地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)的超高壓輸電線路桿塔基礎(chǔ)失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)研究

曾璐陽，高 琛，江 博，程俊翔，姚 俊，徐海章（國網(wǎng)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(wǎng)結(jié)構(gòu)起著輸送電能的作用，所處環(huán)境一般極為惡劣[1-2]。伴隨著人為破壞、自然災(zāi)害的發(fā)生，架空輸電桿塔的安全性往往無法保障，經(jīng)常發(fā)生倒塔、斷線等故障，給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大的挑戰(zhàn)[3]。

近年來，針對(duì)頻繁的桿塔倒塌事故，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)如何有效預(yù)防桿塔失穩(wěn)進(jìn)行了研究。目前，應(yīng)用比較廣泛的是經(jīng)緯儀測量法[4-6]，但該方法對(duì)于桿塔所處環(huán)境要求較為苛刻，需要桿塔所處位置平坦。但是，在山區(qū)特別是在地勢險(xiǎn)峻的跨山地區(qū)，很難通過人工經(jīng)緯儀測量，給對(duì)桿塔失穩(wěn)的不確定性帶來了很大影響。本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)的超高壓輸電線路桿塔基礎(chǔ)失穩(wěn)模擬監(jiān)測系統(tǒng)，利用多個(gè)壓力傳感器和傾角傳感器采集數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)處理數(shù)據(jù)，再通過無線通信方式傳輸給運(yùn)維工作人員和后臺(tái)服務(wù)中心，及時(shí)、有效提醒工作人員桿塔的運(yùn)行狀況。通過模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效、可行且精度高，實(shí)現(xiàn)了超高壓輸電線路桿塔傾斜狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成，通過現(xiàn)場的傳感器檢測終端檢測信號(hào)，利用無線通信模塊進(jìn)行通信傳輸，再經(jīng)過控制模塊進(jìn)行綜合分析，最后將控制信號(hào)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(hào)，整個(gè)系統(tǒng)采用多傳感器同時(shí)檢測。4個(gè)壓力傳感器分別位于基腳的4個(gè)腳下，4個(gè)傾角傳感器分別位于塔頂、塔腰和塔基上。通過4個(gè)不同位置的傳感器檢測的數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而得出真實(shí)的輸電桿塔傾斜數(shù)據(jù)，給工作人員一種直觀的桿塔傾斜判斷，達(dá)到及時(shí)預(yù)警的目的。

1.2 壓力檢測子系統(tǒng)

本文中，壓力傳感器主要安裝在塔基的4個(gè)基腳下，用來檢測塔基對(duì)地面的壓力。本文采用可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)且內(nèi)含INA128儀表放大器的壓力傳感器檢測信號(hào)，具體檢測原理如圖2所示。

1.3 傾角檢測子系統(tǒng)

傾角檢測對(duì)于輸電桿塔失穩(wěn)非常重要。傳感器的選擇對(duì)系統(tǒng)的可靠性尤為重要，因?yàn)闂U塔所處環(huán)境的情況決定了傳感器的可靠性。在經(jīng)過多次咨詢和現(xiàn)場試驗(yàn)后，本文選擇了精度高、性能強(qiáng)的SCA100T傾角傳感器。

2 超高壓輸電桿塔失穩(wěn)數(shù)據(jù)融合

輸電桿塔是通過多傳感器數(shù)據(jù)融合獲得桿塔穩(wěn)定性判斷。多數(shù)據(jù)融合方法步驟如下：

（1）采用離散小波變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。信號(hào)x(t)的連續(xù)小波變換定義為：

其中：

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

在離散小波變換中，常用的離散方法是將j按冪級(jí)數(shù)離散，n在尺寸內(nèi)均勻離散，信號(hào)x(t)的離散小波變換為：

（2）利用小波包能量譜方法對(duì)壓力信號(hào)和傾角信號(hào)進(jìn)行分解處理，提取特征向量

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

（3）利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)輸電線路桿塔進(jìn)行初步穩(wěn)定性診斷。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(quán)值，ci和σi是基函數(shù)的數(shù)據(jù)中心和寬度，n為中心數(shù)目，φ(·)為徑向基函數(shù)，ω0表示偏差。

（4）利用貝葉斯推理實(shí)現(xiàn)對(duì)初步診斷結(jié)果融合，得出最終融合診斷結(jié)果：

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

3 輸電桿塔失穩(wěn)軟件設(shè)計(jì)

為了確保檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)盡量減少人為因素影響，通過C語言編程自動(dòng)設(shè)置閾值，通過檢測值與設(shè)定閾值自動(dòng)對(duì)比實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。本文設(shè)計(jì)的軟件流程如圖3所示。

圖3 桿塔基礎(chǔ)失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)的軟件流程圖

4 超高壓輸電線路桿塔失穩(wěn)調(diào)試分析

將研究的超高壓輸電線路桿塔基礎(chǔ)失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)投入實(shí)際工作現(xiàn)場應(yīng)用。研究的輸電線路桿塔基礎(chǔ)失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)響應(yīng)國網(wǎng)公司項(xiàng)目要求制作而成，主要是對(duì)超高壓輸電線路桿塔的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，通過對(duì)超高壓輸電線路桿失穩(wěn)檢測判定桿塔的穩(wěn)定性。

圖4 現(xiàn)場安裝調(diào)試圖

本文研制的超高壓輸電線路桿塔失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果，通過研制前后的實(shí)際對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其可降低工作人員的工作強(qiáng)度，提高巡檢質(zhì)量。

5 結(jié) 論

本文論證了采用多傳感器信息與數(shù)據(jù)融合相結(jié)合的方法檢測超高壓輸電線路桿塔基礎(chǔ)失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)的可行性與有效性。分析認(rèn)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(duì)桿塔穩(wěn)定性進(jìn)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(tài)，將兩者結(jié)合可對(duì)桿塔的安全情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警，能解決常規(guī)檢查很難及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)桿塔傾斜故障的技術(shù)難題。在模擬基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)監(jiān)測方案設(shè)計(jì)，未來可在超高壓輸電線路正式投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)超高壓輸電線路桿塔的全方面檢測。

表1 實(shí)際應(yīng)用效果對(duì)比