地質災害多發區的超高壓輸電線路桿塔基礎失穩預警系統研究

曾璐陽，高 琛，江 博，程俊翔，姚 俊，徐海章（國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 435000）

0 引 言

架空輸電線路在電網結構起著輸送電能的作用，所處環境一般極為惡劣[1-2]。伴隨著人為破壞、自然災害的發生，架空輸電桿塔的安全性往往無法保障，經常發生倒塔、斷線等故障，給電網穩定運行帶來極大的挑戰[3]。

近年來，針對頻繁的桿塔倒塌事故，國內外專家學者對如何有效預防桿塔失穩進行了研究。目前，應用比較廣泛的是經緯儀測量法[4-6]，但該方法對于桿塔所處環境要求較為苛刻，需要桿塔所處位置平坦。但是，在山區特別是在地勢險峻的跨山地區，很難通過人工經緯儀測量，給對桿塔失穩的不確定性帶來了很大影響。本文設計了一種針對地質災害多發區的超高壓輸電線路桿塔基礎失穩模擬監測系統，利用多個壓力傳感器和傾角傳感器采集數據，通過數據融合技術處理數據，再通過無線通信方式傳輸給運維工作人員和后臺服務中心，及時、有效提醒工作人員桿塔的運行狀況。通過模擬試驗驗證了其有效、可行且精度高，實現了超高壓輸電線路桿塔傾斜狀態的實時監測。

1 系統組成

整個系統主要由3部分構成，通過現場的傳感器檢測終端檢測信號，利用無線通信模塊進行通信傳輸，再經過控制模塊進行綜合分析，最后將控制信號傳輸給遠程監控中心，如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

1.1 傳感器檢測終端

這里將通過傳感器模塊采集桿塔傾斜信號，整個系統采用多傳感器同時檢測。4個壓力傳感器分別位于基腳的4個腳下，4個傾角傳感器分別位于塔頂、塔腰和塔基上。通過4個不同位置的傳感器檢測的數值進行數據融合，從而得出真實的輸電桿塔傾斜數據，給工作人員一種直觀的桿塔傾斜判斷，達到及時預警的目的。

1.2 壓力檢測子系統

本文中，壓力傳感器主要安裝在塔基的4個基腳下，用來檢測塔基對地面的壓力。本文采用可靠性高、穩定性強且內含INA128儀表放大器的壓力傳感器檢測信號，具體檢測原理如圖2所示。

1.3 傾角檢測子系統

傾角檢測對于輸電桿塔失穩非常重要。傳感器的選擇對系統的可靠性尤為重要，因為桿塔所處環境的情況決定了傳感器的可靠性。在經過多次咨詢和現場試驗后，本文選擇了精度高、性能強的SCA100T傾角傳感器。

2 超高壓輸電桿塔失穩數據融合

輸電桿塔是通過多傳感器數據融合獲得桿塔穩定性判斷。多數據融合方法步驟如下：

（1）采用離散小波變換實現信號濾波。信號x(t)的連續小波變換定義為：

其中：

表示小波基函數，x(t)是每個傳感器檢測的信號，ψj,n(t)是小波基數，j是尺度因子，n是平移因子。適當選擇母小波ψ(t)，可使ψj,n(t)及其傅里葉變換ψj,n(ω)同時具有較好的局限性，因此小波分析是時-頻分析。

在離散小波變換中，常用的離散方法是將j按冪級數離散，n在尺寸內均勻離散，信號x(t)的離散小波變換為：

（2）利用小波包能量譜方法對壓力信號和傾角信號進行分解處理，提取特征向量

其中，Ej表示第j個傳感器頻帶能量，xjk(k=1,2,…,N)為信號Ej各離散點的值。于是，可計算所述各頻帶能量占總能量的百分比其中En表示第n個傳感器頻帶能量，為穩定性診斷的輸入特征量。

（3）利用RBF神經網絡方法對輸電線路桿塔進行初步穩定性診斷。RBF神經網絡由輸入層、隱層和輸出層組成，完成非線性映射。

一般取：

其中，e為輸入向量，ωi是權值，ci和σi是基函數的數據中心和寬度，n為中心數目，φ(·)為徑向基函數，ω0表示偏差。

（4）利用貝葉斯推理實現對初步診斷結果融合，得出最終融合診斷結果：

其中，u(k)和un(k)表示二值函數；Pk(Hi/u1(k),…,ui(k),…,un(k))表示第k次量測下Hi的后驗概率（i=0.1）；H1表示目標存在該信號；H0表示目標不存在該信號。

3 輸電桿塔失穩軟件設計

為了確保檢測系統數據的準確性，同時盡量減少人為因素影響，通過C語言編程自動設置閾值，通過檢測值與設定閾值自動對比實現自動報警。本文設計的軟件流程如圖3所示。

圖3 桿塔基礎失穩預警系統的軟件流程圖

4 超高壓輸電線路桿塔失穩調試分析

將研究的超高壓輸電線路桿塔基礎失穩預警系統投入實際工作現場應用。研究的輸電線路桿塔基礎失穩預警系統響應國網公司項目要求制作而成，主要是對超高壓輸電線路桿塔的穩定性進行研究，通過對超高壓輸電線路桿失穩檢測判定桿塔的穩定性。

圖4 現場安裝調試圖

本文研制的超高壓輸電線路桿塔失穩預警系統具有良好的實際應用效果，通過研制前后的實際對比發現，其可降低工作人員的工作強度，提高巡檢質量。

5 結 論

本文論證了采用多傳感器信息與數據融合相結合的方法檢測超高壓輸電線路桿塔基礎失穩預警系統的可行性與有效性。分析認為，一方面利用壓力傳感器采集到的壓力可以分析桿塔四角受力情況，對桿塔穩定性進行初判，另一方面利用傾角傳感器采集的傾角判斷桿塔是否處于傾斜狀態，將兩者結合可對桿塔的安全情況進行準確預警，能解決常規檢查很難及時準確發現桿塔傾斜故障的技術難題。在模擬基礎上，根據相關監測方案設計，未來可在超高壓輸電線路正式投入運行，實現超高壓輸電線路桿塔的全方面檢測。

表1 實際應用效果對比