基于桿塔傾斜和振動狀態監測的災害預警系統

楊斌，王磊，張紫丹，王爾璽，肖思昌，石川，豐金浩

（1.國網武漢供電公司，武漢 430000，2.武漢大學電氣與自動化學院，武漢 430072）

0 前言

經濟的快速發展導致電力能源的消耗逐漸增大，使電力能源的傳輸與調配安全性變得尤為重要。在電力網絡系統中，輸電桿塔是其非常關鍵的組成部分，之間通過大量的輸電線路相互連接，從而保證整個電力網絡系統的正常穩定運轉。然而，幾乎所有的輸電桿塔都分布在野外惡劣環境中，往往易產生各類安全事故。近年來，在臺風、暴雨、暴雪、冰雹、大風、沙塵、龍卷風等自然災害或者違規施工、挖沙、偷盜塔材等不法行為造成的影響下，使輸電桿塔大面積塌方和傾斜[1-2]。因此需要對輸電線路桿塔的運行狀態進行全天候監控，來保障電網的安全可靠運行。

圖1 泛在電力物聯網概念圖

泛在電力物聯網、透明電網概念的相繼提出，“智能化”、“泛在化”成為電力系統的研究重點之一[3]。其作用在于通過大數據匯集各種資源為城市規劃建設、生產運行、運營管理、綜合服務、新業務新模式發展提供充分有效的數據支持。

為了實現未來電網需求下智能化、數據化的目標，在輸電線路領域有效檢測桿塔、輸電線路運行狀態，改善高成本、低效率的人工檢測現狀，開展智能化桿塔、線路檢測技術具有重要意義。

目前輸電桿塔在線監測裝置還存在較大的問題。第一，設備可靠性相對較差[4]；第二，設備實用性有待提高。在實際運行中，由于計算模型不同，得到的結果也存在不同程度的偏差，嚴重的情況下會導致系統誤報；第三，設備集成度不高，往往一整套監測裝置體積較大，給施工安裝和日常運維造成一定的困難。

針對以上問題，本文基于傳感器選型、布點原則、數據通信三方面內容進行了輸電桿塔狀態監測的災害預警系統設計，從而實現本系統對輸電桿塔振動，傾斜狀況全天候24 小時不間斷的精確監測。

1 系統概述

圖2 輸電線路微氣象災害預警系統拓撲設計

本系統在傳感器技術方面，選用高性能傳感器對輸電桿塔的傾斜，振動狀態進行數據采集，并作為輸電桿塔狀態預警的依據，實現泛在電力物聯在線監測的智能感知功能。通過物聯網技術將感知設備與通信設備對接實現智能物聯化，依托廣泛的移動通信網絡實現廣域物聯，使用數據采集主機通過移動4G 網絡以SOCKET 透傳通信、TCP 協議向部署的服務器主動上發由傾角傳感器和振動傳感器測量到的數據，在遠程監控端利用JavaScript 搭建出輸電線路預防系統平臺，把輸電桿塔傾斜，振動數據通過曲線形式進行不間斷顯示、存儲，方便技術人員對輸電桿塔運行狀況進行分析研究。

基于上述技術路線方案，制定出圖2 所示的輸電線路微氣象災害預警系統設計架構。傾角傳感器與振動傳感器實現傾斜和振動物理量的智能感知，數據采集主機采集傳感器信號，并通過移動通信網絡實現遠程監控。

2 系統設計

本文設計的輸電線路桿塔監測系統通過數據采集主機解析，把傾角、振動傳感器所測的實時數據上傳服務器后臺。通過基于JavaScript搭建出輸電線路微氣象預防系統平臺，將實時數據以曲線形式進行展示。

2.1 設備選型

搭建輸電線路桿塔監測系統的主要硬件設備包括傾角傳感器、振動傳感器、數據采集系統、太陽能板。

2.1.1 傾角傳感器

輸電桿塔的傾斜狀態監測是通過傾斜傳感器來實現的。傾斜傳感器是基于“擺”的工作方式原理來組合完成的。當傾斜傳感器表面殼體與地球重心方向產生傾角時，在重力作用的影響下，擺錘M 會試圖保持在鉛垂方向，因此會相對于殼體擺動產生一個角度[5]。如果利用某種傳播元件將這個角度量，或者將與“擺”相連（或者是“擺”的一部分）的敏感元件的應變量，轉換成電量輸出，則實現了傾斜角的電測量。

圖3 傾角傳感器原理

如圖3 所示，正常情況下傾角傳感器X 軸，Y 軸，Z 軸的偏離角度為零。當受到外界干擾因素作用時，傾角傳感器的X 軸，Y 軸和Z 軸就會產生偏離角度。正是通過后臺觀測傳回來的傾角數據，來判斷輸電桿塔的實際傾斜狀況。

2.1.2 振動傳感器

本文選用的振動傳感器為壓電加速度計。它的原理是利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應，在加速度計受到振動的時候，質量體對壓電元件產生的力也會因此發生改變。當壓電加速度計的固有頻率大于被測量物體的振動頻率時，此時產生的力的變化也就與被測量物體的加速度成正比[6]。如圖4 所示，當振動傳感器任意軸受力時，都將產生一個此方向的加速度。正是通過后方觀測這些由振動受力產生的加速度的數值，可以判斷輸電桿塔的實際振動狀況。

圖4 振動傳感器軸向圖

2.1.3 數據采集系統

本文選用低功耗、穩定性高的數據采集器構建數據采集系統，內置工業級無線傳輸引擎和嵌入式處理器。數據采集系統可通過移動4G/5G 網絡以SOCKET 透傳通信、TCP 協議向部署的服務器主動上發采集到的數據。具有寬供電范圍、寬耐溫耐壓范圍、抗電磁干擾、低功耗的特點，可提供8 路模擬量，4 路開關量信號采集，4 路繼電器輸出，狀態觸發報警的功能。

2.1.4 太陽能板

由于每套監測系統硬件的總功消耗為155 mA@DC12 V，逆變器的轉換效率為90%，每日有效日照時間為5 小時，為了實現監控系統24 小時不間斷工作，本文選用的為100 W 的太陽能板，同時考慮到設備的實用性與經濟性，在特殊地形和極端條件下對桿塔運行狀態進行實時監測，采用太陽能電池板+ 鋰電池蓄電的光儲供電方式。太陽能板與鋰電池共同接入光儲控制器，光儲控制器對鋰電池的充放電進行控制。光儲控制器的輸出端經過DC-DC 穩壓模塊輸出穩定的DC12 V 電壓，最終通過多通道端子排對硬件設備進行供電。

2.2 總體設計

在選定的傳感器與采集主板的基礎上，對監測系統的采集架構和輸電線路上的傳感器布點進行具體設計。如圖5 所示，每個桿塔上安裝傾角傳感器、振動傳感器各四個。由于每個采集主板支持最大八路模擬量采集，且考慮后續擴建及冗余備用設計。故每個桿塔配置采集主板四套。其對應的采集架構及接線如圖5 所示，#1 與#2 采集主板采集相同，采集一套兩路傾角信號、兩套六路振動信號。#3 采集主板采集兩套思路傾角信號，其余為空置。#4 作為備用硬件全部空置。其中，X 軸方向為順延線路方向，Y 軸為垂直于線路方向，Z 軸為垂直于地面方向。

圖5 監測系統采集架構

圖6 輸電線路微氣象預防系統布點方式

由于桿塔最容易受力傾斜和振動的地方是塔頂和距離地面2/3 處的塔腰，在桿塔易受力傾斜的位置安裝傾角傳感器，在易振動的桿塔塔臂處安裝振動傳感器，從不同位置、不同方向的傾斜角度來反映桿塔的傾斜狀態[7]。通過傾斜，振動傳感器對輸電桿塔的狀態進行檢測并及時發出警報，實現了對輸電桿塔傾斜及振動的實時在線監測、預警、防護，有效的減少了桿塔傾倒事故的發生的可能。傳感器桿塔布點如圖6 所示。綠點代表著四個傾角傳感器在實際桿塔所固定的位置，藍點代表著四個振動傳感器在實際桿塔所固定的位置。8 個傳感器由太陽能電池板+ 鋰電池蓄電方式進行供電，數據通過無線4G/5G 傳輸，不影響高壓線路的正常輸配電。為盡可能精準的反應桿塔運行狀態，傳感器安裝位置盡可能處于桿塔塔臂處，且成對稱式分布。

3 軟件系統

本文第二部分介紹了硬件系統的配置，而將感知設備與通信設備對接的功能則需要軟件系統來完成。

圖7 軟件監測終端的主程序流程圖

如圖7 所示，軟件監控終端主要負責對輸電桿塔傾斜，振動狀態的信息采集和上報。設備初始化后，給定入網信號，開始采集輸電桿塔傾斜，振動數據信息。同時，通過調試完畢后的數據采集主機，將測量數據傳輸到后臺監控中心，利用JavaScript 建立的輸電線路預防平臺實現對測量數據的高效管理和分析。

如圖8 所示，對數據采集主機進行通信調試，通過移動4G 網絡以SOCKET 透傳通信、TCP協議向部署的服務器主動上發由傾角傳感器和振動傳感器測量到的數據，實現對輸電桿塔運行狀態的全天候不間斷監控。

1）數據采集主機配置調試

由圖8(a) 可知，將串口設置調整為計算機自動識別的串口號，本文串口設置為COM4，波特率設置為9600，數據設置為8，停止位設置為N，校驗位設置為1，采集主板采用TCP Client 網絡通信協議。

每次數據報文中，包含有以FF0*開頭的采集主板識別碼，以實現與具體安裝、監測點的功能對應[8]。在采集主板識別碼后是固定的64 03 30 報文前綴，其后則是采集到的數據。在后臺監控端的設計中，需要進行解碼設計。

圖8 數據采集主機通信調試

2）SOCKET 通信調試

由圖8(b) 可知，SOCKET 就是對TCP/IP協議的封裝，它可以讓整個系統更便捷地使用TCP/IP 協議棧[9-10]。但SOCKET 本身并不是協議，它只是一組調用接口。所以SOCKET 通信調試就是使數據采集主機系統快速應用TCP/IP協議棧，從而進行數據在網絡中的傳輸。

3）服務器端解析到數據

由圖8(c) 可知，上方界面為服務器從各個傳感器上解析到的數據，將這些數據傳輸到所搭建的分析平臺上，就可實現直觀的觀測各個時刻桿塔運行狀態的功能。

4 實驗測試結果與分析

圖9 系統機箱設計安裝圖

如圖9 所示，分別將四個采集主機和2 個鋰電池放進主機外箱里，通過鋰電池和外接的太陽能板對其進行不間斷供電。最后通過負載、電池、太陽能的順序進行供電接線。

接線完畢后，封裝外箱，與太陽能板一起通過三角支架固定在輸電桿塔離地面20 米左右的位置，同時四個傾角傳感器和四個振動傳感器固定到桿塔的塔臂上，基于JavaScript 搭建出輸電線路預防系統平臺，將傾角和振動傳感器測量的實時數據通過曲線形式在平臺上進行顯示。

5 結束語

本文結合傳感器技術、物聯網技術、移動通訊技術、數據處理技術等其他電子技術對輸電桿塔進行有效實時的監測。本文設計的系統在傳感器選型、電源系統配置等方面做了特別優化。在振動檢測中，系統選用壓電加速計傳感器，當任意軸受到振動或者受力時，都將產生一個此方向的加速度；輸電桿塔的傾斜可由傾斜角傳感器監測，將傾角量轉換成電量輸出，則實現了傾斜角的電測量。數據采集系統中項目選用低功耗、穩定性高的數據采集器構建數據采集系統。數據采集系統再通過移動4G 網絡以SOCKET 透傳通信、TCP 協議向部署的服務器主動上發由傾角傳感器和振動傳感器測量到的數據,在檢測軟件上可實時顯示桿塔狀態。經過實地檢測，系統運行穩定且精度高。