架空输电线路杆塔结构可靠监测平台设计

马晓锋, 米雪峰, 高鹏, 任秉珍, 唐明生

(国网甘肃省电力公司陇南供电公司, 甘肃, 陇南 746000)

0 引言

杆塔作为架空输电线路的重要组成结构,其内部结构的可靠性,直接影响了输电线路的运行稳定性。在经济不断发展的设计背景下,可用的土地面积大幅度减少,为了解决电力线路铺设面积不足的问题[1],架空输电线路建设模式被不断推广,尤其对于人口较多的区域[2],可以最大限度地节约土地面积。当前,杆塔结构的研究已成为重点研究问题,其结构的可靠性监测也受到了设计人员的关注。

文献[3]参考铺管船结构监测架构设计了一种广泛适用的结构动态监测系统,实现对目标结构可靠性的实时监测,但该系统实时性较差。文献[4]提出的检测系统根据监测传感器数据的时间标签建立了平稳时间序列,对监测数据进行排序,再运用InfluxDB引擎实现数据保存,但该系统的数据存储能力较差。文献[5]所开发的监测平台主要针对区域环境、结构振动以及应变数据进行检测,采用双重有限元模型和数字孪生技术,对监测数据进行修正,根据修正后的数据得出结构可靠监测结果。但该系统监测难度较大。

针对以上问题,本文以架空输电线路杆塔为研究对象,针对杆塔结构监测网络中的中继节点设置进行优化,实现平台网络时延的降低。

1 架空输电线路杆塔结构可靠监测平台硬件设计

1.1 杆塔监测器

结构可靠监测需要以数据为基础,本文综合多种传感器[6]设计一个杆塔监测器,作为前端数据采集的基础硬件。具体结构如图1所示。

图1 杆塔监测器硬件结构图

在杆塔监测器硬件结构中,选择负温度系数热敏电阻作为温度传感器,其他3种传感器分别选择双轴倾角传感器SCA100T、S型拉压传感器以及RY-FS01型风速传感器。通过上述传感器完成数据采集后,还需要运用单片机对采集信息进行转换处理。

1.2 电源模块

为了保证杆塔监测节点和检测主机的稳定运行,设计了如图2所示的电源模块。

图2 电源模块结构图

根据图2可知,以太阳能能源为基础,通过充电板采集太阳能资源,并将其以电能的形式保存在锂电池内,再通过无线单片机、步进电机等结构完成供电操作。

2 架空输电线路杆塔结构可靠监测平台软件设计

2.1 建立输电塔-线体系有限元模型

考虑到杆塔结构较为复杂,本文以有限元模型为基础,建立架空输电线路塔-线体系,将其作为后续设计的基础。通过塔基沉降力学模拟,针对杆塔结构建立有限元力学模型[7],进一步明确应力分布情况。采用自定义单元截面形状、非线性刚性单元,来模拟角钢截面和导线,刚性连接杆单元表示杆塔绝缘子串,形成1∶1的三维输电塔-线模型。

由于杆塔正常工作时,架空输电线路会受到重力影响出现悬链线状态,因此在输电塔-线体系有限元模型建立过程中,为了便于计算,本文采用一根导线代替6分裂导线,则等效直径计算公式为

(1)

式(1)中,d表示等效直径,a表示导线直径,D表示分裂直径,E表示分裂总数。其中,架空输电线路中导线的悬裂线可以表示为

(2)

式(2)中,y表示悬裂线,x表示原始导线,θ表示导线最低点的应力,h表示悬挂点之间的垂直距离,λ表示导线受重力与截面比,s表示悬挂点之间的水平距离,sin表示正弦函数。根据上述公式计算结果,完成输电塔-线体系有限元模型的整体构建,将其作为后续杆塔结构监测网络设计的基础。

2.2 搭建杆塔结构监测网络

杆塔结构可靠监测结果的生成,需要依托于各种传感器采集的全方位数据。虽然杆塔设计结构并不统一,但杆塔组成存在很多共性[8],通过数次分析可以确定杆塔结构可靠影响因素,主要分布在塔头、横担与塔基,检测网络的布置也需要以这些薄弱环节为重点。

架空输电线路建设区域中,2个相邻杆塔之间的距离往往相似,本文运用WSN技术在每个杆塔上方布置一个中继节点,并保证这些中继节点可以同时实现长距离、短距离无线通信。杆塔检测器内多个传感器节点可以通过中继节点进行通信,将采集数据传输至目标区域。本文结合WSN与RFID技术,建立了如图3所示的监测网络架构。

图3 杆塔监测网络架构示意图

根据图3可知,本文提出的杆塔监测网络架构主要包括4层。第一层由塔身传感标签和融合节点组成,主要负责将标签信息传递至RFID阅读器;第二层由传感器节点和中继节点组成,主要功能是汇聚传感信息;第三层由中继节点和移动基站组成,负责向基站传输信息;最后一层通信结构主要由移动基站和控制中心组成,主要负责向控制中心传递实时监测数据。

2.3 优化中继节点设置

为了解决数据传输延时问题,本文针对监测网络结构中中继节点设置进行优化,实现网络延时与数据传输稳定之间的平衡[9]。中继节点的优化不再依靠基础设施的对称性,而是考虑多种不对称影响因素,以传输延时为核心,优化设置汇聚节点。对架空输电线路检测网络进行简化处理,可以得到如图4所示的监测网络拓扑。

图4 监测网络拓扑图

杆塔可靠监测网络拓扑结构中,主要包括多个中继节点、1个控制中心、1个变电站等。将所有的中继节点划分为多个节点组,从每组内选择1个节点作为汇聚节点。检测网络拓扑中数据传输主要包括3种方式,分别为节点依次向左传输数据、节点依次向右传输数据、以汇聚节点为载体进行数据传输。

应用RFID通信原理,本文在优化中继节点设置过程中融入数据共享机制,将传输总延时计算公式表示为

(3)

考虑到结构监测数据量每次传输量并不一致,使得汇聚节点两侧会具有不同数量的中继节点,参考式(3)可得出两侧中继节点数据传输延时计算公式:

(4)

式(4)中,Ti1表示左侧中继节点数据传输延时,Ti2表示右侧中继节点数据传输延时,ei1、ei2表示两侧组内中继节点数量。在保证监测数据完整传输至汇聚节点后,需要选择最小延时值所对应的中继节点布置方案作为最终布置方案,此时总延时表达公式变换为

(5)

式(5)中,m表示移动通信的传输速率,min表示最小值。结合式(4)可知,中继节点优化设置过程中,以网络总延时最小为目标对中继节点进行合理布置,能够保证监测平台具有网络低延时特点。

2.4 计算杆塔结构可靠性

根据接收的监测数据,本文采用蒙特卡罗法求解获得杆塔可靠度,并计算杆塔结构实际失效概率,从而反映杆塔结构可靠性[10]。针对多个独立变量数据,提取数据统一分布规律,可得到以下计算公式:

(6)

式(6)中,lim表示极限函数,n表示实验次数,∞表示正无穷,α表示变量有限均值,β2表示变量方差,R表示杆塔的特征因子。

根据杆塔故障事件出现次数,可以计算出该事件发生概率,并经过多次实验分析得到故障事件在杆塔出现的频数。故障事件出现频率可表示为

(7)

式(7)中,C表示故障事件,Q表示事件发生概率,ϑ表示事件发生频数。结合式(6)、式(7)可得出:

(8)

本文采用随机抽样方法,针对影响杆塔结构可靠性的事件进行代入分析,统计所有随机变量的概率分布函数,获取统计数组,根据数组内大于0的元素数量,得到杆塔可靠性计算公式:

(9)

式(9)中,ϑ′×n′表示随机变量数组,f表示大于0的元素数量,φ表示杆塔可靠度。

以杆塔可靠度计算结果为基础,对杆塔结构可靠性进一步分析,得到结构实际失效概率。考虑多方面因素,建立结构功能函数:

N=J(L1,L2,L3,L4)φf

(10)

式(10)中,N表示杆塔结构状态,J()表示功能函数,L1表示尺寸因素,L2表示载荷因素,L3表示材料因素,L4表示高度因素。通常情况下,功能函数的分界点为0,根据计算结果可以将架空线路的杆塔结构表示为可靠、失效、极限3种状态,则杆塔结构实际失效概率可以表示为

φ2=1-φ1-φ3

(11)

式(11)中,φ1表示结构可靠状态,φ2表示结构失效状态,φ3表示结构极限状态。根据式(11),得到杆塔结构实际失效概率计算结果,从而反映出杆塔结构的可靠性。

3 平台应用

3.1 线路概况

为了测试本文所设计的监测平台的实际应用效果,选取某一10 000 kV输电线路工程的某一区段为研究对象,该区段包括20座杆塔,应用本文提出的平台进行结构可靠性分析。针对选定的架空输电线路进行调查,得到如表1所示的组件相关参数。

表1 架空输变电线路各个组件相关参数

近期,运检人员在日常设备巡查过程中,发现某线路杆塔出现细微边线问题,且杆塔基础与护面之间也出现了裂缝,表明该杆塔当前可靠性有待研究。根据实地考察结果可知,在出现变形问题的杆塔区段,地表下方10 m左右位置存在深层地质灾害作用,经过长期蠕动影响,致使塔腿主材、隔面交叉材均出现了变形情况。实拍结果如图5所示。

图5 杆塔结构变形实拍图

图5所示的杆塔结构属于转角塔,主要建筑材料为Q345钢、Q235钢。该杆塔结构符合杆塔结构可靠监测平台应用要求,根据结构可靠性分析结果,可以明确所提平台的可行性。

3.2 平台开发

以本文提出的监测平台软硬件设计内容为基础,选择Delphi作为主要开发工具进行监测平台开发。此外,还选用了SQL关系数据库、Windows NT/2000软件、MS SQL Server数据库管理系统等平台开发技术。其中,选定的数据管理系统可以满足上百万数据量的同步保存,将其作为监测平台开发的数据载体是完全可行的。

依托于多层分布式模式开发杆塔结构可靠监测平台,本质上来说,就是应用单服务器向多个客户端提供数据搜索、数据存储等功能。同时,为了保证平台的顺利运行,本次开发过程中,根据客户端监测要求和服务器工作能力建立抽象化业务规则,并构建中间层服务器。以Internet技术为核心设计局域网,实现以B/S架构为核心的分布式管理模式。需要注意的是,服务器端业务逻辑的实现,需要在ASP脚本环境中进行。

利用上述开发工具,结合本文研究内容,完成监测平台的整体设计,并在实验室中对各个模块进行初步测试,具体的测试内容包括倾角、风速、拉力与温度输出数据是否正确。确保每个单独模块运行正常后,再调试监测平台的整体组成网络,确定实验室环境下平台是否运行正常,并将其应用在选定的架空输电线路工程中,进行杆塔结构可靠分析。

3.3 监测结果展示

运用开发调试完成的监测系统,得到如图6所示的杆塔结构可靠监测结果。

图6 上位机显示界面

根据图6可知,本文提出的监测平台可以将每个杆塔的实际失效概率计算结果以统计图形式呈现,从而反映出杆塔结构的可靠性,这也表明了所设计监测平台具有可行性。

3.4 平台性能分析

杆塔结构可靠监测平台运行时,其实时性是开发者和应用者所关注的重点。因此,选取网络时延作为平台性能评估指标,结合本次平台应用效果,得到如图7所示的不同报文长度下网络时延变化示意图。

图7 监测平台不同报文长度下网络时延

根据图7可知,随着报文长度的增加,监测平台的网络时延也随之增长,从最初的25 ms增长为640 ms,但是这一网络时延增长过程是循序渐进的,且在报文长度达到1300 Byte后,网络时延增长趋势逐渐趋于平缓。通过计算可知,监测平台的平均网络时延约为285 ms,满足杆塔结构可靠监测的基准要求。

4 总结

为了保证架空输电线路的稳定运行,针对杆塔结构可靠监测问题,本文提出一种新的监测平台设计方法。针对杆塔结构监测网络内包含的中继节点,提出优化后的节点布置方法,保证了数据传输稳定的同时,满足了低延时要求与实时性要求。