，电磁铁2-3向下运动时设置其底部的连接杆也向下运动，使锤头2-4穿过底部的空腔2-7，从而敲击铁塔，产生脉冲激励，致使铁塔振动。断电之后电磁铁2-3掉电失磁，在高强度螺旋弹簧2-2的恢复力下使得电磁铁2-3和锤头2-4回到初始位置，等待下次触发。
一种输电铁塔结构损伤在线监测方法，利用了上述的输电铁塔结构损伤在线监测系统，如图3所示，具体按以下步骤实施：
步骤1，建立待诊断输电铁塔的有限元模型，利用施加载荷仿真的方法得到输电铁塔结构的薄弱点和最佳激励位置；
步骤2，按照步骤1所得到的输电铁塔结构的薄弱点和最佳激励位置分别加装加速传感器和激励装置；
步骤3，对输电铁塔进行评估和模态分析，计算铁塔的固有频率矩阵ωi；
步骤3.1，通过主控单元1-4及驱动模块1-6控制激励装置1-8产生脉冲激励，使得输电铁塔发生振动，加速度传感器拾取此时的铁塔振动信息，并经过截止频率为50hz的滤波电路，得到激励发生时的加速度信号；
步骤3.2，对步骤3.1中得到的信号进行数据处理，得出铁塔的固有频率；
步骤3.2.1，步骤3.2.1，利用步骤3.1中得到的脉冲激励信号和滤波后的加速度信号建立输电铁塔系统频率响应函数，具体步骤为：
对步骤3.1中的脉冲激励信号和滤波后的加速度信号进行离散傅立叶变换，得到激励装置产生的脉冲激励信号的输入参数矩阵为a(ω)，加速度测量装置产生的加速度数据的输出参数矩阵bo(ω)，
则，输电铁塔系统频率响应函数为ho(ω),可以得到以下关系:
[ho(ω)]＝[bo(ω)][a(ω)]-1(1)
等式右边用多项式基本项和参数向量表达得
其中，o＝1，2…n0,其中n0为在采样时间δt内采集的数据点数；ωr＝e-jωδt·r为输电铁塔系统多项式基本项；r为输电铁塔铁塔模型的阶次，设定为0到p；δt为采样时间；αr为分母多项式系数；βor为分子多项式系数。
将所有多项式系数写成矩阵形式有：
式(2)中的输电铁塔系统频率响应函数可写成矩阵多项式系数θ的函数：h(ωf,θ)，f＝1,2…nf,nf为需要分析的识别频段内包含的谱线数；
步骤3.2.2，对输电铁塔系统频率响应函数进行拟合误差计算，具体步骤为，即，
其中，
关于参数矩阵θ的非线性最小二乘(nls)目标函数可表示为：
其中，
使其对未知系数矩阵θ的偏导数等于零，则此时误差函数达到最小值。为简化计算，给(1)两端乘输入参数矩阵矩阵a(ω)，得到新的误差表达式：
对于一个输出所有频率点，其误差表达式集合成误差矩阵
其中，
式中:
类似式(5)的总体误差函数的线性近似表达式为：
将式(7)带入式(8)中有：
其中，at表示矩阵a的转置；
式中r、s、t定义为：
步骤3.2.3，计算得到分母系数矩阵α的特征值λi和
要让输电铁塔系统的误差达到最小值，只需式(8)对各个未知的多项式系数θ的一阶偏导数等于零，即的得到如下正则方程：
因系统的极点只与分母矩阵系数α有关，利用式(12)中上面一行来消去分子系数矩阵βo，得到压缩方程
式中，
求解式(13)可得到分母系数矩阵α的特征值λi和
特征值λi、
由式(15)求出测量的输电铁塔系统的固有频率矩阵ωi的值，
即，
其中，re表示实部，im表示虚部。
步骤4，利用步骤3的方法，对状态完好的铁塔进行监测评估，得到正常结构下输电铁塔固有频率矩阵ω0；
步骤5，利用步骤3中的方法，对持续的日常监测中得到的铁塔状态进行监测评估，得到铁塔的日常状态的固有频率矩阵ωi；
步骤6具体为，将步骤5中测量得到的固有频率矩阵ωi与步骤3中计算得到的正常状态下的固有频率矩阵ω0比较，当
实施例
利用本发明的输电铁塔结构损伤在线监测系统和监测方法，对西安工程大学临潼校区110kv、三塔两档距输电铁塔进行实测，结果如图4、图5所示，从图4和图5中提取的数据固有频率数据如表1所示。
其中，图4为结构完好时利用该方法所提取出来的输电铁塔系统前七阶固有频率。图5为利用形变、开裂塔材更换部分铁塔塔材时，所测量到的结果。图4中，横坐标表示结构完好时铁塔的固有频率ω0(单位hz)；图5中，横坐标表示结构损伤时铁塔固有频率ωi；
从图4、图5中可以看到，该方法可以较好的提取出输电铁塔的前七阶固有频率。表1记录了图4和图5中，输电铁塔固有频率参数，并计算其相对比值。从表1中可以发现，在第六、七阶时，其相对比值
表1