输电塔在线监测系统及监测方法与流程

本发明涉及远程状态监测领域，尤其涉及输电塔在线监测系统及监测方法。

背景技术：

输电塔是电力输送系统的重要设备之一，输电塔的安全与否对保障电网供电可靠性具有非常重要的意义。输电塔是一种高耸的结构，具有细长、高柔的特点。当风力较大、地震或是输电塔周围产生震动时，输电塔会产生剧烈振动，极易导致结构发生损坏，更严重的会导致输电塔倒塌。另外，如果输电塔长期处在微小的振动环境下，虽然不会马上对输电塔造成损坏，但容易导致输电塔产生疲劳损伤，从而导致输电塔报废。输电塔的损坏不仅在一定程度上造成经济损失，还会极大的影响广大人民群众的用电安全。因此，维护输电塔的使用安全，长期对输电塔的状态进行监测能够时刻得知输电塔的工作状态，保证其正常安全使用，从而保证用电安全。

目前，输电塔的监测大多采用人工的方式进行监测，如果监测人员没有在岗位上，那么当输电塔出现问题时，不能进行紧急处理，造成不必要的损失。另外，人工进行监测这种方式工作量大、成本高、可靠性也低，一些输电塔分布在环境较差的地方，监测人员不易到达，从而导致很多输电塔处于无监测状态，非常容易出现问题而发生危险。

因此，有必要提出一种输电塔在线监测系统及监测方法，以实现对输电塔进行实时监测，保证输电塔正常运行和维护，避免因振动等问题造成输电塔快速老化和倒塌的情况发生。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的一个目的在于，提出一种输电塔在线监测系统，在保证实现对输电塔进行远程在线实时监测准确性和稳定性的同时，还能够压低监测成本，实现效益最大化。

本发明的另一个目的在于，提出一种输电塔在线监测方法，将该方法应用在上述输电塔在线监测系统上，能够实时对输电塔进行监测，及时发现输电塔的异常状况，保证输电塔的使用可靠性。

(二)技术方案

为了达到上述目的，一方面，本发明采用的主要技术方案包括：

输电塔在线监测系统，包括信号采集装置、信号处理站和信号储存处理中心；

所述信号采集装置设置于输电塔上，所述信号采集装置对输电塔的振动信息和输电塔所处位置的气象信息进行采集并将采集到的信息传递给所述信号处理站；

所述信号处理站设置于以输电塔为圆心，以预定距离为半径的范围内，所述信号处理站收集所述信号采集装置采集到的信息并进行预处理，将经过预处理后的信息传递至所述信号储存处理中心；

所述信号储存处理中心接收所述信号处理站经过预处理后的信息并进行分析和储存。

所述信号采集装置包括供电单元、传感器单元、信号转换单元、嵌入式可编程控制器、嵌入式硬件和通信单元；

所述传感器单元包括振动位移传感器和风速传感器，所述振动位移传感器的数量为两对，两对所述振动位移传感器设置在离输电塔塔顶设定距离位置处；

所述设定距离为输电塔塔高的五分之一；

两对所述振动位移传感器包括一对设置于水平方向上的用于监测水平振动位移的水平振动位移传感器和一对设置于竖直方向上的用于监测竖直振动位移的竖直振动位移传感器；水平振动位移传感器和竖直振动位移传感器间隔设置。

所述风速传感器设置在距离输电塔塔顶六分之一塔高位置处，所述风速传感器用于监测所处位置处的风速，所述风速传感器监测到的风速用于辅助所述振动位移传感器监测到的振动位移对输电塔的振动状态进行判断。

所述振动位移传感器和风速传感器分别与信号转换单元连接。

进一步的，所述供电单元包括太阳能储能板、电源控制器、蓄电池组，所述太阳能储能板的输出端与所述电源控制器的输入端相连接，所述电源控制器的电压转换端与所述蓄电池组相连，所述电源控制器的输出端分别与所述传感器单元、所述信号转换单元、所述嵌入式可编程控制器、所述嵌入式硬件和所述通信单元相连接。

进一步的，所述信号转换单元将所述传感器单元采集到的信号转换为数字信号并将数字信号传递给所述嵌入式可编程控制器；

所述嵌入式可编程控制器中储存有处理程序，所述数字信号经过处理后传递给所述嵌入式硬件，所述嵌入式硬件对所述数字信号进行储存；

所述通信单元将所述嵌入式硬件中储存的数字信号传输给所述信号处理站，进而传递给所述信号储存处理中心。

进一步的，所述信号处理站中设置有数据显示装置、计算装置和报警装置；

所述数据显示装置将接收到的所述数字信号通过显示界面显示出来，以实现对所述输电塔的振动状态、风速进行实时显示；

所述计算装置对所述信号采集装置传递过来的数字信号进行计算，并将所述数字信号与储存于所述计算装置中的安全数值区域进行比较；

当所述数字信号的数值超出所述安全数值区域时，所述报警装置进行报警。

进一步的，所述信号采集装置与所述信号处理站之间通过无线网络进行连接；

所述信号处理站与所述信号储存处理中心之间通过云服务器连接并进行数据传递。

为了达到上述目的，另一方面，本发明采用的主要技术方案包括：

输电塔在线监测方法，所述监测方法应用在如上所述的输电塔在线监测系统上，

包括预采集监测和常规采集监测；

在第一次对输电塔进行在线监测时，对输电塔进行预采集监测，信号采集装置中的传感器单元分别对输电塔的振动位移和风速进行采集，而后对所述传感器单元采集到的各种信号根据以下公式：

$RMS=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{x}_j^2}$

其中，N—数据长度，即共有多少个数据值；

x_j—预采集监测状态下的振动位移信号或风速信号；

分别计算有效值并对有效值进行平均加权计算，取得各种信号的平均有效值，并将所述平均有效值作为中心值设置安全数值区域；

在预采集监测进行预订时间后开始进行所述常规采集监测，信号采集装置中的传感器单元分别对输电塔周围的风速以及输电塔的振动位移信号进行采集，而后对所述传感器单元采集到的各种信号根据以下公式：

$RMS=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{x}_i^2}$

其中，N—数据长度，即共有多少个数据值；

x_i—常规采集监测状态下的振动位移信号或风速信号；

分别计算有效值，并将该有效值与所述安全数值区域进行比较，判断所述有效值是否落入所述安全数值区域中，是则继续进行常规采集监测；

当所述有效值超出所述安全数值区域两倍时，报警装置报警。

进一步的，当输电塔进行导致结构发生变化的维修后，对所述输电塔重新进行预采集监测和常规采集监测。

优选的，在进行预采集监测时，所述振动位移传感器的采集频率为40Hz，每次采集时间为50s，采集次数为每小时采集一次；

在进行预采集监测时，所述风速传感器每次采集时间为30s，采集次数为每半小时一次。

优选的，在进行常规采集监测时，所述振动位移传感器的采集频率为40Hz，每次采集时间为50s，采集次数为每两小时采集一次；

在进行常规采集监测时，所述风速传感器每次采集时间为20s，采集次数为每小时一次。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明中的输电塔在线监测系统功能强大，能够对输电塔的振动位移信号以及输电塔周围的风速进行监测，并将上述信号传递至信号处理站和信号储存处理中心，实现了对输电塔的在线监测。由于输电塔的振动为低频振动，因此仅使用振动位移传感器监测振动位移即可准确的对输电塔进行监测，而输电塔的顶端是振动最为强烈的位置，因此本发明仅在靠近塔顶位置处设置一对振动位移传感器，监测振动最强烈的位置处，不仅能够节约成本，而且能够监测过程更加安全可靠。使用本发明中的输电塔在线监测系统，当输电塔出现异常状况时，报警装置进行报警，以引起技术人员注意，及时进行维修和故障排除。本发明中的输电塔结构相对简单，由于利用了太阳能进行供电，节约能源的同时减少了花费，适合广泛推广应用。

本发明中的输电塔在线监测方法与上述输电塔在线监测系统配合使用，该方法简单、高效、监测效果好，能够及时发现输电塔的异常情况，真正实现无人监测。

附图说明

图1是实施例一公开的输电塔在线监测系统的连接结构示意图；

图2是实施例二公开的输电塔在线监测方法的流程图。

【附图标记说明】

1、信号采集装置；

11、供电单元；12、传感器单元；13、信号转换单元；14、嵌入式可编程控制器；15、嵌入式硬件；16、通信单元；

2、信号处理站；

21、数据显示装置；22、计算装置；23、报警装置；

3、信号储存处理中心。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例一

如图1所示，是本实施例公开的输电塔在线监测系统，整体上监测系统总共分为三个大部分，分别是信号采集装置1、信号处理站2和信号储存处理中心3。

其中，信号采集装置1设置于输电塔上，信号采集装置1对输电塔的振动信息和输电塔所处位置的风速信息进行采集并将采集到的信息传递给信号处理站2。由于本实施例中的监测系统为在线监测，不需要技术人员在输电塔上进行实地监测，从而解决因为输电塔所在区域地理位置不佳造成的无法监测的问题。但监测系统需要在距离输电塔合理范围内设置一个信号处理站2，以保证能够在输电塔出现问题时快速对其进行抢修。因此，本实施例中信号处理站2设置于以输电塔为圆心，以预定距离为半径的范围内，信号处理站2收集信号采集装置1采集到的信息并进行预处理并将经过预处理后的信息传递至信号储存处理中心。考虑到信号采集装置1传输信息的范围有一定的限制，预定距离优选与信号采集装置1能够传输的距离相适配，优选为300米至2千米。

信号储存处理中心3接收信号处理站2经过预处理后的信息并进行分析和储存。信号储存处理中心3不受地理位置的限制，可以设置在距离输电塔非常远的地方。信号储存处理中心3通过网络与信号处理站2进行信息传输，将采集到的信号变为所述的信号形式并进行储存，以形成输电塔的工作数据库，以用于后期维修和改进。另外，信号储存处理中心3中的高端技术人员还能够通过接收到的信息，对输电塔的工作情况进行分析和比对，预测输电塔可能出现的问题，并通过计算和经验采取一定措施以保证输电塔正常工作。优选的，信号处理站2与信号储存处理中心3之间通过云服务器连接并进行数据传递。

作为具体的实施方式，本实施例中的信号采集装置1包括供电单元11、传感器单元12、信号转换单元13、嵌入式可编程控制器14、嵌入式硬件15和通信单元16。供电单元11为整个信号采集装置1提供电能，以保证整个信号采集装置1正常工作，考虑到环保问题，本实施例中的供电单元11采用太阳能供电。

供电单元11包括太阳能储能板、电源控制器、蓄电池组。太阳能储能板用于将太阳能转化为电能，蓄电池组将没有用完的电能储存起来，以备不时之需。太阳能储能板的输出端与电源控制器的输入端相连接，电源控制器的电压转换端与蓄电池组相连，电源控制器的输出端分别与传感器单元12、信号转换单元13、嵌入式可编程控制器14、嵌入式硬件15和通信单元16相连接。考虑到某些地理位置的光照时间不够长，太阳能资源不是很充足，本实施例中还增设了一个铅酸蓄电池，当太阳能转化的电能不够用时，可以使用铅酸蓄电池进行供电，铅酸蓄电池优选采用120AH，12V的铅酸蓄电池。

传感器单元12包括振动位移传感器、风速传感器。振动位移传感器的数量为两对，两对振动位移传感器设置在离输电塔塔顶设定距离位置处，设定距离为输电塔塔高的五分之一。

两对所述振动位移传感器包括一对设置于水平方向上的用于监测水平振动位移的水平振动位移传感器和一对设置于竖直方向上的用于监测竖直振动位移的竖直振动位移传感器；水平振动位移传感器和竖直振动位移传感器间隔设置。实验表明，成间隔设置的两个方向传感器可以大大提高测量结果的准确性，并能消除其他非测量因素的干扰。

风速传感器设置在距离输电塔塔顶六分之一塔高位置处，风速传感器用于监测所处位置处的风速，风速传感器监测到的风速用于辅助振动位移传感器监测到的振动位移对输电塔的振动状态进行判断，所述振动位移传感器和风速传感器分别与信号转换单元13连接。风速传感器按此位置设置相较于其他位置不仅可以更好地保护风速传感器，同时也能保证测量的精确性。

在对传感器单元的传感器进行选择时，本实施例采用以下技术方案，振动位移传感器的型号为HN100A低频振动位移传感器或TM365超低频振动位移传感器，风向传感器和风速传感器的型号为HD2003型三维超声风速风向传感器，温度传感器和湿度传感器的型号为EE06系列温度湿度传感器。

信号转换单元13将传感器单元采集到的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传递给嵌入式可编程控制器14。具体的，在对振动位移传感器采集到的振动信号进行转换时依次经过信号放大、高通滤波、低通抗混滤波电路后，将振动位移传感器采集到的模拟信号处理完毕。优选的，在信号放大步骤中，放大倍数为800至1000倍。

嵌入式可编程控制器14和嵌入式硬件15共同对信号采集装置1采集的现场数据进行预处理，嵌入式硬件15优先选用PC16224型数据采集卡，输入分辨率为16位。其中嵌入式可编程控制器14中提前写入了预定程序，预定程序中设定了采用频率或触发条件，以控制传感器单元进行信息采集，当采集结束后，自动进入休眠待命状态。嵌入式硬件15主要功能是储存采集到的各种信息，以备后期提取和分析。

通信单元16将嵌入式硬件15中储存的数字信号传输给信号处理站2，进而传递给信号储存处理中心3。通信单元16可以为有线网络通信也可以为无线网络通讯，优选为无线网络通信连接，在通信单元16中设置无线网卡即可。

信号处理站2中设置有数据显示装置21、计算装置22和报警装置23，所述计算装置22接收到数字信号后对数字信号进行计算并通过数据显示装置21的显示界面显示出来，以实现对输电塔的振动位移状态和风速进行实时显示。计算装置22中储存有安全数值区域，计算装置22将计算获得的数字信号与安全数值区域进行比较，当数字信号超出安全数值区域2倍时，报警装置23进行报警。

本发明中的输电塔在线监测系统功能强大，能够对输电塔的振动以及输电塔周围的风速进行监测，并将上述信号传递至信号处理站和信号储存处理中心，实现了对输电塔的在线监测。使用本发明中的输电塔在线监测系统，当输电塔出现异常状况时，报警装置报警，以引起技术人员注意，及时进行维修和故障排除。

本发明中的输电塔结构相对简单，由于利用了太阳能进行供电，节约能源的同时减少了花费，适合广泛推广应用。

由于输电塔的振动属于低频振动，因此无需对振动速度和振动加速度进行监测，本发明中仅在距离塔顶较近位置处设置两对振动位移传感器，塔顶是振动最厉害的位置，在该位置处设置振动位移传感器，能够在一定程度上保证监测的准确性，由于仅设置两对振动位移传感器，因此极大的节约了监测成本，在保证监测准确性和稳定性的基础上，提高了经济效益。

实施例二

如图2所示，是本实施例提出的输电塔在线监测方法，该监测方法应用在如实施例一的输电塔在线监测系统上。该监测方法主要包括两个大步骤，第一步对输电塔进行预采集监测；第二步对输电塔进行常规采集监测。当输电塔进行导致结构发生变化的维修后，对输电塔重新进行预采集监测和常规采集监测。

在第一次对输电塔进行在线监测时，对输电塔进行预采集监测，信号采集装置中的传感器单元分别对输电塔的振动位移和风速进行采集，而后对所述传感器单元采集到的各种信号根据以下公式：

$RMS=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{x}_j^2}$

其中，N—数据长度，即共有多少个数据值；

x_j—预采集监测状态下的振动位移信号或风速信号；

分别计算有效值并对有效值进行平均加权计算，取得各种信号的平均有效值，并将所述平均有效值作为中心值设置安全数值区域；

在预采集监测进行预订时间后开始进行所述常规采集监测，信号采集装置中的传感器单元分别对输电塔周围的风速以及输电塔的振动位移信号进行采集，而后对所述传感器单元采集到的各种信号根据以下公式：

$RMS=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{x}_i^2}$

其中，N—数据长度，即共有多少个数据值；

x_i—常规采集监测状态下的振动位移信号或风速信号；

分别计算有效值，并将该有效值与所述安全数值区域进行比较，判断所述有效值是否落入所述安全数值区域中，是则继续进行常规采集监测；

当所述有效值超出所述安全数值区域两倍时，报警装置报警。

在进行预采集监测时，所述振动位移传感器的采集频率为40Hz，每次采集时间为50s，采集次数为每小时采集一次。在进行预采集监测时，所述风速传感器每次采集时间为30s，采集次数为每半小时一次。

在进行常规采集监测时，所述振动位移传感器的采集频率为40Hz，每次采集时间为50s，采集次数为每两小时采集一次。在进行常规采集监测时，所述风速传感器每次采集时间为20s，采集次数为每小时一次。本发明中设置了风速传感器，风速传感器监测的输电塔周围的风速信息用于辅助分析，比如当风速传感器并没有监测到有较大风力时，输电塔振动却非常厉害，说明是其他原因造成的，比如地震，或是输电塔周围的地区出现强烈振动，此时就要具体问题具体分析。因此，风速传感器的设置时非常有必要的。

其中，振动位移传感器监测输电塔的振动信号，HD2003型三维超声风速风向传感器对风速进行监测。传感器单元将采集到的信号传递给信号转换单元将其转换为数字信号后，通过通信单元传递给信号处理站，信号处理站中的计算装置对传递过来的信号计算有效值并对有效值进行平均加权计算，取得各种信号的平均有效值，并将平均有效值作为中心值设置安全数值区域，并将安全数值区域进行储存。

根据嵌入式可编程控制器中写入的程序，在预采集监测进行预订时间后开始进行常规采集监测。信号采集装置中的传感器单元分别对输电塔周围的风速以及输电塔的振动信号进行采集，信号转换单元将模拟信号转变为数字信号，而后通过通信单元将数字信号传递给信号处理站，信号处理站中的计算装置对各种信号分别计算有效值，并将该有效值与安全数值区域进行比较，判断有效值是否落入安全数值区域中。如果落入安全数值区域则继续进行常规采集监测，如果没有落入安全数值区域并超过安全数值区域两倍则报警装置报警。

本发明中的输电塔在线监测方法与上述输电塔在线监测系统配合使用，该方法简单、高效、监测效果好，能够及时发现输电塔的异常情况，真正实现无人监测。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。