一种输电铁塔状态监测装置

技术领域

本发明属于电力行业输电铁塔状态监测技术领域，具体涉及一种输电铁塔状态监测装置。

背景技术

近年来，随着生活质量的提高，人们在日常生活中对电力供应的依赖程度也显著上升。而为了适应我国如今经济高速发展的现状、满足人们生活生产的电力需求，电网规模还在不断扩大，对输电线路安全运行的要求也越来越高。与此同时，我国资源分配不均，西部地区水力发电潜力巨大而开发程度却极低。为了能有效利用西部地区的水力资源、带动产电地区的经济发展，我国实施了“西电东送”计划，而如此大规模的输电工程也需要输电线路的安全运行作为保障。而传统的人工巡线浪费人力物力，且在杆塔发生细微形变时，工作人员用肉眼难以及时发现，而如果出现了明显的形变，则杆塔已经处于非常危险的状态。

因此，输电铁塔在线监测显得尤为重要。输电铁塔在线监测常用的传感器是加速度传感器和倾角传感器，运用倾角传感器可以得到杆塔倾斜率，再通过杆塔倾斜模型计算杆塔的顺向倾斜度、横向倾斜度和综合倾斜度，从而对杆塔安全状况进行评估。还有人利用光纤光栅传感技术设计了FBG应力传感器，通过测量反射波长变化从而计算得到应变。但该传感器容易受温度影响，且测量精度和系统测量范围受解调技术制约。

除了传感器外，还可以利用卫星导航系统或其他定位技术进行监测。GPS测姿系统接收GPS卫星测量的载波相位等信息并将其输入到测姿模块，姿态信息通过基线姿态角来反映，通过求解基线的角度变化可以完成对铁塔的监测。有人利用北斗卫星定位系统进行监测，三个北斗天线分别安置在输电线塔顶部的三个拐角点上，利用姿态测量原理和卫星相对定位，计算得到三点构成的夹角，进而获取两个方向的倾斜角。还有人在此基础上用MEMS传感器采集杆塔位移形变信息，并用气压计采集气压信息来修正杆塔位移形变数据。但是采用该类方式的装置大多十分复杂，体型笨重且造价高昂，难以在实际中广泛采用。

此外，还有人利用高分辨率合成孔径雷达(SAR)卫星进行监测，在用合成孔径雷达获取SAR图像后，对输入的SAR图像进行相干斑滤波，并利用铁塔目标亮度远高于背景杂波这一特性，选择峰值检测算法进行铁塔目标检测，最终得到杆塔的形变数据。然而，在较为恶劣的气候条件下，对图像分析的难度增大，该类监测方式也容易出现较大误差。

总的来说，现有输电铁塔状态监测装置相关技术的特点体现在以下三个方面：

(1)从装置外形上来说，现有装置大多结构复杂或体型较大，给实际工程中的安装、调试和运行都带来了极大的困难

(2)在功耗方面，现有装置大多功耗较高，而装置的拆卸和充电又十分不易，因此，现有装置大多难以保证在实际工程中长期、稳定地运行；此外，较高的功耗也是一种对能源的浪费，难以达到节约能源、保护环境的要求。

(3)装置的成本问题。现有的许多较为精确的测量装置大多利用了许多高昂的部件，这些装置造价不菲，如果大规模地投入工程实用，将会大大提高输电铁塔状态监测的成本。因此，成本高昂也成为目前许多装置难以投入实际使用的一项重要原因。

以张昌华等人研究的输电线路塔线体系状态监测装置为例，该装置用到了多个温度、光纤应变、光纤加速度传感器以及光缆，装置复杂且零部件较为分散、不易安装，光缆的存在也给安装和拆卸增加了困难；且使用多个传感器导致装置功耗增大、成本增加。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种输电铁塔状态监测装置。所述装置实现了低功耗、微小化、低成本，为输电铁塔态势检测提供了有效手段，从而提升了电网运行的可靠性。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种输电铁塔状态监测装置，包括微处理器、姿态传感器、无线通信模块、供电电池、太阳能充电板、数据存储服务器、第一连接电路、第二连接电路和电源管理电路；

微处理器与姿态传感器通过第一连接电路连接；微处理器与无线通信模块通过第二连接电路连接；电源管理电路将太阳能充电板与供电电池连接，并将供电电池分别与微处理器、姿态传感器和无线通信模块连接；无线通信模块连接数据存储服务器。

进一步地，姿态传感器采集所安装节点的姿态信息，并将姿态信息通过第一连接电路发送到微处理器。

进一步地，微处理器采用超低功耗微处理器，微处理器读取姿态传感器的发送的姿态信息，并通过第二连接电路将姿态信息发送到无线通信模块。

进一步地，无线通信模块采用NB-IoT无线通讯模块，低功耗，省电模式下功耗低于1μA；无线通信模块将微处理器送达的姿态信息通过无线通信方式发送到远端的数据存储服务器。

进一步地，数据存储服务器设置在远端，通过无线通信方式接收无线通信模块发送的输电铁塔的姿态信息；工作人员通过无线访问数据存储服务器获取姿态信息。

进一步地，电源管理电路包括太阳能充电电路、DC-DC升降压电路和若干连接导线；

太阳能充电板通过太阳能充电电路连接供电电池，供电电池连接DC-DC升降压电路，并通过连接导线分别连接姿态传感器、微处理器和无线通信模块进行供电。

进一步地，太阳能充电板将太阳能转化为电能，并将电能通过太阳能充电电路充入供电电池。

进一步地，供电电池采用聚合物锂电池，以实现微小化；供电电池通过电源管理电路分别为姿态传感器、微处理器和无线通信模块供电。

进一步地，第一连接电路是实现姿态传感器与微处理器之间信息传递的导线；

第二连接电路是实现微处理器与无线通信模块之间信息传递的导线；

太阳能充电电路包括实现太阳能充电板和供电电池之间电能传输的导线以及稳压模块。

进一步地，还包括外壳及夹具，外壳及夹具用于安放电路板并固定于需要检测的输电铁塔节点；太阳能充电板设置在外壳及夹具外部，电路板放置于外壳及夹具内部；

处理器、姿态传感器、无线通信模块、供电电池和电源管理电路均设置于电路板上；

外壳及夹具表面设置放置太阳能充电电路的通道。

相比与现有技术，本发明的优点在于：

本发明中每个节点只采用一个传感器，模块间的电路简单，以降低装置的功耗和成本；使用无线通信进行数据传输，无需外接光缆，更易于安装和拆卸；

本发明通过设计简单的电路拓扑和使用体积较小的芯片使装置微小化。

本发明通过外壳和夹具固定于输电铁塔节点，既使得输电塔状态监测装置安装牢固，也使得太阳能充电板能够更好地接收太阳能为装置供电。

附图说明

图1为本发明实施例中输电塔状态监测装置模块组成示意图；

图2为本发明实施例中输电塔状态监测装置外壳及夹具示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

某沿海输电管理部门辖区经常遭受台风侵袭，极端情况下，辖区内个别110kV及以上输电铁塔会发生弯折倾倒，引发不可重合闸的相间短路故障或金属性接地故障，由于备用线路输送容量有限，部分负荷被切除，进而导致较大的停电事故。高压输电铁塔的弯折倾倒事故具有偶发性、突然性，例行巡线检查难以发现个别输电铁塔潜在的弯折倾倒隐患，事故发生后，受损的输电铁塔也难以复原。

为了降低这类事故的发生概率，该部门运维人员为辖区内受风严重的杆塔安装了输电铁塔状态监测装置。对于结构确定的输电铁塔而言，都会存在一些力学的关键节点，杆塔受风时，这些节点往往会受到较大的应力，当输电铁塔的材料也确定下来，关键节点的应力超过一定限度，就会存在杆塔倾倒弯折隐患。关键节点及其极限应力可以采用流体力学仿真确定。如图1所示，监测装置应该通过外壳及夹具10安装在这些节点上。

如图1所示，一种输电铁塔状态监测装置，包括微处理器1、姿态传感器2、无线通信模块3、供电电池4、太阳能充电板5、数据存储服务器6、第一连接电路7、第二连接电路8和电源管理电路9；

微处理器1与姿态传感器2通过第一连接电路7连接；微处理器1与无线通信模块3通过第二连接电路8连接；电源管理电路9将太阳能充电板5与供电电池4连接，并将供电电池4分别与微处理器1、姿态传感器2和无线通信模块3连接；无线通信模块3连接数据存储服务器6；外壳及夹具10用于安放电路板并将其固定于输电铁塔。

姿态传感器2采集所安装节点的姿态信息，在一个具体的实施例中，姿态传感器2的型号为MPU6050，MPU6050是六轴上、下、前、后、左、右线加速度与角速度传感器，测得关键节点加速度与角速度后，采用IIC协议，将姿态信息通过第一连接电路7发送到微处理器1。

微处理器1为超低功耗微处理器，在一个具体的实施例中，微处理器1的型号为STM32L0，STM32L0是一种低功耗的微处理器，获得加速度与角速度数据后，采用串口通信，通过第二连接电路8将数据发送到无线通信模块3。

无线通信模块3采用NB-IoT无线通讯模块，它尺寸小，功耗低，省电模式下功耗低于1μA，在一个具体的实施例中，无线通信模块3的型号为NB-IoT BC26；NB-IoT BC26是一种低功耗的，能够将数据发送到互联网的芯片，获得加速度与角速度后，采用MQTT协议将数据发送到远端的数据存储服务器6。

数据存储服务器6设置在远端，在一个具体的实施例中，数据存储服务器6为阿里云的数据服务，通过无线通信方式接收无线通信模块3发送的输电铁塔的姿态信息；

在一个具体的实施例中，运维人员可以用联网计算机访问并获取阿里云中储存的加速度与角速度，由于杆塔的结构与材料已确定，可以用这些数据解算出这些关键节点所受应力。当应力过大时，运维人员可以提前采取相应措施以减轻、甚至避免停电事故。

供电电池4采用聚合物锂电池，在一个具体的实施例中，运维人员采用了锂电池；供电电池4通过电源管理电路9分别为姿态传感器2、微处理器1和无线通信模块3供电。

电源管理电路9包括太阳能充电电路、DC-DC升降压电路和若干连接导线；

太阳能充电板5将太阳能转化为电能，并将电能通过太阳能充电电路为锂电池充电，而锂电池通过DC-DC升降压电路为STM32L0、MPU6050、NB-IoT BC26提供电能。

第一连接电路7是实现姿态传感器2与微处理器1之间信息传递的导线；

第二连接电路8是实现微处理器1与无线通信模块3之间信息传递的导线；

太阳能充电电路包括实现太阳能充电板5和供电电池4之间电能传输的导线以及稳压模块。

还包括外壳及夹具10，外壳及夹具10用于安放电路板并固定于需要检测的输电铁塔节点；太阳能充电板5设置在外壳及夹具10外部，电路板放置于外壳及夹具10内部；

处理器1、姿态传感器2、无线通信模块3、供电电池4和电源管理电路9均设置于电路板上；

外壳及夹具10表面设置放置太阳能充电电路的通道。

在一个具体的实施例中，运维人员对监测装置的电路板进行测试：由于电路板多采用低功耗模块，太阳能充电板5能够使监测装置持续工作；电路板的尺寸在50mm×60mm以内，对应地减少了外壳与夹具10的尺寸与重量，减少了爬杆工人的安装作业时长以及难度；电路板的价格估计在80元以内，经济性很好。

在一个具体的实施例中，如图1和图2所示，一种输电铁塔状态监测装置通过外壳及夹具10安装在输电铁塔节点上，具体如下：

外壳及夹具10包括装置外盒15、夹具12和太阳能充电板支架14；

输电铁塔多用角钢搭建而成，关键节点处的角钢截面如输电线路铁塔的角铁11所示；夹具12采用两片‘L’型的金属块与输电线路铁塔的角铁11相配合，‘L’型的金属块两端设置螺孔，夹具12的材料采用铝合金。

采用固定螺栓螺母13穿过夹具12两端的螺孔使夹具12的两片‘L’型的金属块夹紧输电线路铁塔的角铁11；

太阳能充电板5通过太阳能充电板支架14固定在夹具12上，且可以通过太阳能充电板支架14设置太阳能充电板5具有最佳向光角度。太阳能充电板5引出供电导线16，供电导线16穿过装置外盒15为供电电池4供电。供电导线16与太阳能充电板5连接处、穿越装置外盒15处以及供电导线16本身都进行防水处理，供电导线16采用加厚橡胶绝缘外皮，供电导线16与太阳能充电板5连接处与供电导线16装置外盒15处用橡胶圈密封。装置外盒15焊接在夹具12上。

目前，电网二次系统对于输电铁塔的检测仍缺乏有效手段，本输电铁塔状态监测装置提供了解决此问题的思路，对透明电网的建设有较大意义。

以上所述，仅为本发明较佳的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。