陳 黎，肖 灑，任喬林，肖亞平，湯迎春

(1.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002；2.國(guó)網(wǎng)孝感供電公司,湖北 孝感 432000)

近年來，國(guó)內(nèi)外冰雪災(zāi)害頻繁造成輸電線路安全事故發(fā)生，使社會(huì)生產(chǎn)生活遭受損失。輸電線路事故發(fā)生的重要原因是被人為損壞、冰雪覆蓋、電線和桿塔的重力或機(jī)械共振負(fù)荷超過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及輸電桿塔上的螺栓、金具造成松脫破壞以致造成輸電桿塔發(fā)生倒覆，導(dǎo)致了輸電設(shè)備無法正常運(yùn)行[1-2]。

智能電網(wǎng)和超高壓電網(wǎng)建設(shè)，使各種不同電壓等級(jí)的輸電線路不斷增加，這就需要越來越多的輸電線路桿塔來構(gòu)建，但是部分輸電桿塔的樹立地點(diǎn)可能存在安全隱患，包括氣象、地質(zhì)災(zāi)害和人為外力破壞[3-5]。對(duì)輸電線路桿塔日常維護(hù)主要依靠巡線人員定期檢查，一定程度上能夠?qū)U塔的穩(wěn)定性安全隱患做出判斷，但由于缺乏在線實(shí)時(shí)監(jiān)控的技術(shù)手段，極易導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，需要一種新的輸電桿塔穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)技術(shù)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)桿塔的穩(wěn)定性，確保輸電線路桿塔的安全穩(wěn)定，為電力安全運(yùn)行提供保障。

1 系統(tǒng)組成

整個(gè)裝置由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端、數(shù)據(jù)通信模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端主要包括輸電線路桿塔傾角檢測(cè)裝置、輸電線路桿塔振動(dòng)檢測(cè)裝置、無線Zigbee模塊以及嵌入式系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過4G無線通信模塊發(fā)送信號(hào)(見圖2)。3臺(tái)三維振動(dòng)傳感器分別獲取輸電線路桿塔塔頂、塔腰和塔基的振動(dòng)數(shù)據(jù)，1臺(tái)二維傾角傳感器獲取桿塔傾斜角數(shù)據(jù)，通過獲得的桿塔各部位振動(dòng)數(shù)據(jù)和桿塔傾斜角數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸器數(shù)據(jù)融合得到輸電線路塔線系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，通過嵌入式系統(tǒng)分析綜合得出桿塔穩(wěn)定性狀況和預(yù)警信息，主要分為如下2步。

a.獲得的桿塔塔頂、塔腰、塔基的振動(dòng)加速度和桿塔橫擔(dān)上的桿塔傾斜角均以短距離無線Zigbee通信方式輸送至嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

b.微處理器對(duì)獲得的桿塔塔頂、塔腰、塔基振動(dòng)數(shù)據(jù)和桿塔橫擔(dān)上的傾斜角數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、信號(hào)融合，最終得到桿塔穩(wěn)定性的診斷結(jié)果；最后將得到的桿塔穩(wěn)定性診斷結(jié)果經(jīng)過4G無線通信傳輸至遠(yuǎn)程客戶端，如果有桿塔穩(wěn)定性預(yù)警信息則可直接通過短信發(fā)送到輸電線路相關(guān)運(yùn)行維護(hù)工作人員手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)桿塔穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置圖

1.2 振動(dòng)檢測(cè)子系統(tǒng)

振動(dòng)傳感器主要實(shí)現(xiàn)桿塔振動(dòng)信號(hào)的獲取，目前主要采用的是集成電容式傳感器獲取0.5～2 000 Hz的振動(dòng)信號(hào)，該頻段的振動(dòng)信號(hào)能有效反映桿塔在受外力情況下的響應(yīng)。本文采用朗斯測(cè)試技術(shù)代理的美國(guó)產(chǎn)LC0155通用振動(dòng)傳感器。桿塔的振動(dòng)頻率監(jiān)測(cè)由振動(dòng)傳感器的振動(dòng)開關(guān)模塊(801S)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)桿塔處于平靜狀態(tài)時(shí)，模塊也處于“靜止”狀態(tài)，此時(shí)輸出引腳始終為高電平并且不會(huì)使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)桿塔振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)開關(guān)模塊的靜止?fàn)顟B(tài)被破壞，輸出引腳輸出瞬時(shí)低電平。在電平變化的瞬間，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。因此可以把模塊的輸出端接到單片機(jī)的TO/T1引腳上，當(dāng)存在下降沿輸入時(shí)，TO/T1引腳將計(jì)數(shù)器寄存器遞增1。因此，計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)線的振動(dòng)數(shù)N，只要再利用定時(shí)器把時(shí)間定為每秒讀1次計(jì)數(shù)器寄存器的值N并且同時(shí)把計(jì)數(shù)器寄存器清零，這樣就記錄了線路每秒所振動(dòng)的次數(shù)N，即線路的振動(dòng)頻率N(Hz)。

1.3 傾角檢測(cè)子系統(tǒng)

本文在監(jiān)測(cè)桿塔傾角參數(shù)是采用MPU6050加速度傳感器。內(nèi)部自動(dòng)三軸陀螺儀，同時(shí)還有三軸重力加速度傳感器，內(nèi)部集成了DMP，通信接口遵循I2C通信協(xié)議，還可以與磁力傳感器相互配合。在本文中，MPU6050加速度傳感器主要用于監(jiān)控傾斜角度。重力加速度通過將3個(gè)坐標(biāo)軸上的分量合成，然后通過三角函數(shù)計(jì)算偏離原始位置的角度，見圖3。(盡可能在原始位置啟動(dòng)傾斜傳感器，以便參考)。

圖3 三軸加速度與傾角關(guān)系圖

由圖3可以推導(dǎo)出傾角計(jì)算公式：

(1)

(2)

(3)

2 輸電桿塔穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

桿塔振動(dòng)傾斜檢測(cè)是通過安裝多臺(tái)振動(dòng)傳感器和傾斜傳感器對(duì)輸電桿塔進(jìn)行檢測(cè)。振動(dòng)傳感器主要用于獲得桿塔各部分的振動(dòng)加速度，傾角傳感器用于獲得桿塔的傾斜角度。通過多傳感器數(shù)據(jù)融合獲得桿塔穩(wěn)定性判斷。多數(shù)據(jù)融合方法步驟如下。

a.采用離散小波變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。信號(hào)x(t)的連續(xù)小波變換定義為

(4)

Ψj,n(t)=2-j/2Ψ(2-jt-n)

(5)

式中：x(t)是每個(gè)傳感器檢測(cè)的信號(hào)；Ψj,n(t)是小波基數(shù)；j是尺度因子；n是平移因子。

適當(dāng)選擇母小波Ψ(t)，可使Ψj,n(t)及其傅里葉變換Ψj,n(ω)同時(shí)具有較好的局限性，因此小波分析是時(shí)-頻分析。

在離散小波變換中，常用的離散方法是將j按冪級(jí)數(shù)離散，n在尺度內(nèi)均勻離散，信號(hào)x(t)的離散小波變換為

(6)

b.利用小波包能量譜方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)及傾角信號(hào)進(jìn)行分解處理，提取特征向量：

(7)

式中：xjk(k=1,2,…,N)為信號(hào)Ej各離散點(diǎn)的值，然后求出所述各頻帶能量占總能量的百分比；ej=Ej/∑En，作為穩(wěn)定性診斷的輸入特征量。

c.利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)輸電線路桿塔進(jìn)行初步穩(wěn)定性診斷；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱層和輸出層組成，完成非線性映射。

(8)

一般?。?/p>

(9)

d.利用貝葉斯推理實(shí)現(xiàn)對(duì)初步診斷結(jié)果融合，得出最終融合診斷結(jié)果。

(10)

(11)

3 現(xiàn)場(chǎng)安裝及調(diào)試數(shù)據(jù)分析

通過采用多傳感器數(shù)據(jù)融合的輸電桿塔穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)裝置已經(jīng)在線運(yùn)行4年，實(shí)際運(yùn)行表明該方法有效實(shí)現(xiàn)了輸電線路桿塔復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。對(duì)于目前正在運(yùn)行的4套監(jiān)測(cè)裝置，通過不同時(shí)間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表1所示，本方法能夠有效實(shí)現(xiàn)桿塔穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)分析，并且當(dāng)出現(xiàn)桿塔穩(wěn)定性安全隱患時(shí)能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，雖然有誤報(bào)警，但是沒有出現(xiàn)漏報(bào)。在長(zhǎng)期運(yùn)行期間由于不同環(huán)境氣候的復(fù)雜性將導(dǎo)致正確率下降，因此下一步將重點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入研究，從而提高輸電桿塔穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)正確率。圖4為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝圖，圖5為桿塔穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的界面圖。

表1 在線運(yùn)行4年4臺(tái)設(shè)備報(bào)警統(tǒng)計(jì)

圖4 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

圖5 輸電線路桿塔穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面圖

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目采用智能化監(jiān)控主站，將嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、GPRS通信技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)手段有機(jī)融合，建立了輸電線路桿塔穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程對(duì)輸電設(shè)備進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路桿塔狀態(tài)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化，較好地解決了輸電線路運(yùn)維難度大等問題，不但節(jié)省了大量投入，而且滿足了智能化、現(xiàn)代化電網(wǎng)的管理要求，社會(huì)效益巨大。