輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)的輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括有通過(guò)RS485總線連接的現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)終端及3G單元，3G單元依次與輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝置、監(jiān)控中心連接。本實(shí)用新型的輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸電線路鐵塔承受應(yīng)力大小的在線監(jiān)測(cè)。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于輸電線路應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種輸電線路鐵 塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

【背景技術(shù)】
[0002] 輸電線路鐵塔由于長(zhǎng)期承受覆冰載荷、風(fēng)載荷、塔基松動(dòng)這些外界環(huán)境載荷的作 用，這對(duì)輸電線路的安全、可靠運(yùn)行有很大的影響，尤其是在輸電鐵塔兩側(cè)的導(dǎo)線、地線覆 冰量不同的情況下，會(huì)導(dǎo)致輸電線路鐵塔承受不平衡張力而發(fā)生傾斜，當(dāng)問(wèn)題嚴(yán)重時(shí)就會(huì) 造成倒塔斷線，不但會(huì)給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)嚴(yán)重影響到人們的日常生活。
[0003] 隨著電力系統(tǒng)的不斷升級(jí)與發(fā)展，輸電線路倒塔及斷線事故的頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影 響了電網(wǎng)的安全運(yùn)行，大范圍的輸電線路受到了破壞。為了保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，就要對(duì) 輸電線路鐵塔應(yīng)力的分布情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，得到輸電線路鐵塔各個(gè)桿件受應(yīng)力最大的部 位，最終將輸電線路鐵塔受應(yīng)力情況及時(shí)反饋給運(yùn)維人員。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型的目的在于提供了一種輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)旊?線路鐵塔所受應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0005] 本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是，輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括有通過(guò) RS485總線連接的現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)終端及3G單元，3G單元依次與輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝 置、監(jiān)控中心連接。
[0006] 本實(shí)用新型的特點(diǎn)還在于，
[0007] 現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)終端，包括有微處理器，微處理器通過(guò)并行口連接有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元， 微處理器通過(guò)串行口與A/D轉(zhuǎn)換器連接，微處理器通過(guò)導(dǎo)線與供電電源連接；A/D轉(zhuǎn)換器分 別通過(guò)485通信線連接有光纖應(yīng)力傳感器模塊、溫濕度傳感器及風(fēng)向風(fēng)速傳感器；微處理 器通過(guò)串口與3G單元連接。
[0008] 3G單元采用的是TD-SCDMA。
[0009] 光纖應(yīng)力傳感器模塊由多個(gè)光纖應(yīng)力傳感器組成。
[0010] 光纖應(yīng)力傳感器采用的是集成無(wú)線光纖應(yīng)力傳感器。
[0011] 供電電源采用的是82AB2951電源。
[0012] 溫濕度傳感器采用的是SHT11溫濕度傳感器或SHT71溫濕度傳感器。
[0013] 風(fēng)向風(fēng)速傳感器采用的是超聲波式風(fēng)向風(fēng)速傳感器。
[0014] 微處理器采用的是MSP430單片機(jī)。
[0015] 本實(shí)用新型的有益效果在于：
[0016] L本實(shí)用新型輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用光纖應(yīng)力傳感器，光纖應(yīng)力 傳感器能夠監(jiān)測(cè)輸電線路鐵塔受到應(yīng)力時(shí)彈性基體上的應(yīng)變，且具有靈敏度高和精度較高 的特點(diǎn)；
[0017] 2.本實(shí)用新型輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)終端得到的數(shù)據(jù) 通過(guò)3G單元發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心，由監(jiān)測(cè)中心內(nèi)的專家軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，若鐵塔應(yīng)力 分析超出材料的屈服強(qiáng)度，本實(shí)用新型輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)專家軟件界 面顯示、聲音報(bào)警、GSM網(wǎng)絡(luò)手機(jī)短信報(bào)警燈方式及時(shí)通知工作人員，以便于工作人員采取 相應(yīng)措施。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是本實(shí)用新型輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2是采用本實(shí)用新型輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的覆冰厚度與應(yīng)力 關(guān)系曲線圖。
[0020] 圖中，1.光纖應(yīng)力傳感器，2.輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝置，3.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，4. 3G 單元，5.監(jiān)控中心，6.現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)終端，7.溫濕度傳感器，8.風(fēng)向風(fēng)速傳感器，9.微處理 器，10.供電電源，11. A/D轉(zhuǎn)換器，12.光纖應(yīng)力傳感器模塊。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0022] 本實(shí)用新型輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括有通過(guò) RS485總線連接的現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)終端6 (現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)終端又簡(jiǎn)稱CMD)及3G單元4, 3G單 元4依次與輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝置2 (又簡(jiǎn)稱CMA)、監(jiān)控中心5 (監(jiān)控中心又簡(jiǎn)稱CAG) 連接。
[0023] 現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)終端6,如圖1所示，包括有微處理器9 (微處理器又簡(jiǎn)稱MCU)，微處 理器9通過(guò)并行口連接有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元3,微處理器9通過(guò)串行口與A/D轉(zhuǎn)換器11連接， 微處理器9通過(guò)導(dǎo)線與供電電源10連接，A/D轉(zhuǎn)換器11分別通過(guò)485通信線連接有光纖 應(yīng)力傳感器模塊12、溫濕度傳感器7及風(fēng)向風(fēng)速傳感器8 ;微處理器9通過(guò)串口與3G單元 4連接。
[0024] 光纖應(yīng)力傳感器模塊12由多個(gè)光纖應(yīng)力傳感器1組成；光纖應(yīng)力傳感器1設(shè)置有 三個(gè)；光纖應(yīng)力傳感器1采用的是集成無(wú)線光纖應(yīng)力傳感器。
[0025] 3G單元4采用的是TD-SCDMA。
[0026] 供電電源10采用的是82AB2951電源。
[0027] 溫濕度傳感器7采用是SHT11/SHT71的溫濕度傳感器。
[0028] 風(fēng)向風(fēng)速傳感器8采用的是超聲波式風(fēng)向風(fēng)速傳感器。
[0029] 微處理器9采用的是MSP430單片機(jī)。
[0030] 在使用的過(guò)程中，光纖應(yīng)力傳感器模塊12、溫濕度傳感器14及風(fēng)向風(fēng)速傳感器15 均設(shè)置在輸電線路鐵塔上承受覆冰載荷、風(fēng)載荷這些外界環(huán)境影響頻率較高的塔頭桿件部 位（塔頭）上即可。
[0031] 本實(shí)用新型輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各部件的作用：
[0032] 光纖應(yīng)力傳感器1、溫濕度傳感器14及風(fēng)向風(fēng)速傳感器15均安裝在輸電線路鐵 塔的塔頭桿件部位上，用于監(jiān)測(cè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，包括有桿件承受的應(yīng)力值、溫濕度值以及風(fēng)速 值。
[0033] 光纖應(yīng)力傳感器模塊12內(nèi)的多個(gè)光纖應(yīng)力傳感器1將監(jiān)測(cè)得到桿件承受的應(yīng)力 值轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力模擬信號(hào)，應(yīng)力模擬信號(hào)通過(guò)485通信線傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器11。
[0034] A/D轉(zhuǎn)換模塊11將接收到的應(yīng)力模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力數(shù)字信號(hào)。
[0035] 微處理器9是本實(shí)用新型輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的核心部件，用于實(shí) 時(shí)處理大量的數(shù)據(jù)；
[0036] 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元3能夠?qū)崿F(xiàn)大容量閃存512K，用于存儲(chǔ)輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)及監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息；
[0037] 3G單元模塊4用于發(fā)送輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息 以及接收來(lái)自監(jiān)控中心5命令，3G單元模塊4內(nèi)采取的采集單元數(shù)據(jù)報(bào)文格式具體見(jiàn)表1 所示：
[0038] 表1采集單元數(shù)據(jù)報(bào)文格式
[0039] .............................名稱〕.......................類·^ _______________ ____________ 長(zhǎng)度 ^ ______ ______________取儘范園""mum I............................................................................................生 II〕......................................................................................1, .1.--?v' char·" 2- 0xC6,0xFS<.+ | * |. 狼文長(zhǎng)度《: char*· :廣 ΟχΖΑ,ΟχΟΟ^- [ 4； |· 單元 dm*..' I?.. 0x00-OsFF^ j : J? _類型>.+ char"^ i>- h 0x0采簾攀元一IS綱分機(jī)>+ 1 ....................................::..................................ι:-......................0;】.0:.........................................................................................................................~1. HHlS- char' 6, ^ 1置時(shí)H <依次為：年、月、B、時(shí)、分、秒）| 14年3月;:曰3時(shí)4分5秒表示為 _ OxOe > 0x03 ^ 0x0： . 0x03 > 0x04 ^ 0s05>> 應(yīng)力 float·* 4? *' 攀位Μ# · 校獫tt--+__chary -OsOO-teFIv-[................................................................................................[
[0040] 供電電源10用于為微處理器9的供電；
[0041] 監(jiān)控中心5用于對(duì)監(jiān)測(cè)得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，以便傳遞到工程管理系統(tǒng) 并通知工作人員及時(shí)采取一定的措施。
[0042] 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝置2,用于局部范圍內(nèi)管理和協(xié)同各類輸電線路上的現(xiàn) 場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)終端6,匯集接入各類現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)終端6的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并與監(jiān)控中心5進(jìn)行安 全雙向數(shù)據(jù)通信；此外，可以將監(jiān)控中心5連接到工程管理系統(tǒng)（又簡(jiǎn)稱PMS)上，此時(shí)接 收的數(shù)據(jù)傳遞至工程管理系統(tǒng)中進(jìn)一步處理，工程管理系統(tǒng)的基本觀念是運(yùn)用有關(guān)優(yōu)化分 析方法，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體功能提高。
[0043] 本實(shí)用新型輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：
[0044] 光纖應(yīng)力傳感器模塊12、溫濕度傳感器14及風(fēng)向風(fēng)速傳感器15分別將監(jiān)測(cè)得到 的桿件承受的應(yīng)力值、溫濕度值及風(fēng)速值分別經(jīng)485通信線傳遞給A/D轉(zhuǎn)換器11 ;由A/D 轉(zhuǎn)換11將得到的桿件承受的應(yīng)力模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為桿件承受的應(yīng)力數(shù)字信號(hào)發(fā)送到微處理 器9 ;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元3將微處理器9接收到的桿件承受的應(yīng)力數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，在此期間 通過(guò)供電電源10給微處理器9供電，經(jīng)微處理器9處理后的桿件承受的應(yīng)力模擬信號(hào)通過(guò) 3G單元4發(fā)送至輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝置2,由輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝置2輸送至監(jiān) 測(cè)中心5,監(jiān)測(cè)中心5通知工作人員及時(shí)采取相應(yīng)措施。
[0045] 光纖應(yīng)力傳感器1的監(jiān)測(cè)機(jī)理及輸電線路鐵塔載荷的計(jì)算方法如下：
[0046] 當(dāng)輸電線路鐵塔承受動(dòng)態(tài)荷載時(shí)，輸電線路鐵塔上構(gòu)件所承受彎矩引起的光纖應(yīng) 力傳感器1的彈性體上、下表面應(yīng)變偏移量大小相等且方向相反，采用對(duì)光纖應(yīng)力傳感器1 的彈性基體上的2個(gè)應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果求均值的方法，可有效地減小偏載造成的測(cè)量誤差， 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系如下式所示：
[0047] σ = Ε( ε f ε 2)/2 (1)；
[0048] 式（1)中，〇為彈性基體的應(yīng)力，單位為MPa ;Ε為彈性模量，單位為N/mm2 ; ε ρ ε 2 為彈性基體的應(yīng)變，單位為mm/m ;
[0049] 輸電線路鐵塔一直在承受輸電導(dǎo)線覆冰重量及風(fēng)荷載的作用，其單位長(zhǎng)度覆冰重 量Qb及鐵塔結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載W分別按照以下算法實(shí)施；
[0050] Qb = 27. 73b (b+d) X ΚΓ3 (2)；
[0051] ff = β ζμ 3μ zw〇F (3)；
[0052] 式⑵中，b-輸電導(dǎo)線覆冰厚度，單位：mm ;d_輸電導(dǎo)線外徑，單位：mm ;
[0053] 式⑶中，W(l-基本風(fēng)壓，單位：kN/m2 ;βζ_風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)；μ3-鐵塔結(jié)構(gòu)風(fēng)載體型 系數(shù)；μ ζ_風(fēng)壓高度變化系數(shù)；F-鐵塔結(jié)構(gòu)垂直于風(fēng)向的投影面積，單位：m2 ;
[0054] 其中，應(yīng)力〇、覆冰厚度b是由本實(shí)用新型的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，其他的數(shù) 據(jù)通過(guò)查表和計(jì)算可以得出。
[0055] 光纖應(yīng)力傳感器1測(cè)應(yīng)力原理在于：利用紫外曝光技術(shù)在光纖芯中引起折射率的 周期性變化而形成的，光纖應(yīng)力傳感器1的安裝位置取決于輸電線路鐵塔上各個(gè)桿件所承 受的應(yīng)力分布情況。
[0056] 為了驗(yàn)證本實(shí)用新型輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中光纖應(yīng)力傳感器1的測(cè) 量性能，通過(guò)ANSYS仿真軟件建立了輸電線路鐵塔有限元模型，且選取在風(fēng)速為25m/s、環(huán) 境溫度-15°C條件下輸電導(dǎo)線覆冰厚度的范圍是10mm?60mm ;然后對(duì)輸電線路鐵塔模型 進(jìn)行非線性靜力學(xué)分析，ANSYS仿真分析與光纖應(yīng)力傳感器1在線監(jiān)測(cè)的輸電線路鐵塔桿 件（就是組成鐵塔的最小單元）中不同覆冰條件下對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力與覆冰厚度的關(guān)系，如 圖2所示，光纖應(yīng)力傳感器1中反射光的波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變非常敏感，當(dāng)光纖應(yīng)力傳 感器1的彈性體受到壓力時(shí)，光纖與彈性體一起發(fā)生應(yīng)變，導(dǎo)致光纖反射光的峰值波長(zhǎng)漂 移，通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)漂移量的度量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的感測(cè)；利用ANSYS仿真軟件分析 的輸電線路鐵塔應(yīng)力與覆冰厚度的關(guān)系，見(jiàn)表2 :
[0057] 表2輸電線路鐵塔應(yīng)力與覆冰厚度的關(guān)系
[0058] ~覆冰厚度/mm 鐵塔應(yīng)力/MPa 覆冰厚度/mm 鐵塔應(yīng)力/MPa~ ?0 38.02 40 96.40 20 44.90 50 128.22 _30_67.32_60_172.60_
[0059] 通過(guò)ANSYS仿真軟件分析出輸電線路鐵塔的應(yīng)力大小，如表2所示，由此可以分析 出：隨著輸電導(dǎo)線上覆冰厚度的不斷增加，輸電線路鐵塔承受的應(yīng)力也不斷的增大；若輸 電導(dǎo)線上覆冰厚度繼續(xù)增加，就有可能引起輸電線路鐵塔承受的應(yīng)力超出其許用應(yīng)力，使 得輸電線路鐵塔發(fā)生倒塌現(xiàn)象。
[0060] 本實(shí)用新型輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于輸電線路鐵塔各個(gè)桿件應(yīng)力分 布情況的在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，使得輸電線路中的鐵塔承受的應(yīng)力始終保持在安全、穩(wěn)定 運(yùn)行的狀態(tài)范圍內(nèi)，給社會(huì)減少了一定的經(jīng)濟(jì)損失。
【權(quán)利要求】
1. 輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括有通過(guò)RS485總線連接的現(xiàn)場(chǎng) 智能監(jiān)測(cè)終端（6)及3G單元（4)，所述3G單元（4)依次與輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝置（2)、 監(jiān)控中心（5)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述現(xiàn)場(chǎng)智 能監(jiān)測(cè)終端（6)，包括有微處理器（9)，所述微處理器（9)通過(guò)并行口連接有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 (3)，所述微處理器（9)通過(guò)串行口與A/D轉(zhuǎn)換器（11)連接，所述微處理器（9)通過(guò)導(dǎo)線與 供電電源（10)連接； 所述A/D轉(zhuǎn)換器（11)分別通過(guò)485通信線連接有光纖應(yīng)力傳感器模塊（12)、溫濕度傳 感器⑵及風(fēng)向風(fēng)速傳感器（8); 所述微處理器（9)通過(guò)串口與所述3G單元（4)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述3G 單元（4)采用的是TD-SCDMA。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖應(yīng) 力傳感器模塊（12)由多個(gè)光纖應(yīng)力傳感器（1)組成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖應(yīng) 力傳感器（1)采用的是集成無(wú)線光纖應(yīng)力傳感器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述供電電 源（10)采用的是82AB2951電源。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述溫濕度 傳感器（7)采用的是SHT11溫濕度傳感器或SHT71溫濕度傳感器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)向風(fēng) 速傳感器（8)采用的是超聲波式風(fēng)向風(fēng)速傳感器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸電線路鐵塔應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述微處理 器（9)采用的是MSP430單片機(jī)。
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK203908712SQ201420272210
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】黃新波, 劉磊, 宋栓軍, 張斌, 趙隆 申請(qǐng)人:西安工程大學(xué)