CN103438986B - 一种振动偏移分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动偏移分析方法，包括以下步骤：步骤一：在监控平台中设置振动偏移参数，所述参数包括振动阈值、偏移角度阈值以及告警级别；步骤二：监控平台通过网络方式实时接收各个监控终端发送来的振动加速度和振动偏移信息；步骤三：监控平台每接收一次当前振动加速度做振动加速度分析；步骤四：监控平台每接收一次振动偏移信息经过偏移夹角计算后做振动偏移角度分析；步骤五：在监控平台中输出各个监控终端的振动和偏移结果。本***所涉及的振动偏移分析方法实时性强，兼容性好，操作简单，为电力电缆的安全运行提供了保障。

Description

一种振动偏移分析方法

技术领域

本发明涉及电力隧道设备的监控领域，尤其涉及一种振动偏移分析方法。

背景技术

随着经济持续增长，现代化城市建设中，避免不了各种地面机械施工的存在，而这种大面积大范围的机械施工会不经意间危害到城市地下隧道中电力输送网络，而现代城市生活和生产对电力的依赖越来越大，对电力输送的无故障运行提出了更高的要求，因此保障地下电力设施的安全可靠运行显得尤为重要。因此，如何有效的对位于地下设施周边的机械施工行为实施监测和预警，推知周边是否有某种机械施工行为存在，并测算出机械施工的大体方位显得尤为重要。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种振动偏移分析方法，该方法通过对电力隧道中安装的监测终端接收和测量由大地传导的各种振动，该分析方法根据***建立的分析模型、监测点位置、振动频率、振动强度、速度、加速度信息，可以推知周边是否有某种机械施工行为存在，从而为风险的评估和防范提供依据。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种振动偏移分析方法，包括以下步骤：

步骤一：在监控平台中设置振动偏移参数，所述参数包括振动阈值、偏移角度阈值以及告警级别；

步骤二：监控平台通过网络方式从监控主机实时接收各个监控终端发送来的振动加速度和振动偏移信息；

步骤三：监控平台每接收一次当前振动加速度做振动加速度分析；

步骤四：监控平台每接收一次振动偏移信息经过偏移夹角计算后做振动偏移角度分析；

步骤五：在监控平台中输出各个监控终端的振动和偏移结果。

所述步骤二中振动加速度和振动偏移信息是通过安装在电力隧道中监测终端接收和测量得到的。

所述步骤三中振动加速度分析的具体步骤如下：

（1）从监控终端接收到振动加速度的状态值；

（2）对振动加速度的波形值取幅值，即取到振动加速度的最大值；

（3）当取到的最大值大于设置的振动阈值，平台就会发出告警信息，报警信息显示在监控平台上，提醒用户某位置有破坏活动，建议用户进行人工干预；

（4）当取到的振动加速度的最大值没有超出设置的阈值，则不进行报警提示，振动加速度值显示在监控平台上；

所述步骤四振动偏移角度分析的具体步骤如下：

（1）接收从监控终端采集的X、Y、Z三个方向的振动分量；

（2）根据夹角偏移公式进行夹角计算，计算出夹角偏移角度；

（3）计算出的偏移角度和初始偏移角度进行比较，当差值大于设置的偏移角度阈值，平台发出报警信息，报警信息显示在监控平台上，提醒用户进行人工应急处理；

（4）当差值没有超出设置的偏移角度阈值，则不进行报警提示，X、Y、Z三个方向的振动分量显示在监控平台上；

所述夹角偏移角度的计算过程如下：

设向量 $\stackrel{\→}{a}=(a_1,a_2,a_3),\stackrel{\→}{b}=(b_1,b_2{,b}_3)$

$\cos <\stackrel{\&RightArrow;}{a}\stackrel{\&RightArrow;}{,b}>=\frac{a_1{b}_1+a_2{b}_2+a_3{b}_3}{\sqrt{{a_1}^2+{a_2}^2+{a_3}^2}\&CenterDot;\sqrt{{b_1}^2+{b_2}^2+{b_3}^2}}$ 公式(2)

其中为和的向量夹角，a₁,a₂,a₃为向量在X、Y、Z三个方向上的振动分量，b₁,b₂,b₃为向量在X、Y、Z三个方向上的振动分量。

通过公式（2），可以计算出向量夹角的余弦值。

$<\stackrel{\&RightArrow;}{a}\stackrel{\&RightArrow;}{,b}>=\arccos \frac{a_1{b}_1+a_2{b}_2+a_3{b}_3}{\sqrt{{a_1}^2+{a_2}^2+{a_2}^3}\&CenterDot;\sqrt{{b_1}^2+{b_2}^2+{b_3}^2}}$ 公式（3）

因为余弦函数在[0，π]上的单调性，通过公式（3）计算出空间向量的夹角偏移角度。

本发明所针对的大地传导的各种振动，主要的振动源包括破碎锤、打桩机、打夯机、压路机、挖掘机等机械施工设备产生的振动，此种设备均以较大的冲击力直接作用于大地引起振动，振动经大地传导到达位于地下设施内的监测终端。此类设备对大地形成冲击作用的强度明显高于其它干扰源；设备在施工时时间上呈现一定的周期性变化；在正常工作状态下，机械设备是不移动或缓慢移动，相比之下，作为最常见干扰主体的道路交通工具移动速度要快得多。

所述振动阈值，单位为重力加速度，如果收到的振动加速度值超过了振动阈值，就代表此监控终端周边可能发生了破坏活动，此阈值是通过值班人员进行手动设定，安装人员安装之后需要进行模拟破坏后的一个初始适应值，模拟破坏后，可以在监控平台中看到该值的大小，此值可以配置到振动阈值中作为振动报警的阈值。

所述偏移角度阈值，是一个偏移夹角度数，如果计算得到的偏移角度值超过了偏移角度阈值，就代表此监控终端周边可能发生了破坏活动，此阈值是通过值班人员进行手动设定的，施工人员安装完成后的一个安全角度值，需人为判断和计算，范围为0-180度。

所述报警等级，就是对发生的报警事故重要性一个判断，一般报警等级分为四个等级：正常，一般告警，重要告警，和严重告警，根据人工设置报警等级，监控平台根据不同的数值显示不同的告警等级。

该振动偏移分析方法的实现是在由监控平台、监控主机、监控终端组成的架构中实现的,其中监控终端放置固定在电力隧道中，监控主机放置在变电站中，监控平台设置在电力监控中心。监控终端将采集的数据上传到监控主机，监控主机将收到的数据通过网络通信方式传输到监控平台，监控平台中所设有的服务器实时对采集的监控数据进行分析处理，将分析结果显示在监控平台上，以便于为管理人员提供有效监测数据，进行人工干预或者前期预警。

所述监控终端是一种采用高集成度及超低功耗设计的硬件设备，该设备安装于电力隧道内，对电力隧道中各种环境数据进行采集，然后将数据上传给监控主机。

所述监控主机是连接监控平台和监控终端的设备，它采集监控终端采集到的设备数据，数据封装后传送到监控平台。监控主机将收到的数据以TCP/IP以太网接口的方式传输到监控平台。

所述监控平台具备数据接收、数据处理、告警产生、实时监视、历史查看的功能。监控平台支持多种常用设备的接入，能够快速对所监控的设备进行控制与数据响应，且拥有开放式的架构，便于扩展功能及第三方平台的接入。该平台能够根据用户的需求进行模块的增减，满足用户不同层次的需求。

本发明的有益效果：

振动偏移分析方法通过从地下隧道采集的振动偏移信息，可以在第一时间内发现电缆周边的危险和破坏信息，以有效的方法对位于地下设施周边的机械施工行为实施监测和预警，对保障地下电力设施的安全可靠运行意义重大。该分析方法通过对振动的测量和分析，实现地下设施周边机械施工行为的监测，并根据***建立的分析模型、监测点位置、振动频率、振动强度、速度、加速度、声音等信息，分析振动目标的类型和施工位置。监测终端安装于地下设施内适当位置，接收和测量由大地传导的各种振动。当测量的参数超过预设的阀值，监测终端开始采集并上传振动数据。平台通过对振动数据的分析，可以推知周边是否有某种机械施工行为存在，可以对振动和偏移情况及时给出告警和提示，并测算出机械施工的大体方位，从而为风险的评估和防范提供依据。该分析方法的实施，既提高了电力隧道中各种设备和设施的安全性，能提前对未知的电力事故进行预警和避免，又避免了人力物力的浪费，在很大程度上提高了电缆的安全运行，有效防止了隐患和故障的进一步扩大，最大限度的减小了损失。本***所涉及的振动偏移分析方法实时性强，兼容性好，操作简单，为电力电缆的安全运行提供了保障。

附图说明

图1振动偏移分析方法***结构示意图；

图2振动偏移分析方法分析过程示意图；

图3振动分析方法示意图；

图4偏移分析方法示意图；

图中，1.监控平台，2.监控主机，3.监控终端。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，振动偏移分析方法***结构示意图，它包含监控平台1，以及与监控平台1依次连接的监控主机2和监控终端3。

监控主机2安装在变电站内，作为监控平台1与监控终端3之间的媒介，实现监控平台1网络通信与监控终端3的通信协议的转换，实现对监控终端3的远程供电，通讯巡检等一系列功能。

监控终端3可以对电缆护层接地电流及故障电流进行检测，监控终端3采用超低功耗设计，实现了常规功耗下无法实现的实时监测和采集。

监控终端3与监控主机2之间采用总线连接，由监控主机2远程供电，通信采用轮询方式。

如图2，振动偏移分析方法分析过程示意图，首先，监控平台载入设置的振动偏移分析参数，参数主要有振动阈值、偏移角度阈值以及告警级别；然后，监控平台实时接收振动偏移数据信息，每接收一次振动加速度值和偏移信息值，触发一次振动分析和偏移分析。最后，分析模块将分析后的结果输出，显示分析结果，如有报警产生则通知值班人员进行处置。

振动阈值和偏移角度阈值的设置方法：安装人员安装之后需要进行模拟破坏后的一个初始适应值，振动阈值单位为重力加速度，模拟破坏后，可以在监控平台中看到该值的大小，此值可以配置到振动阈值中作为振动报警的阈值；偏移角度阈值是安装完成后的一个安全角度值，需人为判断和计算，范围为0-180度。

振动分析，可有效判断突发振动强度以及振动次数；偏移分析可对振动方向以及振动幅度做出有效判断；振动分析和偏移分析，可以实现提前预知周边是否有机械施工行为存在，并测算出机械施工的大体方位，做到出故障前的及时预警。这两种分析方法有机结合，通过对振动强度、振动频率、振动方向和偏移的综合分析，可有效预防电力隧道中各种设备以及电缆的安全运行。

如图3，振动分析方法示意图，当监控终端3在某个方向上，周期性监测到振动冲击（周期性振动），或者单位时间内，连续检测到高强度的振动冲击（非周期性振动），则监控终端3采集振动数据，并上报到监控平台1，监控平台1实时接收振动加速度的波形值，监控平台根据取到的波形值，找到波形的幅值，即振动加速度的最大值，如果最大值大于等于设置的振动阈值，则分析产生告警信息，报警分为四个等级：正常，一般告警，重要告警，和严重告警，根据设置的加速度值的大小区间，显示不同的告警等级，并把告警信息和振动加速度值显示在监控平台1，告警信息提醒用户某位置有破坏活动，建议用户进行人工干预；如果振动加速度小于振动阈值，则不会报警，振动加速度的值显示在监控平台。

所述振动加速度，与受力和物体质量有以下关系：

a=F/m 公式（1）

上面公式（1）中a是加速度，F是加速度方向所受冲击力，m是物体质量，由公式（1）可见，加速度与所受冲击力成正比关系，质量一定的情况下，受冲击力大，得到的加速度就大；受冲击力小，得到的加速度就小。通过对加速度的测量能够比较直接地反映振动冲击力的大小，监控终端可以直接测的振动加速度的大小。

所述振动阈值，单位为重力加速度，如果收到的振动加速度值超过了振动阈值，就代表此监控终端周边可能发生了破坏活动，此阈值是通过值班人员进行手动设定，安装人员安装之后需要进行模拟破坏后的一个初始适应值，模拟破坏后，可以在监控平台中看到该值的大小，此值可以配置到振动阈值中作为振动报警的阈值。

如图4，偏移分析方法示意图，当某个监控终端3监测到周边有振动冲击，就会采集振动偏移数据上报监控平台1，监控平台对从监控终端3采集的X、Y、Z三个方向的振动分量，根据向量夹角计算公式进行夹角计算，计算出夹角偏移角度，算出的偏移角度和初始偏移角度进行比较，如果角度差值大于设置的偏移角度阈值，就会产生报警信息，在监控平台显示报警，提醒用户进行人工应急处理；如果角度差值没有超出设置的偏移角度阈值，则不进行报警提示；如有报警，则把报警信息显示在监控平台；如没有报警产生，则把取到X、Y、Z三个方向的振动分量显示在监控平台。

空间向量夹角计算公式：

设向量 $\stackrel{\&RightArrow;}{a}=(a_1,a_2,a_3),\stackrel{\&RightArrow;}{b}=(b_1,b_2,b_3)$

$\cos <\stackrel{\&RightArrow;}{a}\stackrel{\&RightArrow;}{,b}>=\frac{a_1{b}_1+a_2{b}_2+a_3{b}_3}{\sqrt{{a_1}^2+{a_2}^2+{a_3}^2}\&CenterDot;\sqrt{{b_1}^2+{b_2}^2+{b_3}^2}}$ 公式(2)

其中为和的向量夹角,a₁,a₂,a₃为向量在X、Y、Z三个方向上的振动分量，b₁,b₂，b₃为向量在X、Y、Z三个方向上的振动分量。

通过公式（2），可以计算出向量夹角的余弦值。

因为余弦函数在[0，π]上的单调性，由公式（2）可以得到向量夹角：

$<\stackrel{\&RightArrow;}{a}\stackrel{\&RightArrow;}{,b}>=\arccos \frac{a_1{b}_1+a_2{b}_2+a_3{b}_3}{\sqrt{{a_1}^2+{a_2}^2+{a_2}^3}\&CenterDot;\sqrt{{b_1}^2+{b_2}^2+{b_3}^2}}$ 公式(3)

通过公式（3）可以计算出空间向量的夹角，通过和原始偏移角度的差值比较，就可以知道此次振动偏移夹角的大小，此次偏移夹角如果大于设置的偏移角度阈值，就会产生报警信息，报警分为四个等级：正常，一般告警，重要告警，和严重告警，根据设置的偏移角度的大小区间，显示不同的告警等级。

在偏移角度分析前偏移角度没有初始值，在偏移分析时，监控平台在第一次接收到采集的X、Y、Z三个方向的振动分量，计算出偏移夹角后，由于没有初始的偏移夹角，因此，无法完成偏移角度的比较，故不需要比较夹角偏移，分析结束。第一次计算的向量夹角角度作为初始偏移角度，以后采集的向量夹角都和此初始偏移角度进行差值比较。

所述偏移角度阈值，是一个偏移夹角度数，如果计算得到的偏移角度值超过了偏移角度阈值，就代表此监控终端周边可能发生了破坏活动，此阈值是通过值班人员进行手动设定的，施工人员安装完成后的一个安全角度值，需人为判断和计算，范围为0-180度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种振动偏移分析方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：在监控平台中设置振动偏移参数，所述参数包括振动阈值、偏移角度阈值以及告警级别；

步骤二：监控平台通过网络方式从监控主机实时接收各个监控终端发送来的振动加速度和振动偏移信息；

步骤三：监控平台每接收一次当前振动加速度做振动加速度分析；

步骤四：监控平台每接收一次振动偏移信息经过偏移夹角计算后做振动偏移角度分析；

步骤五：在监控平台中输出各个监控终端的振动和偏移结果；

所述步骤四振动偏移角度分析的具体步骤如下：

(1)接收从监控终端采集的X、Y、Z三个方向的振动分量；

(2)根据夹角偏移公式进行夹角计算，计算出夹角偏移角度；

(3)计算出的偏移角度和初始偏移角度进行比较，当差值大于设置的偏移角度阈值，平台发出报警信息，报警信息显示在监控平台上；

(4)当差值没有超出设置的偏移角度阈值，则不进行报警提示，X、Y、Z三个方向的振动分量显示在监控平台上；

所述步骤三中振动加速度分析的具体步骤如下：

(1)从监控终端接收到振动加速度的状态值；

(2)对振动加速度的波形值取幅值，即取到振动加速度的最大值；

(3)当取到的最大值大于设置的振动阈值，平台就会发出告警信息，报警信息显示在监控平台上；

(4)当取到的振动加速度的最大值没有超出设置的阈值，则不进行报警提示，振动加速度值显示在监控平台上；

振动阈值是通过值班人员进行手动设定，安装人员安装之后需要进行模拟破坏后的一个初始适应值，模拟破坏后，在监控平台中看到该值的大小，此值配置到振动阈值中作为振动报警的阈值；

偏移角度阈值是通过值班人员进行手动设定的，施工人员安装完成后的一个安全角度值，范围为0-180度；

所述夹角偏移角度的计算过程如下：

设向量

公式(2)

其中为和的向量夹角，a₁,a₂,a₃为向量在X、Y、Z三个方向上的振动分量，b₁,b₂,b₃为向量在X、Y、Z三个方向上的振动分量，

公式(3)

余弦函数在[0，π]上的单调性，通过公式(3)计算出空间向量的夹角偏移角度；

所述步骤二中振动加速度和振动偏移信息是通过安装在电力隧道中监测终端接收和测量得到的。