陳飛，崔健，楊建華

(1. 超高壓輸電公司 貴陽(yáng)局，貴陽(yáng) 550002；2. 中國(guó)電建集團(tuán) 貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550002)

0 引 言

高壓輸電設(shè)備是我國(guó)電力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，大部分高壓鐵塔分布在距離城市較遠(yuǎn)的郊區(qū)或野外，暴風(fēng)、冰雪和雨水腐蝕對(duì)鐵塔塔身結(jié)構(gòu)影響較大，受制于人工定期巡檢的主觀因素影響，國(guó)內(nèi)輸電設(shè)備運(yùn)行存在安全隱患無(wú)法及時(shí)排除，突發(fā)情況應(yīng)對(duì)效率低和系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等問(wèn)題[1-2]。目前，高壓輸電設(shè)備的主要健康監(jiān)測(cè)方法包括飛行器定期、定點(diǎn)巡邏檢查，機(jī)器人定期、定點(diǎn)巡邏檢查，SAR衛(wèi)星監(jiān)測(cè)和光纖光柵(FBG)傳感器監(jiān)測(cè)。其中，光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且靈敏度高，具有抗電磁干擾、防雷擊、耐腐蝕和精度高等特點(diǎn)，在輸電鐵塔強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中優(yōu)勢(shì)明顯。通過(guò)將應(yīng)變、溫度和壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)并進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算傳感器的波長(zhǎng)變化就可以得出傳感器所處環(huán)境參數(shù)的變化。因此，F(xiàn)BG傳感器在輸電鐵塔健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)[3-4]。

物聯(lián)網(wǎng)是將信息感知、數(shù)據(jù)傳遞和智能分析通過(guò)傳感器、全球定位系統(tǒng)、有線(或無(wú)線)傳輸網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器等硬件與軟件整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)物體整體或局部的認(rèn)識(shí)、觀察、監(jiān)控和智能管理的新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)、通信工程、微電子與傳感器和定位與測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域的交叉學(xué)科，其關(guān)鍵技術(shù)為[5]：

(1)感知和識(shí)別技術(shù)，其中感知技術(shù)利用傳感器獲取監(jiān)測(cè)物體的位移、溫度、受力分布和局部載荷大小等信息，是組成物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)模塊。識(shí)別技術(shù)包括監(jiān)測(cè)物體的位置、地理信息識(shí)別和物體識(shí)別，射頻識(shí)別(RFID)在當(dāng)前物體識(shí)別技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位，由低頻、高頻和超高頻識(shí)別技術(shù)組成。其中，超高頻識(shí)別技術(shù)的有效識(shí)別范圍大，設(shè)備安裝和維護(hù)保養(yǎng)的成本低，未來(lái)有可能成為RFID技術(shù)的主要發(fā)展方向。位置識(shí)別和地理識(shí)別的主要技術(shù)基礎(chǔ)分別為全球定位系統(tǒng)(GPS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)，兩者協(xié)同工作可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下的位置信息和空間分布信息的采集與管理；

(2)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)，細(xì)分為感知節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。其中，感知節(jié)點(diǎn)間隔距離較短，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)連接，負(fù)責(zé)獲取監(jiān)測(cè)物體的物理信息。感知節(jié)點(diǎn)與應(yīng)用層之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接，感知節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成異種異構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；

(3)組網(wǎng)與通信技術(shù)，即服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)的信息和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，常用技術(shù)包括GSM、GPRS、WiMAX、Wi-Fi、ZigBee等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和光纖、電力載波通信等有線通信技術(shù)；

(4)信息處理技術(shù)，用于智能分析和處理感知層獲得的大量數(shù)據(jù)。信息處理模塊是物聯(lián)網(wǎng)的重要中樞神經(jīng)，物聯(lián)網(wǎng)的工作過(guò)程往往伴隨著海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，信息處理模塊的速度直接影響物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的時(shí)效性。

圖1為基于物聯(lián)網(wǎng)的高壓輸電設(shè)備健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖，F(xiàn)BG傳感器感知鐵塔主材應(yīng)變后，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞至應(yīng)用層，最終通過(guò)嵌入式控制終端或管理員手機(jī)將信息反饋給管理員。

對(duì)于輸電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)而言，感知層傳感器的工作穩(wěn)定性和傳輸層網(wǎng)絡(luò)通信速度直接影響到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和時(shí)效性[6]。文中確定由ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GSM模塊協(xié)同完成輸電鐵塔主材應(yīng)變數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸工作，進(jìn)而著重分析感知層FBG傳感器測(cè)量原理和傳感器數(shù)據(jù)的處理方法。

圖1 高壓輸電設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

1 FBG傳感器測(cè)量原理

通過(guò)對(duì)輸電鐵塔力學(xué)模型的有限元分析，得出鐵塔變形初期(鐵塔傾斜在0～10°之間)塔身偏下部分的應(yīng)變最大，隨著重力載荷的持續(xù)性影響，變形開(kāi)始向頂部擴(kuò)展直至倒塌[7]。對(duì)于鐵塔工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目的在于當(dāng)鐵塔處于變形初期時(shí)，立即采用有效手段阻止變形的進(jìn)一步擴(kuò)展，故選擇光纖布拉格光柵(FBG)傳感器的安裝位置如圖1所示。對(duì)于輸電鐵塔健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，就是對(duì)塔身主材受力導(dǎo)致FBG傳感器處應(yīng)變變化的測(cè)量[8]。將FBG傳感器安裝在圖2中的鐵塔塔身主材上，當(dāng)外界條件變化使得橫擔(dān)所受垂直向下的力G和電纜提供的水平張力FT的大小和角度變化時(shí)，主材內(nèi)里的變化會(huì)因此FBG傳感器安裝位置所對(duì)應(yīng)主材應(yīng)變發(fā)生變化。FBG傳感器將測(cè)量得到的線應(yīng)變轉(zhuǎn)化為中心波長(zhǎng)位移并利用通信網(wǎng)絡(luò)將其傳遞至數(shù)據(jù)處理模塊，通過(guò)中心波長(zhǎng)位移量與橫擔(dān)所受垂直向下的力G、電纜張力FT和應(yīng)變?chǔ)う诺年P(guān)系即可對(duì)鐵塔的工作狀況進(jìn)行描述。

圖2 輸電鐵塔FBG傳感器的安裝位置

鐵塔塔身結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為空間桁架，而往往可以將空間桁架分解成平面桁架對(duì)桁架內(nèi)桿件進(jìn)行受力分析。將輸電鐵塔AB側(cè)面和CD側(cè)面簡(jiǎn)化為矩形平面桁架并分別設(shè)為1-1截面和2-2截面，載荷在這兩個(gè)截面的受力分析如圖3所示。

圖3 左側(cè)和右側(cè)平面桁架截面的受力分析

根據(jù)理論力學(xué)計(jì)算鐵塔主材內(nèi)力：

(1)

式中G為垂直向下的力；FT為水平方向的拉力；b為鐵塔主材高度；a為主材寬度。

根據(jù)胡克定律：

(2)

式中FN為組成主材受到的軸向力；A為主材截面積。

正應(yīng)力σ與軸向力FN的關(guān)系為：

(3)

將公式(3)代入公式(2)中，得：

(4)

傳感器的布拉格中心波長(zhǎng)分別由光柵和光纖的周期和有效折射率決定，這兩個(gè)參數(shù)的變化會(huì)引起布拉格波長(zhǎng)的移位，應(yīng)變值的變化會(huì)改變上述兩個(gè)參數(shù)，使得布拉格波長(zhǎng)發(fā)生變化，布拉格波長(zhǎng)移位與應(yīng)變的關(guān)系為：

ΔλB=λB(1-pe)Δε

(5)

式中ΔλB為布拉格中心波長(zhǎng)；Δε為軸向應(yīng)變量；ΔλB為Δε對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的布拉格中心波長(zhǎng)移位；pe為有效彈光系數(shù)；ΔλB(1-pe)為應(yīng)變系數(shù)。

將公式(4)代入公式(5)中，得：

(6)

將公式(1)代入公式(6)中替換FN可得到FBG傳感器中心波長(zhǎng)位移量ΔλB與鐵塔主材的關(guān)系：

(7)

公式(7)可由矩陣表示為：

(8)

根據(jù)線形最小二乘法最終可轉(zhuǎn)化為：

(9)

(10)

FBG傳感器的應(yīng)變量可表示為：

(11)

2 FBG傳感器性能測(cè)試

為了檢驗(yàn)FBG應(yīng)變傳感器的實(shí)際性能，利用QJ-212拉壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)S1、S2、S3和S4傳感器進(jìn)行拉力試驗(yàn)，根據(jù)拉力試驗(yàn)機(jī)顯示的拉力值對(duì)四個(gè)FBG傳感器進(jìn)行標(biāo)定。在拉力試驗(yàn)機(jī)上從0 kN開(kāi)始分5次每次逐漸增加10 kN，每次加載到要求載荷后保持15 min鐘內(nèi)拉力不變，待波長(zhǎng)穩(wěn)定后分別記錄各載荷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，載荷加載至15 kN時(shí)完成加載過(guò)程試驗(yàn)。從50 kN開(kāi)始每次減小10 kN并按加載過(guò)程記錄各載荷下的波長(zhǎng)直至載荷為0 kN，完成卸載過(guò)程試驗(yàn)。加載和卸載過(guò)程FBG傳感器S1、S2、S3和S4所對(duì)應(yīng)的載荷與中心波長(zhǎng)關(guān)系擬合曲線如圖4所示，表1為傳感器性能測(cè)試結(jié)果。據(jù)此可以得出，四個(gè)傳感器的線性度和靈敏度較高，誤差較小，可以滿(mǎn)足輸電鐵塔變形的測(cè)量要求。

圖4 左側(cè)和右側(cè)平面桁架截面的受力分析

表1 FBG傳感器性能測(cè)試結(jié)果

3 FBG傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

對(duì)于FBG傳感器而言，光子和電子的無(wú)規(guī)則波動(dòng)是影響系統(tǒng)測(cè)量精度的主要因素。在分析噪聲中的光子和電子對(duì)系統(tǒng)的影響時(shí)，假設(shè)系統(tǒng)為線性，根據(jù)平方率效應(yīng)，將光子無(wú)規(guī)則波動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲轉(zhuǎn)化為電子噪聲，所有電子噪聲疊加后組成系統(tǒng)噪聲[9]。在傳統(tǒng)傳感網(wǎng)測(cè)量應(yīng)用中，大多采用多傳感器數(shù)據(jù)融合對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)和估計(jì)。但是，大量多組數(shù)據(jù)的分組、篩選、處理和總結(jié)不僅是對(duì)分析系統(tǒng)能力的極大考驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)也提出了較高的要求，對(duì)于其系統(tǒng)噪聲的處理目前也沒(méi)有較為優(yōu)秀的方法[10]。在鐵塔工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，采用單個(gè)FBG傳感器并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差的加權(quán)平均時(shí)序融合方法處理數(shù)據(jù)，既可以去除系統(tǒng)噪聲，也有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)，獲得的測(cè)量結(jié)果可靠性更高。

在FBG傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中，異常值會(huì)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而使得數(shù)據(jù)融合過(guò)程產(chǎn)生較大誤差，依據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，先求得測(cè)量結(jié)果的均值和剩余誤差，再利用貝塞爾公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)某個(gè)測(cè)量結(jié)果殘差在標(biāo)準(zhǔn)差3倍以上時(shí)，即認(rèn)為該值為異常值進(jìn)行剔除。以表2中的某半年內(nèi)FBG傳感器采集到的12個(gè)應(yīng)變樣本值為例，現(xiàn)判斷x6=84.52是否為異常值。

表2 某FBG傳感器采集的12個(gè)樣本值

由于3s=25.47，則x6的殘余誤差為|g6|=|84.52-58.6|=25.92>3s，故該值為異常值，應(yīng)被剔除。

通過(guò)對(duì)多組數(shù)據(jù)的觀察和整理發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BG傳感器獲得的真實(shí)值多呈現(xiàn)正態(tài)分布的特點(diǎn)，故選取標(biāo)準(zhǔn)差與加權(quán)平均組合的時(shí)序融合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。將某時(shí)間段內(nèi)若干個(gè)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)并剔除異常值后，將其分為兩組。以主材應(yīng)變測(cè)量過(guò)程為例，設(shè)被測(cè)主材實(shí)際應(yīng)變大小為S0，則被測(cè)主材應(yīng)變測(cè)量結(jié)果可由公式表示為：

S=HS0+N

(12)

設(shè)第一組監(jiān)測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)為：S11，S12，…，S1m，m≤10。

設(shè)第二組監(jiān)測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)為：S21，S22，…，S2n，n≤20-m。

計(jì)算兩組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為：

(13)

(14)

標(biāo)準(zhǔn)差為：

(15)

(16)

將第一組和第二組的監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)組合，根據(jù)公式(3)可得：

(17)

(18)

式中HT為H的轉(zhuǎn)置矩陣；R為測(cè)量噪聲的協(xié)方差；E為單位矩陣，則：

(19)

最終的時(shí)序融合值Sa為：

(20)

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，時(shí)序融合算法是在將兩組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出異常值后獲得真實(shí)值的基礎(chǔ)上，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差算和加權(quán)平均算法對(duì)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行處理并以此來(lái)估計(jì)被測(cè)對(duì)象實(shí)際值的過(guò)程。在這一過(guò)程中，算法為兩組數(shù)據(jù)中方差較大的一組數(shù)據(jù)賦予較小權(quán)值，反之，方差較小的一組數(shù)據(jù)賦予較大權(quán)值。相比于直接計(jì)算算術(shù)平均值的過(guò)程，以時(shí)序融合值計(jì)算出的輸電鐵塔主材靜態(tài)應(yīng)變值更加準(zhǔn)確，與主材實(shí)際應(yīng)變也更接近。值得注意的是，對(duì)于主材應(yīng)變的時(shí)序融合分析過(guò)程同樣適用于對(duì)橫擔(dān)所受垂直向下的力G和電纜提供的水平張力FT的數(shù)據(jù)處理中。

4 工程應(yīng)用與分析

選取某地區(qū)輸電鐵塔2017年11月1日到2018年4月28日期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為樣本，選取安裝在鐵塔主材上的4只FBG傳感器在該期間采集獲得的樣本數(shù)據(jù)剔除異常值后分成兩組并進(jìn)行時(shí)序融合，結(jié)果如表3所示。

表3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)序融合分析結(jié)果

對(duì)于輸電鐵塔工作穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一方面要求系統(tǒng)能實(shí)時(shí)表現(xiàn)出傳感器安裝位置鐵塔主材的應(yīng)變情況，另一方面根據(jù)時(shí)序融合算法對(duì)選擇時(shí)間段內(nèi)鐵塔工作狀態(tài)進(jìn)行分析并以此為依據(jù)對(duì)輸電鐵塔工作穩(wěn)定性進(jìn)行整體把控。目前，該系統(tǒng)可以完成對(duì)輸電鐵塔受力G、FT和應(yīng)變值Δε的實(shí)時(shí)監(jiān)控與時(shí)序融合分析，圖5為監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)2017年11月1日到2018年4月28日期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)序融合分析結(jié)果。其中，在鐵塔工作健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控中，可視化界面數(shù)據(jù)刷新速度主要由傳感器信息采集時(shí)間決定，在大部分實(shí)際工況中，數(shù)據(jù)的刷新時(shí)間約為1分鐘，既可以滿(mǎn)足鐵塔工作狀態(tài)監(jiān)控的精度要求，也避免了數(shù)據(jù)刷新過(guò)于頻繁對(duì)傳感器和數(shù)據(jù)傳輸模塊帶來(lái)過(guò)大的工作負(fù)載，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。

圖5 鐵塔工作狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可視化界面

圖6為有限元仿真獲得的輸電鐵塔傾斜角度與應(yīng)變關(guān)系，當(dāng)輸電鐵塔傾斜角度分別為3°、6°和10°時(shí)，傳感器所對(duì)應(yīng)的主材應(yīng)變分別為和391，經(jīng)時(shí)序融合獲得的輸電鐵塔應(yīng)變值在61附近，所對(duì)應(yīng)的輸電鐵塔傾斜角度為1.56°，說(shuō)明該期間內(nèi)輸電鐵塔的工作狀態(tài)比較健康。

圖6 輸電鐵塔傾斜角度與測(cè)量位置應(yīng)變關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析FBG傳感器的測(cè)量原理，確定了橫擔(dān)所受垂直向下的力G、電纜提供的水平張力FT和主材應(yīng)變?chǔ)う排c中心波長(zhǎng)位移量的關(guān)系，提出了FBG傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)剔除異常值和時(shí)序融合過(guò)程，將FBG傳感器的測(cè)量和數(shù)據(jù)處理過(guò)程應(yīng)用于工程實(shí)踐中，獲得應(yīng)變量分別為61.67、61.37、61.97和61.82。通過(guò)對(duì)FBG傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)序融合處理，提高了傳感器對(duì)鐵塔工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。