基于杆塔倾斜和振动状态监测的灾害预警系统

杨斌，王磊，张紫丹，王尔玺，肖思昌，石川，丰金浩

（1.国网武汉供电公司，武汉 430000，2.武汉大学电气与自动化学院，武汉 430072）

0 前言

经济的快速发展导致电力能源的消耗逐渐增大，使电力能源的传输与调配安全性变得尤为重要。在电力网络系统中，输电杆塔是其非常关键的组成部分，之间通过大量的输电线路相互连接，从而保证整个电力网络系统的正常稳定运转。然而，几乎所有的输电杆塔都分布在野外恶劣环境中，往往易产生各类安全事故。近年来，在台风、暴雨、暴雪、冰雹、大风、沙尘、龙卷风等自然灾害或者违规施工、挖沙、偷盗塔材等不法行为造成的影响下，使输电杆塔大面积塌方和倾斜[1-2]。因此需要对输电线路杆塔的运行状态进行全天候监控，来保障电网的安全可靠运行。

图1 泛在电力物联网概念图

泛在电力物联网、透明电网概念的相继提出，“智能化”、“泛在化”成为电力系统的研究重点之一[3]。其作用在于通过大数据汇集各种资源为城市规划建设、生产运行、运营管理、综合服务、新业务新模式发展提供充分有效的数据支持。

为了实现未来电网需求下智能化、数据化的目标，在输电线路领域有效检测杆塔、输电线路运行状态，改善高成本、低效率的人工检测现状，开展智能化杆塔、线路检测技术具有重要意义。

目前输电杆塔在线监测装置还存在较大的问题。第一，设备可靠性相对较差[4]；第二，设备实用性有待提高。在实际运行中，由于计算模型不同，得到的结果也存在不同程度的偏差，严重的情况下会导致系统误报；第三，设备集成度不高，往往一整套监测装置体积较大，给施工安装和日常运维造成一定的困难。

针对以上问题，本文基于传感器选型、布点原则、数据通信三方面内容进行了输电杆塔状态监测的灾害预警系统设计，从而实现本系统对输电杆塔振动，倾斜状况全天候24 小时不间断的精确监测。

1 系统概述

图2 输电线路微气象灾害预警系统拓扑设计

本系统在传感器技术方面，选用高性能传感器对输电杆塔的倾斜，振动状态进行数据采集，并作为输电杆塔状态预警的依据，实现泛在电力物联在线监测的智能感知功能。通过物联网技术将感知设备与通信设备对接实现智能物联化，依托广泛的移动通信网络实现广域物联，使用数据采集主机通过移动4G 网络以SOCKET 透传通信、TCP 协议向部署的服务器主动上发由倾角传感器和振动传感器测量到的数据，在远程监控端利用JavaScript 搭建出输电线路预防系统平台，把输电杆塔倾斜，振动数据通过曲线形式进行不间断显示、存储，方便技术人员对输电杆塔运行状况进行分析研究。

基于上述技术路线方案，制定出图2 所示的输电线路微气象灾害预警系统设计架构。倾角传感器与振动传感器实现倾斜和振动物理量的智能感知，数据采集主机采集传感器信号，并通过移动通信网络实现远程监控。

2 系统设计

本文设计的输电线路杆塔监测系统通过数据采集主机解析，把倾角、振动传感器所测的实时数据上传服务器后台。通过基于JavaScript搭建出输电线路微气象预防系统平台，将实时数据以曲线形式进行展示。

2.1 设备选型

搭建输电线路杆塔监测系统的主要硬件设备包括倾角传感器、振动传感器、数据采集系统、太阳能板。

2.1.1 倾角传感器

输电杆塔的倾斜状态监测是通过倾斜传感器来实现的。倾斜传感器是基于“摆”的工作方式原理来组合完成的。当倾斜传感器表面壳体与地球重心方向产生倾角时，在重力作用的影响下，摆锤M 会试图保持在铅垂方向，因此会相对于壳体摆动产生一个角度[5]。如果利用某种传播元件将这个角度量，或者将与“摆”相连（或者是“摆”的一部分）的敏感元件的应变量，转换成电量输出，则实现了倾斜角的电测量。

图3 倾角传感器原理

如图3 所示，正常情况下倾角传感器X 轴，Y 轴，Z 轴的偏离角度为零。当受到外界干扰因素作用时，倾角传感器的X 轴，Y 轴和Z 轴就会产生偏离角度。正是通过后台观测传回来的倾角数据，来判断输电杆塔的实际倾斜状况。

2.1.2 振动传感器

本文选用的振动传感器为压电加速度计。它的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受到振动的时候，质量体对压电元件产生的力也会因此发生改变。当压电加速度计的固有频率大于被测量物体的振动频率时，此时产生的力的变化也就与被测量物体的加速度成正比[6]。如图4 所示，当振动传感器任意轴受力时，都将产生一个此方向的加速度。正是通过后方观测这些由振动受力产生的加速度的数值，可以判断输电杆塔的实际振动状况。

图4 振动传感器轴向图

2.1.3 数据采集系统

本文选用低功耗、稳定性高的数据采集器构建数据采集系统，内置工业级无线传输引擎和嵌入式处理器。数据采集系统可通过移动4G/5G 网络以SOCKET 透传通信、TCP 协议向部署的服务器主动上发采集到的数据。具有宽供电范围、宽耐温耐压范围、抗电磁干扰、低功耗的特点，可提供8 路模拟量，4 路开关量信号采集，4 路继电器输出，状态触发报警的功能。

2.1.4 太阳能板

由于每套监测系统硬件的总功消耗为155 mA@DC12 V，逆变器的转换效率为90%，每日有效日照时间为5 小时，为了实现监控系统24 小时不间断工作，本文选用的为100 W 的太阳能板，同时考虑到设备的实用性与经济性，在特殊地形和极端条件下对杆塔运行状态进行实时监测，采用太阳能电池板+ 锂电池蓄电的光储供电方式。太阳能板与锂电池共同接入光储控制器，光储控制器对锂电池的充放电进行控制。光储控制器的输出端经过DC-DC 稳压模块输出稳定的DC12 V 电压，最终通过多通道端子排对硬件设备进行供电。

2.2 总体设计

在选定的传感器与采集主板的基础上，对监测系统的采集架构和输电线路上的传感器布点进行具体设计。如图5 所示，每个杆塔上安装倾角传感器、振动传感器各四个。由于每个采集主板支持最大八路模拟量采集，且考虑后续扩建及冗余备用设计。故每个杆塔配置采集主板四套。其对应的采集架构及接线如图5 所示，#1 与#2 采集主板采集相同，采集一套两路倾角信号、两套六路振动信号。#3 采集主板采集两套思路倾角信号，其余为空置。#4 作为备用硬件全部空置。其中，X 轴方向为顺延线路方向，Y 轴为垂直于线路方向，Z 轴为垂直于地面方向。

图5 监测系统采集架构

图6 输电线路微气象预防系统布点方式

由于杆塔最容易受力倾斜和振动的地方是塔顶和距离地面2/3 处的塔腰，在杆塔易受力倾斜的位置安装倾角传感器，在易振动的杆塔塔臂处安装振动传感器，从不同位置、不同方向的倾斜角度来反映杆塔的倾斜状态[7]。通过倾斜，振动传感器对输电杆塔的状态进行检测并及时发出警报，实现了对输电杆塔倾斜及振动的实时在线监测、预警、防护，有效的减少了杆塔倾倒事故的发生的可能。传感器杆塔布点如图6 所示。绿点代表着四个倾角传感器在实际杆塔所固定的位置，蓝点代表着四个振动传感器在实际杆塔所固定的位置。8 个传感器由太阳能电池板+ 锂电池蓄电方式进行供电，数据通过无线4G/5G 传输，不影响高压线路的正常输配电。为尽可能精准的反应杆塔运行状态，传感器安装位置尽可能处于杆塔塔臂处，且成对称式分布。

3 软件系统

本文第二部分介绍了硬件系统的配置，而将感知设备与通信设备对接的功能则需要软件系统来完成。

图7 软件监测终端的主程序流程图

如图7 所示，软件监控终端主要负责对输电杆塔倾斜，振动状态的信息采集和上报。设备初始化后，给定入网信号，开始采集输电杆塔倾斜，振动数据信息。同时，通过调试完毕后的数据采集主机，将测量数据传输到后台监控中心，利用JavaScript 建立的输电线路预防平台实现对测量数据的高效管理和分析。

如图8 所示，对数据采集主机进行通信调试，通过移动4G 网络以SOCKET 透传通信、TCP协议向部署的服务器主动上发由倾角传感器和振动传感器测量到的数据，实现对输电杆塔运行状态的全天候不间断监控。

1）数据采集主机配置调试

由图8(a) 可知，将串口设置调整为计算机自动识别的串口号，本文串口设置为COM4，波特率设置为9600，数据设置为8，停止位设置为N，校验位设置为1，采集主板采用TCP Client 网络通信协议。

每次数据报文中，包含有以FF0*开头的采集主板识别码，以实现与具体安装、监测点的功能对应[8]。在采集主板识别码后是固定的64 03 30 报文前缀，其后则是采集到的数据。在后台监控端的设计中，需要进行解码设计。

图8 数据采集主机通信调试

2）SOCKET 通信调试

由图8(b) 可知，SOCKET 就是对TCP/IP协议的封装，它可以让整个系统更便捷地使用TCP/IP 协议栈[9-10]。但SOCKET 本身并不是协议，它只是一组调用接口。所以SOCKET 通信调试就是使数据采集主机系统快速应用TCP/IP协议栈，从而进行数据在网络中的传输。

3）服务器端解析到数据

由图8(c) 可知，上方界面为服务器从各个传感器上解析到的数据，将这些数据传输到所搭建的分析平台上，就可实现直观的观测各个时刻杆塔运行状态的功能。

4 实验测试结果与分析

图9 系统机箱设计安装图

如图9 所示，分别将四个采集主机和2 个锂电池放进主机外箱里，通过锂电池和外接的太阳能板对其进行不间断供电。最后通过负载、电池、太阳能的顺序进行供电接线。

接线完毕后，封装外箱，与太阳能板一起通过三角支架固定在输电杆塔离地面20 米左右的位置，同时四个倾角传感器和四个振动传感器固定到杆塔的塔臂上，基于JavaScript 搭建出输电线路预防系统平台，将倾角和振动传感器测量的实时数据通过曲线形式在平台上进行显示。

5 结束语

本文结合传感器技术、物联网技术、移动通讯技术、数据处理技术等其他电子技术对输电杆塔进行有效实时的监测。本文设计的系统在传感器选型、电源系统配置等方面做了特别优化。在振动检测中，系统选用压电加速计传感器，当任意轴受到振动或者受力时，都将产生一个此方向的加速度；输电杆塔的倾斜可由倾斜角传感器监测，将倾角量转换成电量输出，则实现了倾斜角的电测量。数据采集系统中项目选用低功耗、稳定性高的数据采集器构建数据采集系统。数据采集系统再通过移动4G 网络以SOCKET 透传通信、TCP 协议向部署的服务器主动上发由倾角传感器和振动传感器测量到的数据,在检测软件上可实时显示杆塔状态。经过实地检测，系统运行稳定且精度高。