架空輸電線路桿塔結構可靠監測平臺設計

馬曉鋒, 米雪峰, 高鵬, 任秉珍, 唐明生

(國網甘肅省電力公司隴南供電公司, 甘肅, 隴南 746000)

0 引言

桿塔作為架空輸電線路的重要組成結構,其內部結構的可靠性,直接影響了輸電線路的運行穩定性。在經濟不斷發展的設計背景下,可用的土地面積大幅度減少,為了解決電力線路鋪設面積不足的問題[1],架空輸電線路建設模式被不斷推廣,尤其對于人口較多的區域[2],可以最大限度地節約土地面積。當前,桿塔結構的研究已成為重點研究問題,其結構的可靠性監測也受到了設計人員的關注。

文獻[3]參考鋪管船結構監測架構設計了一種廣泛適用的結構動態監測系統,實現對目標結構可靠性的實時監測,但該系統實時性較差。文獻[4]提出的檢測系統根據監測傳感器數據的時間標簽建立了平穩時間序列,對監測數據進行排序,再運用InfluxDB引擎實現數據保存,但該系統的數據存儲能力較差。文獻[5]所開發的監測平臺主要針對區域環境、結構振動以及應變數據進行檢測,采用雙重有限元模型和數字孿生技術,對監測數據進行修正,根據修正后的數據得出結構可靠監測結果。但該系統監測難度較大。

針對以上問題,本文以架空輸電線路桿塔為研究對象,針對桿塔結構監測網絡中的中繼節點設置進行優化,實現平臺網絡時延的降低。

1 架空輸電線路桿塔結構可靠監測平臺硬件設計

1.1 桿塔監測器

結構可靠監測需要以數據為基礎,本文綜合多種傳感器[6]設計一個桿塔監測器,作為前端數據采集的基礎硬件。具體結構如圖1所示。

圖1 桿塔監測器硬件結構圖

在桿塔監測器硬件結構中,選擇負溫度系數熱敏電阻作為溫度傳感器,其他3種傳感器分別選擇雙軸傾角傳感器SCA100T、S型拉壓傳感器以及RY-FS01型風速傳感器。通過上述傳感器完成數據采集后,還需要運用單片機對采集信息進行轉換處理。

1.2 電源模塊

為了保證桿塔監測節點和檢測主機的穩定運行,設計了如圖2所示的電源模塊。

圖2 電源模塊結構圖

根據圖2可知,以太陽能能源為基礎,通過充電板采集太陽能資源,并將其以電能的形式保存在鋰電池內,再通過無線單片機、步進電機等結構完成供電操作。

2 架空輸電線路桿塔結構可靠監測平臺軟件設計

2.1 建立輸電塔-線體系有限元模型

考慮到桿塔結構較為復雜,本文以有限元模型為基礎,建立架空輸電線路塔-線體系,將其作為后續設計的基礎。通過塔基沉降力學模擬,針對桿塔結構建立有限元力學模型[7],進一步明確應力分布情況。采用自定義單元截面形狀、非線性剛性單元,來模擬角鋼截面和導線,剛性連接桿單元表示桿塔絕緣子串,形成1∶1的三維輸電塔-線模型。

由于桿塔正常工作時,架空輸電線路會受到重力影響出現懸鏈線狀態,因此在輸電塔-線體系有限元模型建立過程中,為了便于計算,本文采用一根導線代替6分裂導線,則等效直徑計算公式為

(1)

式(1)中,d表示等效直徑,a表示導線直徑,D表示分裂直徑,E表示分裂總數。其中,架空輸電線路中導線的懸裂線可以表示為

(2)

式(2)中,y表示懸裂線,x表示原始導線,θ表示導線最低點的應力,h表示懸掛點之間的垂直距離,λ表示導線受重力與截面比,s表示懸掛點之間的水平距離,sin表示正弦函數。根據上述公式計算結果,完成輸電塔-線體系有限元模型的整體構建,將其作為后續桿塔結構監測網絡設計的基礎。

2.2 搭建桿塔結構監測網絡

桿塔結構可靠監測結果的生成,需要依托于各種傳感器采集的全方位數據。雖然桿塔設計結構并不統一,但桿塔組成存在很多共性[8],通過數次分析可以確定桿塔結構可靠影響因素,主要分布在塔頭、橫擔與塔基,檢測網絡的布置也需要以這些薄弱環節為重點。

架空輸電線路建設區域中,2個相鄰桿塔之間的距離往往相似,本文運用WSN技術在每個桿塔上方布置一個中繼節點,并保證這些中繼節點可以同時實現長距離、短距離無線通信。桿塔檢測器內多個傳感器節點可以通過中繼節點進行通信,將采集數據傳輸至目標區域。本文結合WSN與RFID技術,建立了如圖3所示的監測網絡架構。

圖3 桿塔監測網絡架構示意圖

根據圖3可知,本文提出的桿塔監測網絡架構主要包括4層。第一層由塔身傳感標簽和融合節點組成,主要負責將標簽信息傳遞至RFID閱讀器;第二層由傳感器節點和中繼節點組成,主要功能是匯聚傳感信息;第三層由中繼節點和移動基站組成,負責向基站傳輸信息;最后一層通信結構主要由移動基站和控制中心組成,主要負責向控制中心傳遞實時監測數據。

2.3 優化中繼節點設置

為了解決數據傳輸延時問題,本文針對監測網絡結構中中繼節點設置進行優化,實現網絡延時與數據傳輸穩定之間的平衡[9]。中繼節點的優化不再依靠基礎設施的對稱性,而是考慮多種不對稱影響因素,以傳輸延時為核心,優化設置匯聚節點。對架空輸電線路檢測網絡進行簡化處理,可以得到如圖4所示的監測網絡拓撲。

圖4 監測網絡拓撲圖

桿塔可靠監測網絡拓撲結構中,主要包括多個中繼節點、1個控制中心、1個變電站等。將所有的中繼節點劃分為多個節點組,從每組內選擇1個節點作為匯聚節點。檢測網絡拓撲中數據傳輸主要包括3種方式,分別為節點依次向左傳輸數據、節點依次向右傳輸數據、以匯聚節點為載體進行數據傳輸。

應用RFID通信原理,本文在優化中繼節點設置過程中融入數據共享機制,將傳輸總延時計算公式表示為

(3)

考慮到結構監測數據量每次傳輸量并不一致,使得匯聚節點兩側會具有不同數量的中繼節點,參考式(3)可得出兩側中繼節點數據傳輸延時計算公式:

(4)

式(4)中,Ti1表示左側中繼節點數據傳輸延時,Ti2表示右側中繼節點數據傳輸延時,ei1、ei2表示兩側組內中繼節點數量。在保證監測數據完整傳輸至匯聚節點后,需要選擇最小延時值所對應的中繼節點布置方案作為最終布置方案,此時總延時表達公式變換為

(5)

式(5)中,m表示移動通信的傳輸速率,min表示最小值。結合式(4)可知,中繼節點優化設置過程中,以網絡總延時最小為目標對中繼節點進行合理布置,能夠保證監測平臺具有網絡低延時特點。

2.4 計算桿塔結構可靠性

根據接收的監測數據,本文采用蒙特卡羅法求解獲得桿塔可靠度,并計算桿塔結構實際失效概率,從而反映桿塔結構可靠性[10]。針對多個獨立變量數據,提取數據統一分布規律,可得到以下計算公式:

(6)

式(6)中,lim表示極限函數,n表示實驗次數,∞表示正無窮,α表示變量有限均值,β2表示變量方差,R表示桿塔的特征因子。

根據桿塔故障事件出現次數,可以計算出該事件發生概率,并經過多次實驗分析得到故障事件在桿塔出現的頻數。故障事件出現頻率可表示為

(7)

式(7)中,C表示故障事件,Q表示事件發生概率,?表示事件發生頻數。結合式(6)、式(7)可得出:

(8)

本文采用隨機抽樣方法,針對影響桿塔結構可靠性的事件進行代入分析,統計所有隨機變量的概率分布函數,獲取統計數組,根據數組內大于0的元素數量,得到桿塔可靠性計算公式:

(9)

式(9)中,?′×n′表示隨機變量數組,f表示大于0的元素數量,φ表示桿塔可靠度。

以桿塔可靠度計算結果為基礎,對桿塔結構可靠性進一步分析,得到結構實際失效概率。考慮多方面因素,建立結構功能函數:

N=J(L1,L2,L3,L4)φf

(10)

式(10)中,N表示桿塔結構狀態,J()表示功能函數,L1表示尺寸因素,L2表示載荷因素,L3表示材料因素,L4表示高度因素。通常情況下,功能函數的分界點為0,根據計算結果可以將架空線路的桿塔結構表示為可靠、失效、極限3種狀態,則桿塔結構實際失效概率可以表示為

φ2=1-φ1-φ3

(11)

式(11)中,φ1表示結構可靠狀態,φ2表示結構失效狀態,φ3表示結構極限狀態。根據式(11),得到桿塔結構實際失效概率計算結果,從而反映出桿塔結構的可靠性。

3 平臺應用

3.1 線路概況

為了測試本文所設計的監測平臺的實際應用效果,選取某一10 000 kV輸電線路工程的某一區段為研究對象,該區段包括20座桿塔,應用本文提出的平臺進行結構可靠性分析。針對選定的架空輸電線路進行調查,得到如表1所示的組件相關參數。

表1 架空輸變電線路各個組件相關參數

近期,運檢人員在日常設備巡查過程中,發現某線路桿塔出現細微邊線問題,且桿塔基礎與護面之間也出現了裂縫,表明該桿塔當前可靠性有待研究。根據實地考察結果可知,在出現變形問題的桿塔區段,地表下方10 m左右位置存在深層地質災害作用,經過長期蠕動影響,致使塔腿主材、隔面交叉材均出現了變形情況。實拍結果如圖5所示。

圖5 桿塔結構變形實拍圖

圖5所示的桿塔結構屬于轉角塔,主要建筑材料為Q345鋼、Q235鋼。該桿塔結構符合桿塔結構可靠監測平臺應用要求,根據結構可靠性分析結果,可以明確所提平臺的可行性。

3.2 平臺開發

以本文提出的監測平臺軟硬件設計內容為基礎,選擇Delphi作為主要開發工具進行監測平臺開發。此外,還選用了SQL關系數據庫、Windows NT/2000軟件、MS SQL Server數據庫管理系統等平臺開發技術。其中,選定的數據管理系統可以滿足上百萬數據量的同步保存,將其作為監測平臺開發的數據載體是完全可行的。

依托于多層分布式模式開發桿塔結構可靠監測平臺,本質上來說,就是應用單服務器向多個客戶端提供數據搜索、數據存儲等功能。同時,為了保證平臺的順利運行,本次開發過程中,根據客戶端監測要求和服務器工作能力建立抽象化業務規則,并構建中間層服務器。以Internet技術為核心設計局域網,實現以B/S架構為核心的分布式管理模式。需要注意的是,服務器端業務邏輯的實現,需要在ASP腳本環境中進行。

利用上述開發工具,結合本文研究內容,完成監測平臺的整體設計,并在實驗室中對各個模塊進行初步測試,具體的測試內容包括傾角、風速、拉力與溫度輸出數據是否正確。確保每個單獨模塊運行正常后,再調試監測平臺的整體組成網絡,確定實驗室環境下平臺是否運行正常,并將其應用在選定的架空輸電線路工程中,進行桿塔結構可靠分析。

3.3 監測結果展示

運用開發調試完成的監測系統,得到如圖6所示的桿塔結構可靠監測結果。

圖6 上位機顯示界面

根據圖6可知,本文提出的監測平臺可以將每個桿塔的實際失效概率計算結果以統計圖形式呈現,從而反映出桿塔結構的可靠性,這也表明了所設計監測平臺具有可行性。

3.4 平臺性能分析

桿塔結構可靠監測平臺運行時,其實時性是開發者和應用者所關注的重點。因此,選取網絡時延作為平臺性能評估指標,結合本次平臺應用效果,得到如圖7所示的不同報文長度下網絡時延變化示意圖。

圖7 監測平臺不同報文長度下網絡時延

根據圖7可知,隨著報文長度的增加,監測平臺的網絡時延也隨之增長,從最初的25 ms增長為640 ms,但是這一網絡時延增長過程是循序漸進的,且在報文長度達到1300 Byte后,網絡時延增長趨勢逐漸趨于平緩。通過計算可知,監測平臺的平均網絡時延約為285 ms,滿足桿塔結構可靠監測的基準要求。

4 總結

為了保證架空輸電線路的穩定運行,針對桿塔結構可靠監測問題,本文提出一種新的監測平臺設計方法。針對桿塔結構監測網絡內包含的中繼節點,提出優化后的節點布置方法,保證了數據傳輸穩定的同時,滿足了低延時要求與實時性要求。