山地環境500kV輸電塔在線監測系統構建及分析方法
【專利摘要】本發明涉及一種山地環境500kV輸電塔在線監測系統構建及分析方法。以存在地質隱患的500kV輸電塔為研究核心，確定影響輸電塔穩定性的主控因素為地質災害及風荷載，其特征表現為塔基位移及塔體振動。以影響桿塔穩定性的主控因素為標準，確定在線監測系統包括塔基監測裝置、塔體監測裝置、監測數據遠程傳輸裝置及預警裝置。以塔基變形-時間序列為基礎，建立基于局部折減法的塔基三維數值模型，確定塔基安全系數，評價塔基穩定性。基于在線監測系統的實時監測數據，計算塔體與塔基的相對變形量，形成桿塔變形-時間序列數據庫，建立灰色關聯模型，預測桿塔變形發展趨勢，評價桿塔的健康狀態。
【專利說明】山地環境500kV輸電塔在線監測系統構建及分析方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種山地環境500kV輸電塔在線監測系統的構建及分析方法，尤其是 對復雜山地環境中地質災害頻發的高壓輸電線路在線監測系統的構建及分析，基于在線監 測信息提出輸電塔安全性態的評價方法。
【背景技術】
[0002] "西電東輸"、"北電南送"的電力發展戰略是解決我國經濟發展與能源需求的重要 舉措。在此背景下，高壓輸電發展為當前電力供應的主要模式，但線路走廊所經之處卻具有 自然條件及賦存環境復雜的特點，災害頻發，常常導致輸電塔基傾斜、開裂、桿塔變形，基礎 沉陷、桿塔傾倒，嚴重威脅輸電線路的安全運行，極易造成電網大面積停電風險。因此，地 質災害引發塔基山體滑坡時，塔基出現的地表沉降造成導地線的拉線位移變型，引起桿身、 塔身受力彎曲或桿塔傾斜。鐵塔傾斜后造成桿塔導地線的不平衡受力，引起絕緣子串和地 線線夾邁步，電氣安全距離不夠等問題，嚴重時引起跳閘。因此，災害頻發的輸電線路走廊 環境為高壓輸電線路的安全運行提出了嚴峻的考驗，其運行狀態的及時評價與預警意義重 大。如作為"西電東送"要道的500kV張恩雙回線，跨越重慶及湖北兩省，高壓輸電線路密 集,全長150. 646公里（大部分同桿并架），線路走廊所經之處高山峻嶺蜿蜒綿長，其中丘陵 占17%，山地占45%，高山大嶺占38%，且該地區屬亞熱帶濕潤季風氣候區，強降雨極易誘 發泥石流或滑坡等，一些塔基邊坡出現了風化嚴重及碎石掉落的現象，基礎沉降不均勻，桿 塔受力不均衡引起桿塔材料的破損，嚴重影響了輸電塔的安全運行。由此可見，地質災害對 輸電線路運行狀態的影響極大，然后塔基沉降不均勻變形的初期，巡線人員很難用肉眼觀 察到微小的變化，如何通過在線監測方案對山區高壓輸電塔的健康狀態進行合理的監測預 警，及時消除以上線路隱患，對復雜山地環境中的高壓輸電線路安全運行至關重要。
[0003] 在輸電線路桿塔的監測方面，國內外均有相關現有技術，如激光、遠紅外或者雙軸 傾斜角度傳感器對桿塔傾斜角度進行測量，采用的是單一角度傳感方法對鐵塔傾斜做出判 斷。而且上述監測手段只能測出桿塔傾斜角度，地震或山體滑坡造成桿塔三維變形時并不 能給出桿塔的水平或者堅直位移量。而地質環境發生改變的初期，塔基不均勻變位引起的 桿塔變形并不能通過實時在線監測來獲得，事實表明塔基的影響是明顯存在的，則在線監 測系統中考慮塔基實時監測是準確評價輸電塔運行狀態的重要手段，但當前的電力系統企 業標準中未對此項監測做明確的規定。因此，開展山地環境中高壓輸電塔在線監測系統的 構建及分析方法研究具有重要的理論意義及實踐價值。
[0004] 為了更清晰地了解山地環境中高壓輸電塔的實時變形特征，提高輸電塔運行狀態 評價的準確性及輸電線路安全的預測預警精度，有必要發明一種有效的方法從理論上確定 塔基及塔體的實時變形發展趨勢，又能從技術上解決輸電塔的運行狀態評價及預警問題。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供能簡單、直接、經濟和有效的山地環境中高壓輸電線路在 線監測系統的構建及分析方法，該方法能分析不同山地環境中的500kV高壓輸電塔基由于 地質災害引起的變位對輸電塔變形趨勢的影響，實現輸電塔的實時運行狀態的評價，確保 輸電線路健康診斷及安全預警的準確性。
[0006] 值得說明的是，本發明解決其技術問題需要采用以下的技術方案：
[0007] 1)以存在地質隱患的500kV輸電塔為研究核心，確定影響輸電塔穩定性的主控因 素為地質災害及風荷載，其影響分別表現為塔基位移及塔體振動。
[0008] 2)以影響桿塔穩定性的主控因素為標準，確定在線監測系統包括塔基監測裝置、 塔體監測裝置、監測數據遠程傳輸裝置及預警裝置，其中：塔基監測裝置采集塔基位移時間 序列，塔體監測裝置采集風速、氣溫、風荷載作用的桿塔振動加速度，監測數據遠程傳輸裝 置采用GPRS傳輸采集的所有信息，預警裝置對采集數據存儲、分析、預警及訪問控制。
[0009] 3)以塔基變形-時間序列為基礎，建立基于局部折減法的塔基三維數值模型，確 定塔基安全系數，評價塔基穩定性。
[0010] 4)基于在線監測系統的實時監測數據，計算塔體與塔基的相對變形量，形成桿塔 變形-時間序列數據庫，建立灰色關聯模型，預測桿塔變形發展趨勢，評價桿塔的健康狀 態。
[0011] 為實現本發明目的而米用的技術方案是這樣的，一種山地環境500kV輸電塔在線 監測系統構建及分析方法，其特征在于：
[0012] 包括由塔基監測裝置、桿塔監測裝置、數據傳輸裝置和預警裝置構成的在線監測 系統。
[0013] 所述塔基監測裝置，在線監測輸電塔的塔基相對于基準點的位移，得到塔基位 移-時間序列。
[0014] 所述桿塔監測裝置包括設置在輸電塔的桿塔上的振動傳感器、風速傳感器、風向 傳感器和溫度傳感器，通過在線監測輸電塔的桿塔，獲得桿塔振動加速度-時間序列、風 速-時間序列、風向-時間序列和溫度-時間序列。
[0015] 所述數據傳輸裝置將上述時間序列傳遞給預警裝置。
[0016] 所述預警裝置接收到塔基位移-時間序列后，根據以下步驟，作塔基穩定性分析：
[0017] 1)通過地勘的方法，獲得輸電塔的塔基下方巖土的彈性模量E、泊松比V、粘聚力 c、內摩擦角Φ、剪脹角Ψ和初始應力狀態。
[0018] 2)建立輸電塔的塔基下方巖土的三維顆粒流數值模型，進行三軸壓縮試驗，得到 軸向應力-應變曲線及抗剪強度包絡線圖，確定顆粒的細觀力學參數：顆粒法向及切向接 觸剛度k n、顆粒摩擦系數f、顆粒法向粘結強度pbn和顆粒切向粘結強度pbt。
[0019] 根據初始應力狀態，采用屈服接近度判別法確定塔基下方巖土的第一次強度折減 的區域Q1，對該區域的參數f，Pbn，Pbt分別按折減系數心&"，&,進行折減，通過數值計 算獲得第一次強度折減后的塔基位移一時間序列及塔基應力狀態。
[0020] 基于第一次折減后的塔基應力狀態，采用屈服接近度判別法確定第二次折減后的 區域Ω 2，以更大的數值更新折減系數Kf，，對該區域的參數f，pbn，P bt分別按更新 后的折減系數Kf，進行第二次強度折減。通過數值計算獲得第二次強度折減后的 塔基位移一時間序列及塔基應力狀態。
[0021] 參照本步驟的上述方法，直到確定第η次折減后的區域Ωη為止。此時，對該區域 的參數f，P bn，Pbt分別按更新后的折減系數Kf，Ip6,,進行第η次強度折減。通過數值計 算獲得第η次強度折減后的塔基位移一時間序列及塔基應力狀態。此時，顆粒最大累積位 移大于臨界位移（du,max > drait)或顆粒的平均不平衡力 Nunbalance〈〇· 1。
[0022] 3)塔基上任意一點的坐標為（x，y，z)，根據塔基位移-時間序列，確定塔基t時 刻及（x，y，z)位置的監測位移值dUx，y，z)，不斷調整強度折減系數K f，，使得塔 基在t時刻及（X，y，z)位置的數值計算位移cl· Ux^z)與監測位移dUx^z)接近，滿足 d' t，(x，y，z)-dt， (x，y，z) I 彡 ε，ε 為小值。
[0023] 4)確定滿足|d，t，(x，y， z)_dt，(x，y，z)|彡ε時對應的強度折減系數心，尤?，&,，將 [+& +&)作為塔基的穩定安全系數。
[0024] 當安全系數大于1則為塔基穩定，當安全系數小于1則發出塔基不穩定的信號。
[0025] 進一步，所述預警裝置接收到桿塔振動加速度-時間序列、風速-時間序列、風 向-時間序列和溫度-時間序列后，根據以下步驟，作桿塔穩定性分析：
[0026] 1)設定X，Y軸為水平方向上相互垂直的兩個坐標軸，Z為堅直方向上交于X，Y軸 交點的坐標軸。根據塔基位移-時間序列，得到塔基在設定時間t內沿X，Y，Z軸的變形量 Fx，Fy，Fz。
[0027] 2)根據桿塔振動加速度-時間序列，得到桿塔在設定時間t內的三維 運動加速度為ax，ay，az，計算桿塔在設定時間t內沿X，Y，Z軸的變形量T x，Ty，Tz， Tx =V J+ \〇 / ^ Ty=Vyt+X-arr , Γ: = G+ 士"/，其中 Vx，Vy，Vz 的初始值取為 0,后續 取值為前一次計算桿塔變形后的桿塔運動速度。
[0028] 3)桿塔沿X，Y，Z軸的相對變形為Fx-Tx，F y-Ty，Fz-Tz。計算桿塔每一個時刻的變形 量，獲得桿塔每個時刻測點的變形一時間序列為d' nl，t。
[0029] 4)根據d' nl，t，以t0時刻變形序列d' nl，t(l為基準，分析tl時刻的變形序列d' nl，tl 與d'nl，tQ的關聯度。
[0030] 5)計算某測點m的變形-時間序列相關度：
[0031]
【權利要求】
1. 一種山地環境500kV輸電塔在線監測系統構建及分析方法，其特征在于： 包括由塔基監測裝置、桿塔監測裝置、數據傳輸裝置和預警裝置構成的在線監測系 統； 所述塔基監測裝置，在線監測輸電塔的塔基相對于基準點的位移，得到塔基位移-時 間序列； 所述桿塔監測裝置包括設置在輸電塔的桿塔上的振動傳感器、風速傳感器、風向傳感 器和溫度傳感器，通過在線監測輸電塔的桿塔，獲得桿塔振動加速度-時間序列、風速-時 間序列、風向-時間序列和溫度-時間序列； 所述數據傳輸裝置將上述時間序列傳遞給預警裝置； 所述預警裝置接收到塔基位移-時間序列后，根據以下步驟，作塔基穩定性分析： 1) 通過地勘的方法，獲得輸電塔的塔基下方巖土的彈性模量E、泊松比V、粘聚力c、內 摩擦角Φ、剪脹角Ψ和初始應力狀態； 2) 建立輸電塔的塔基下方巖土的三維顆粒流數值模型，進行三軸壓縮試驗，得到軸向 應力-應變曲線及抗剪強度包絡線圖，確定顆粒的細觀力學參數：顆粒法向及切向接觸剛 度kn、顆粒摩擦系數f、顆粒法向粘結強度pbn和顆粒切向粘結強度pbt ; 根據初始應力狀態，采用屈服接近度判別法確定塔基下方巖土的第一次強度折減的區 域Q1，對該區域的參數f，Pbn，Pbt分別按折減系數& ,:進行折減，通過數值計算獲 得第一次強度折減后的塔基位移一時間序列及塔基應力狀態； 基于第一次折減后的塔基應力狀態，采用屈服接近度判別法確定第二次折減后的區域 Ω2，以更大的數值更新折減系數&，對該區域的參數f，pbn，pbt分別按更新后的 折減系數進行第二次強度折減；通過數值計算獲得第二次強度折減后的塔基 位移一時間序列及塔基應力狀態； 參照本步驟的上述方法，直到確定第η次折減后的區域Ωη為止；此時，對該區域的參 數f，pbn，Pbt分別按更新后的折減系數進行第η次強度折減；通過數值計算 獲得第η次強度折減后的塔基位移一時間序列及塔基應力狀態；此時，顆粒最大累積位移 大于臨界位移>drait)或顆粒的平均不平衡力 Nunbalance〈〇· 1 ; 3) 塔基上任意一點的坐標為（x，y，z)，根據塔基位移-時間序列，確定塔基t時刻 及（x，y，z)位置的監測位移值dUx，y，z)，不斷調整強度折減系數使得塔 基在t時刻及（X，y，z)位置的數值計算位移cl·Ux^z)與監測位移dUx^z)接近，滿足d't，(x，y，z)-dt，(x，y，z)I彡ε，ε為小值； 4) 確定滿足|(Γt，(x，y，z)_dt，(x，y，z)|彡ε時對應的強度折減系數將 [=, + j作為塔基的穩定安全系數； 當安全系數大于1則為塔基穩定，當安全系數小于1則發出塔基不穩定的信號。
2. 根據權利要求1所述的一種山地環境500kV輸電塔在線監測系統構建及分析方法， 其特征在于： 所述預警裝置接收到桿塔振動加速度-時間序列、風速-時間序列、風向-時間序列和 溫度-時間序列后，根據以下步驟，作桿塔穩定性分析： 1) 設定X，Y軸為水平方向上相互垂直的兩個坐標軸，Z為堅直方向上交于X，Y軸交 點的坐標軸；根據塔基位移-時間序列，得到塔基在設定時間t內沿X，Y，Z軸的變形量 Fx，Fy，Fz ; 2) 根據桿塔振動加速度-時間序列，得到桿塔在設定時間t內的三維運動加速度 為ax，ay，az，計算桿塔在設定時間t內沿X，Y，Z軸的變形量Tx，Ty，Τζ，Γχ =FJ+ ， τ； =yL=ρ+^'//，其中Vx，Vy，Vz的初始值取為0,后續取值為前一次計算 桿塔變形后的桿塔運動速度； 3) 桿塔沿X，Y，Z軸的相對變形為Fx-Tx，Fy-Ty，Fz-Tz ;計算桿塔每一個時刻的變形量，獲 得桿塔每個時刻測點的變形一時間序列為d'nl，t ; 4) 根據d'nl，t，以t0時刻變形序列d'nl，t(l為基準，分析tl時刻的變形序列d' nl，tl與 d'nl，t(l的關聯度； 5. i+笪某涮點m的奪形-時I'目序列相關濤S
(P為分辨系數，取值[〇，1])， 求不同時刻桿塔變形-時間序列的灰關聯度〃/ /2m=l 6) 根據計算的灰關聯度大小進行分區，區間個數為rN，計算rN區間內灰關聯度的概 率，得到不同變形-時間序列如d'nl，tl與d'nl，t(l的灰關聯度概率分布函數F(tcul)，求方差 D(F(tcul))，時刻[t0,tl]間的變形-時間序列進行插值計算，得出任意時刻對應位置的桿塔 變形-時間序列； 7) 根據任意時刻對應位置的桿塔變形-時間序列，得到桿塔實時傾斜角 f \ ^-arcsin ;在無冰、風速5m/s、桿塔所處位置的氣溫為年平均氣 +[Fy-Ty)-) 溫下，塔高50m及以上桿塔，桿塔傾斜角超過桿塔全高的0. 5 %則發出預警；同樣條件下， 50m以下桿塔，桿塔傾斜角超過桿塔全高的1. 0%則發出預警。
3. 根據權利要求1所述的一種山地環境500kV輸電塔在線監測系統構建及分析方法， 其特征是：所述的塔基監測裝置包括： 激光位移傳感器，采集輸線路的地基基礎監測參數中的塔基位移數據； 太陽能電池或蓄電池，用于對所述地基基礎監測裝置中的用電部件供電。
4. 如權利要求1所述的一種山地環境500kV輸電塔在線監測系統構建及分析方法，其 特征是：所述的桿塔監測裝置包括： 振動傳感器，采集輸電線路的桿塔監測參數中的桿塔振動加速度數據； 風速傳感器，采集輸電線路的桿塔監測參數中的桿塔風速、風向數據； 溫度傳感器，采集輸電線路的桿塔監測參數中的溫度數據，包括輸電桿塔周圍的環境 溫度數據。 太陽能電池和蓄電池，用于對所述桿塔監測裝置中的用電部件供電。
5. 如權利要求1所述的一種山地環境500kV輸電塔在線監測系統構建及分析方法，其 特征是：所述的監測數據遠程傳輸裝置包括： GPRS、太陽能電池和蓄電池，用于所述監測系統的監測數據的無線傳輸以及裝置用電 部件供電。
6. 如權利要求1所述的一種山地環境500kV輸電塔在線監測系統構建及分析方法，其 特征是：所述的預警裝置包括： 輸電線路在線監測模塊，用于利用塔基及塔體的實時監測信息，對桿塔變形趨勢進行 分析與評估。
【文檔編號】G01D21/02GK104316108SQ201410624271
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月4日 優先權日:2014年11月4日
【發明者】劉先珊, 許明, 劉綱, 熊衛紅, 涂長庚, 李振柱, 張 林 申請人:重慶大學, 國家電網公司華中分部, 國網重慶市電力公司