CN114034376A - 一种输电杆塔振动监测终端 - Google Patents

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魏振
邱吉福
陈明
安树怀
解志鹏
王政国
李惠娟
万向阳
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Beijing Paike Shenghong Electronic Technology Co ltd
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Global Energy Interconnection Research Institute
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Beijing Paike Shenghong Electronic Technology Co ltd
QINGDAO POWER SUPPLY Co OF STATE GRID SHANDONG ELECTRIC POWER Co
Global Energy Interconnection Research Institute
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Abstract

本发明涉及输电线路监测技术领域，具体涉及一种输电杆塔振动监测终端。包括电源模块和依次电连接的振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器和通讯模块，电源模块用于为振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器和通讯模块提供电源，振动传感器用于对输电杆塔进行实时振动感应，并生成振动监测信号，放大模块、滤波模块和采样模块依次对振动监测信号进行放大、滤波和采样处理，信号处理器用于将采样后的振动监测信号传输至通讯模块，并由通讯模块传输至监测管理平台。本发明可以实现对输电杆塔的实时线上振动监测，提高对输电杆塔的振动监测效率和准确度，节省人力。

Description

一种输电杆塔振动监测终端
技术领域
本发明涉及输电线路监测技术领域，具体涉及一种输电杆塔振动监测终端。
背景技术
输电杆塔是输电线路的重要设施，高压输电线路的长距离输电均需要架设相应的输电杆塔来实现。输电杆塔架设完毕后将会承受导地线张力重力、绝缘子串金具重力、塔身自重等多种静态荷载，同时还会承受风雨、大地脉动甚至地震等动态荷载，在多种荷载的共同作用下，输电杆塔整体或局部会发生振动，振动会导致塔材疲劳破坏、螺栓孔撕裂、节点螺栓松动甚至脱落，降低了铁塔承载性能，轻则导致输电杆塔局部损坏，重则将导致铁塔整体倾覆，造成电力环网重大事故，带来重大经济损失。因此，对输电杆塔的振动监测和巡检显得至关重要。
目前，针对输电杆塔的监测主要还是依靠线路巡视人员的定期巡检完成的，但是巡视人员的巡检无法做到实时的监测，且巡线人员很难察觉到杆塔的细微振动变化，导致对输电杆塔的振动监测不够高效、准确。因此，急需一种可以实时进行输电杆塔振动监测的设备，来替代人工巡检，提高输电杆塔振动监测效率和准确度。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种输电杆塔振动监测终端，其应用时，可以实现对输电杆塔的实时线上振动监测，提高对输电杆塔的振动监测效率和准确度，节省人力。
本发明所采用的技术方案为：
一种输电杆塔振动监测终端，包括振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块，所述振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器和通讯模块依次电连接，所述电源模块用于为振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器和通讯模块提供电源，所述振动传感器用于对输电杆塔进行实时振动感应，并生成振动监测信号，所述放大模块、滤波模块和采样模块依次对振动监测信号进行放大、滤波和采样处理，所述信号处理器用于将采样后的振动监测信号传输至通讯模块，并由通讯模块传输至监测管理平台。
基于上述技术内容，通过振动传感器可以对输电杆塔进行实时的振动感应，以高效、准确地监测到输电杆塔的细微振动，生成相应的振动监测信号，通过放大模块、滤波模块和采样模块可以依次对振动监测信号进行放大、滤波和采样处理，使最后采样获得的振动监测信号可以用于相应的振动分析处理，通过信号处理器对振动监测信号进行相应的信号转换处理后传输至通讯模块，并由通讯模块发送至监测管理平台，供后台监控管理人员进行分析查看。通过该终端可以实现对输电杆塔的实时线上振动监测，提高对输电杆塔的振动监测效率和准确度，节省人力。
在一个可能的设计中，所述振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块均集成于一壳体内。其应用时，通过将振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块集成于一壳体内，可以起到各器件的整体保护作用，并且提高终端的集成度，便于进行终端的统一安装。
在一个可能的设计中，所述壳体包括相互盖合的底板和盒盖，所述盒盖内部设有安装槽，所述振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块集成于安装槽内，所述底板上设有安装孔，所述底板通过安装孔安装在输电杆塔上。其应用时，通过盒盖的安装槽可以集成安装振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块，通过底板上的安装孔，可将监测终端整体安装于输电杆塔上，实现对输电杆塔的实时振动监测。
在一个可能的设计中，所述电源模块包括相互连接的可充电锂电池和充电电路，所述盒盖的外表面安装有太阳能电池板，所述太阳能电池板用于将光能转化为电能，并通过充电电路为可充电锂电池充电。其应用时，通过太阳能电池板可以吸收光能，并转化为电能，为可充电锂电池充电，保证监测终端有充足的电源可以使用，以保证监测终端的持续稳定运行。
在一个可能的设计中，所述盒盖的侧面及背离底板的一面均设有太阳能电池板，且盒盖的侧面及背离底板的一面均呈斜坡面设计，使侧面安装的太阳能电池板由靠近底板的一端向背离底板的一端聚拢倾斜，盒盖背离底板的一面所安装的太阳能电池板形成5°的斜坡。其应用时，通过在盒盖的侧面及顶面都设置太阳能电池板，以保证充足的电量供应，通过将侧面的太阳能电池板聚拢倾斜设置，将顶面的太阳能电池板倾斜5°设置，可以使侧面及顶面的太阳能电池板朝向太阳，在白天可以有更长的时间受到太阳照射。
在一个可能的设计中，所述电源模块还包括与可充电锂电池连接的电源管理器，所述盒盖上设有电量指示灯，所述电量指示灯与电源管理器连接。其应用时，通过电源管理器可以对可充电锂电池进行电量管理，并控制电量指示灯进行相应的电量显示，便于地面人员进行电量观察。
在一个可能的设计中，所述通讯模块采用NB-IoT模块，通过窄带物联网与监测管理平台实现远程无线数据交互。其应用时，通过NB-IoT模块利用窄带物联网进行远程数据传输，可以在极低的功耗下实现振动监测数据的远程高效传送。
在一个可能的设计中，所述振动传感器采用电容式三轴加速度传感器。其应用时，通过采用三轴加速度传感器可以从多个方向进行输电杆塔的振动感应，实现立体空间式的振动监测，采用电容式的三轴加速度传感器，可以保证检测精度，节约成本。
本发明的有益效果为：
本发明通过振动传感器可以对输电杆塔进行实时的振动感应，以高效、准确地监测到输电杆塔的细微振动，生成相应的振动监测信号，通过放大模块、滤波模块和采样模块可以依次对振动监测信号进行放大、滤波和采样处理，使最后采样获得的振动监测信号可以用于相应的振动分析处理，通过信号处理器对振动监测信号进行相应的信号转换处理后传输至通讯模块，并由通讯模块发送至监测管理平台，供后台监控管理人员进行分析查看。通过该终端可以实现对输电杆塔的实时线上振动监测，提高对输电杆塔的振动监测效率和准确度，节省人力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的电子器件连接示意图；
图2为电容式加速度传感器的结构示意图；
图3为壳体的结构示意图；
图4为电量指示灯的设置示意图；
图5为太阳能电池板的设置示意图。
图中：1、底板；2、盒盖；3、安装孔；4、太阳能电池板；5、电量指示灯；6、质量块；7、弹性梁；8、绝缘体；9、固定电极。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元，并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
在下面的描述中提供了特定的细节，以便于对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出***，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
实施例1：
本实施例提供了一种输电杆塔振动监测终端，如图1至图4所示，包括振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块，所述振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器和通讯模块依次电连接，所述电源模块用于为振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器和通讯模块提供电源，所述振动传感器用于对输电杆塔进行实时振动感应，并生成振动监测信号，所述放大模块、滤波模块和采样模块依次对振动监测信号进行放大、滤波和采样处理，所述信号处理器用于将采样后的振动监测信号传输至通讯模块，并由通讯模块传输至监测管理平台。
具体实施时，通过振动传感器可以对输电杆塔进行实时的振动感应，以高效、准确地监测到输电杆塔的细微振动，生成相应的振动监测信号，通过放大模块、滤波模块和采样模块可以依次对振动监测信号进行放大、滤波和采样处理，使最后采样获得的振动监测信号可以用于相应的振动分析处理，通过信号处理器对振动监测信号进行相应的信号转换处理后传输至通讯模块，并由通讯模块发送至监测管理平台，供后台监控管理人员进行分析查看。通过该终端可以实现对输电杆塔的实时线上振动监测，提高对输电杆塔的振动监测效率和准确度，节省人力。
更进一步地，所述通讯模块采用NB-IoT模块，通过窄带物联网与监测管理平台实现远程无线数据交互。具体实施时，通过NB-IoT模块利用窄带物联网进行远程数据传输，可以在极低的功耗下实现振动监测数据的远程高效传送。
NB-IoT在默认情况下，存在三种工作状态，三种状态会根据不同的配置参数进行切换，这三种状态较深刻地影响了NB-IoT的特性，三种工作状态如下：
1、Connected(连接态)：模块注册入网后处于该状态，可以发送和接收数据，无数据交互超过一段时间后会进入Idle模式，时间可配置。
2、Idle(空闲态)：可收发数据，且接收下行数据会进入Connected状态，无数据交互超过一段时会进入PSM模式，时间可配置。
3、PSM(节能模式)：此模式下终端关闭收发信号机，不监听无线侧的寻呼，因此虽然依旧注册在网络，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小。持续时间由核心网配置，有上行数据需要传输或TAU周期结束时会进入Connected态，PSM(Power Save Mode)模式下，平均电流只要6.7uA，功耗非常低。
由于振动监测终端安装在输电杆塔上，数据采集问题成为一个难点，既要满足实时性的要求，还要满足微功耗的要求。实际应用中可采用实时采集、定时上传的工作模式。为了降低网络通讯负载，有必要对采集的数据进行本地化预判，只有变化的数据进行上传主站才有意义。使用窄带物联网技术(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)将采集的数据快速上传监测管理平台，其低功率，高效率，远距离的优点使得传送通道高效可靠，是作为采集、传送、处理之一的关键环节，重要性高。
更进一步地，所述振动传感器采用电容式三轴加速度传感器。具体实施时，通过采用三轴加速度传感器可以从多个方向进行输电杆塔的振动感应，实现立体空间式的振动监测，采用电容式的三轴加速度传感器，可以保证检测精度，节约成本。
输电杆塔在自身载荷及自然条件激励下极易发生不同程度的振动，而表征物体振动的参数主要有振幅、频率和加速度，但测振幅和频率多用光学或力学传感器，不宜小型化，也不适宜于野外环境，所以在应用中测物体加速度是最为合适的监测振动的手段。从经济性、可靠性和性价比综合考虑，其中电容式加速度传感器最为适用。
电容式加速度传感器又称变电容式加速度传感器，它的结构原理如图2所示，一个质量块6固定在弹性梁7的中间，质量块6的上端面设有活动电极，它与设置在相应绝缘体8中的上端固定电极9组成一个电容器C1；质量块6的下端面也设有活动电极，它与设置在相应绝缘体8中的下端固定电极9组成另一个电容器C2。当被测物的振动导致传感器基座振动时，质量块6将由于惯性而保持静止，因此上、下固定电极9与质量块6之间将会产生相对位移。这使得电容C1、C2的值一个变大、另一个变小，从而形成一个与加速度大小成正比的差动输出信号。传感器在加速过程中，通过对质量块6所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。质量块6与差分电容连接，惯性力使质量块6发生偏转引起电容改变，通过电容改变量可确定加速度值和方向。
实施例2：
作为对上述实施例的优化，所述振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块均集成于一壳体内。具体实施时，通过将振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块集成于一壳体内，可以起到各器件的整体保护作用，并且提高终端的集成度，便于进行终端的统一安装。
更进一步地，如图3至图5所示，所述壳体包括相互盖合的底板1和盒盖2，所述盒盖2内部设有安装槽，所述振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块集成于安装槽内，所述底板1上设有安装孔3，所述底板1通过安装孔3安装在输电杆塔上。具体实施时，通过盒盖2的安装槽可以集成安装振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块，通过底板1上的安装孔3，可将监测终端整体安装于输电杆塔上，实现对输电杆塔的实时振动监测。
更进一步地，所述电源模块包括相互连接的可充电锂电池和充电电路，所述盒盖2的外表面安装有太阳能电池板4，所述太阳能电池板4用于将光能转化为电能，并通过充电电路为可充电锂电池充电。具体实施时，通过太阳能电池板4可以吸收光能，并转化为电能，为可充电锂电池充电，保证监测终端有充足的电源可以使用，以保证监测终端的持续稳定运行。
更进一步地，所述电源模块还包括与可充电锂电池连接的电源管理器，所述盒盖2上设有电量指示灯5，所述电量指示灯5与电源管理器连接。具体实施时，通过电源管理器可以对可充电锂电池进行电量管理，并控制电量指示灯5进行相应的电量显示，便于地面人员进行电量观察。
太阳能电池的最大功率Pmax＝开路电压×短路电流，这是它们的理想功率，而平时大家衡量太阳能电池的是额定功率Pm。实际中额定功率是小于最大功率的，主要是由于太阳能电池的输出效率u只有70％左右。在使用中由于受光强度的不同，所以不同时刻的功率也是不同的，根据实验数据它的实际平均功率P＝0.7Pm。如果太阳能电池要直接带动负载，并且要使负载长期稳定的工作，则负载的额定功率为Pr＝0.7Pm。如果按照负载的功率选择太阳能电池的功率则电池的功率为：Pm＝1.43Pr。就是说太阳能电池的功率要是负载功率的1.43倍。
根据理论估算，终端每日功耗500mAh计算，采用可充电锂电池容量10000mAh，电池满电无太阳能充电情况下，可正常运行13*24小时；之后电池电量低于20％，设备进入节能模式，节能模式续航10*24小时。故太阳能电池板4每天增加需900mAh以上。电池电量管理模式采用电池电量在20％之上，设备处于正常工作状态；电池电量低于20％时，设备处于节能状态，使终端增加续航以等待利用太阳能充电。
更进一步地，所述盒盖2的侧面及背离底板1的一面均设有太阳能电池板4，且盒盖2的侧面及背离底板1的一面均呈斜坡面设计，使侧面安装的太阳能电池板4由靠近底板1的一端向背离底板1的一端聚拢倾斜，盒盖2背离底板1的一面所安装的太阳能电池板4形成5°的斜坡。具体实施时，通过在盒盖2的侧面及顶面都设置太阳能电池板4，以保证充足的电量供应，通过将侧面的太阳能电池板4聚拢倾斜设置，将顶面的太阳能电池板4倾斜5°设置，可以使侧面及顶面的太阳能电池板4朝向太阳，在白天可以有更长的时间受到太阳照射。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (8)

1.一种输电杆塔振动监测终端，其特征在于：包括振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块，所述振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器和通讯模块依次电连接，所述电源模块用于为振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器和通讯模块提供电源，所述振动传感器用于对输电杆塔进行实时振动感应，并生成振动监测信号，所述放大模块、滤波模块和采样模块依次对振动监测信号进行放大、滤波和采样处理，所述信号处理器用于将采样后的振动监测信号传输至通讯模块，并由通讯模块传输至监测管理平台。
2.根据权利要求1所述的一种输电杆塔振动监测终端，其特征在于：所述振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块均集成于一壳体内。
3.根据权利要求2所述的一种输电杆塔振动监测终端，其特征在于：所述壳体包括相互盖合的底板(1)和盒盖(2)，所述盒盖(2)内部设有安装槽，所述振动传感器、放大模块、滤波模块、采样模块、信号处理器、通讯模块和电源模块集成于安装槽内，所述底板(1)上设有安装孔(3)，所述底板(1)通过安装孔(3)安装在输电杆塔上。
4.根据权利要求3所述的一种输电杆塔振动监测终端，其特征在于：所述电源模块包括相互连接的可充电锂电池和充电电路，所述盒盖(2)的外表面安装有太阳能电池板(4)，所述太阳能电池板(4)用于将光能转化为电能，并通过充电电路为可充电锂电池充电。
5.根据权利要求4所述的一种输电杆塔振动监测终端，其特征在于：所述盒盖(2)的侧面及背离底板(1)的一面均设有太阳能电池板(4)，且盒盖(2)的侧面及背离底板(1)的一面均呈斜坡面设计，使侧面安装的太阳能电池板(4)由靠近底板(1)的一端向背离底板(1)的一端聚拢倾斜，盒盖(2)背离底板(1)的一面所安装的太阳能电池板(4)形成5°的斜坡。
6.根据权利要求4所述的一种输电杆塔振动监测终端，其特征在于：所述电源模块还包括与可充电锂电池连接的电源管理器，所述盒盖(2)上设有电量指示灯(5)，所述电量指示灯(5)与电源管理器连接。
7.根据权利要求1所述的一种输电杆塔振动监测终端，其特征在于：所述通讯模块采用NB-IoT模块，通过窄带物联网与监测管理平台实现远程无线数据交互。
8.根据权利要求1所述的一种输电杆塔振动监测终端，其特征在于：所述振动传感器采用电容式三轴加速度传感器。
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