CN212300586U - 一种电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置属于电子信息工程领域内的电气设备及电气工程领域，是一种振动监测装置。包括振动传感器和控制盒；振动传感器和控制盒相对固定安装在电力杆塔上；在控制盒内设有控制电路板和电源模块，在控制电路板上装有信号采集模块、A/D数模转换器、中央处理器、存储模块、人机交互模块、信号发送模块和声光告警模块；在控制盒上设有人机交互接口，所述人机交互接口内部通过数据线与人机交互模块相连；信号采集模块与A/D数模转换器相连；中央处理器分别与A/D模数转换器、存储模块、人机交互模块、信号发送模块以及声光告警模块相连；人机交互模块与中央处理器双向通讯。
Description
技术领域
本实用新型一种电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置属于电子信息工程领域内的电气设备及电气工程领域，是一种振动监测装置。
背景技术
电力杆塔由于被架设在自然环境迥异的地区，常常存在着被外力破坏的现象。所述外力破坏的主要原因包括：
(1)车辆、植物、机械等外物直接触碰、冲击杆塔；
(2)目的为盗取电力设施的切割塔材、违章攀爬、拆解螺栓等行为。
当前应对外力破坏的措施，主要是采取视频监控。但视频监控由于清晰度不够或视野被遮挡的原因，一般观察不到杆塔细节，加上由于电源及数据带宽限制，视频监控不能实时监测，所以对于一些外力破坏存在着反应不及时的缺点。例如，遇到夜晚发生的车辆碰撞杆塔、盗取塔材，或者白天发生的视频监控盲区内车辆碰撞杆塔、杆塔附近堆取土事件，常规的处置方法是等待白天视频监控人员发现或者巡线人员发现并反馈，存在着反馈不及时或遗漏的问题。临近杆塔施工具有周期性短、突发性强等特点。从经济性、装置可重复利用考虑，需要一种易装卸便携,并能及时监测并反馈破坏情况的监测装置。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对上述不足之处提供一种电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，感知振动信号，结合智能分析，通过实时监测杆塔振动，及早发现外力入侵杆塔现象，甚至在挖掘机、推土机、重型车辆等机械、车辆在临近且尚未触碰杆塔时，通过由地面传导至杆塔的振动达到提前发现外力入侵的目的。是一种实现方法简便、容易实现、诊断准确的电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置。
本实用新型是采取以下技术方案实现的：
电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，包括振动传感器和控制盒；所述振动传感器至少设有1个，相对固定安装在电力杆塔上；控制盒也相对固定安装在电力杆塔上，在控制盒内设有控制电路板和电源模块，在控制电路板上装有信号采集模块、A/D数模转换器、中央处理器、存储模块、人机交互模块、信号发送模块和声光告警模块；在控制盒上设有人机交互接口，所述人机交互接口内部通过数据线与人机交互模块相连；信号采集模块与A/D数模转换器相连；中央处理器分别与A/D模数转换器、存储模块、人机交互模块、信号发送模块以及声光告警模块相连；人机交互模块与中央处理器双向通讯；所述电源模块为控制电路板上的元器件提供工作电源。
所述中央处理器采用C8051F340芯片。
本装置通过人机交互接口与外部通信，所述人机交互接口满足 USB串口数据总线标准，既可以作为输入接口，也可以作为输出接口。支持的输入设备(即人机交互设备)包括按钮、触屏，可执行装置复位等操作。在该接口处连接笔记本电脑，可实现与中央处理器的通讯，可读取数据，或者向中央处理器写入程序。
信号采集模块采用低噪声电缆，用于与振动传感器连接，采集杆塔振动信号并确保电缆位置稳固，之后信号送到A/D模数转换器，进行模数转换，传送到中央处理器。
存储模块采用数据存储器，用于存储监测数据，方便以后查阅。所述数据存储器可采用Risym SD内存卡模块，用中央处理器直接驱动，与中央处理器采用SPI方式通讯。
所述信号发送模块用于将报警信号发送到移动监控终端，及时通知相关负责人员。所述移动监控终端包括手机以及其他支持GSM或 GPRS技术的终端。
声光告警模块用于通过LED闪光和声音信息向电力杆塔周围发出警示，使周围人群注意到电力杆塔的存在。
所述电源模块采用12V200AH锂电池供电，尺寸为30cm×24cm ×6cm，重量6kg，能至少提供1年稳定电能。中央处理器能采集电池电量信号，在电量低于10％时，中央处理器通过信号发送模块通知负责人员更换电池。本装置耗电量少，电池模块至少可持续供电一年，满足一般临近施工的监测周期要求。杆塔附近施工结束或外力入侵隐患解除后，基于本发明方法的装置可拆卸，供下一次使用。装置的控制盒尺寸为32cm×25cm×10cm，控制盒重量为9kg，易于携带、安装、拆卸。
本实用新型电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置结构简单、设计合理、易于安装和使用。本实用新型所涉及一种电力杆塔临近施工及外力入侵监测方法用C语言表述并写入中央处理器中，由中央处理器按照本实用新型方法采集并分析数据，发现临近施工或者外力入侵杆塔本体时，通过声光告警模块提醒杆塔周边人员、机械、车辆不要误碰杆塔。同时通过信号发送模块借由微信或短信平台通知供电职工前来查看。
一种电力杆塔临近施工及外力入侵监测方法，包括以下步骤：
(1)在距离地面垂直距离m米且位于杆塔本体位置处安装振动传感器，持续实时采集振动信号，其中m为有理数，当其为负值时说明传感器布置在地面以下的杆塔上；振动传感器自带的噪声，其时域数据的绝对值的最大值为Smax，为正有理数；
(2)在预定采样时间段时间内，按预设采样时间间隔T1采集杆塔振动加速度信号，得到振动数据序列V1(i)；
其中i＝1,2,3,…,G1,G1为整数，表示采集的振动数据的个数；取V1(i)中的最大值为V1max，V1max为正有理数；
(3)将振动信号中的最大值V1max与传感器噪声进行对比；
当V1max<B×Smax时，说明此时无异常振动信号，此时回到步骤(2)进行重新采样；
当V1max≥B×Smax时，说明有异常振动信号，此时进入步骤 (4)；
其中，B为大于1的正有理数；
(4)将振动数据序列V1(i)进行傅里叶变换，得到频率、幅值对 (p1(j),f1(j))；
其中：p1(j)为频率，j＝1,2,3,…,D1，D1为正整数；
f1(j)为幅值，是以p1(j)为频率的正弦分量对应的幅值， j＝1,2,3,…,D1；V1(i)在频域内包含以p1(j)为频率、以f1(j) 为幅值的j个正弦分量；将频率、幅值对(p1(j),f1(j))作成频谱图；
(5)在临近电力杆、铁塔半径c米范围内施工，或有外力入侵电力杆、铁塔上时，振动信号中会有aHz到bHz的振动信号分量，其中a、b均为正有理数且a<b；同时为了避免传感器本身噪声的影响，所以在频谱图中取出满足条件a<p1(j)<b且 f1(j)≥B×Smax的D2个波峰峰值；其中，k＝1,2,3,…,D2,D2为正整数；
按如下方式求能量和H：
(6)若H≥Y，则判定有电力杆塔临近施工或外力入侵；否则，判定没有电力杆塔临近施工或外力入侵；其中，Y为阈值，是正有理数。
步骤(1)中m取值为2.5。
步骤(1)中所述振动信号为加速度信号。
当振动传感器采用JF-2020型压电传感器时，步骤(1)中的Smax 值为0.0002米/秒2；振动传感器可通过磁铁吸附于铁质杆塔上，或者通过增加构件、螺栓等使振动传感器紧密固定于铁质杆塔或其它材质杆塔本体上。所述构件可采用抱箍、铁片等材料。
步骤(3)中B取值为5000。
步骤(5)中c取值为2；步骤(5)a、b取值分别为80和1000。
步骤(6)中阈值Y＝20。
我们发现，杆塔上的导线振动和舞动会传递至杆塔，杆塔在风载激励下也会产生振动。而风载下导线振动、舞动以及杆塔振动频率在 20Hz以内，在本实用新型考察频率段80～1000Hz之外，因此不影响本方法。杆塔临近施工及外力入侵特征频率80～1000Hz由实验得到。
本实用新型采用上述技术方案带来的有益效果是：
1)有效性
风载下导线振动、舞动以及杆塔振动频率在20Hz以内，在本实用新型考察频率段80～1000Hz之外，因此不影响本方法。杆塔临近施工及外力入侵特征频率80～1000Hz由实验得到。并且异常振动信号在幅值上远大于传感器自带噪声信号，且传感器噪声频段在50Hz 以下，不会影响80～1000Hz特征信号。
2)耗电少、易装卸、便于携带；
基于本实用新型采用的是振动传感器和微处理器，耗电少，可实时持续监测。监测时，若时域振动信号V1max<B×Smax，则只需监测传感器信号，不需进行傅立叶变换。只有在V1max≥B×Smax 时才会进行傅立叶变换及进一步数据处理。这样可以减少微处理器工作复杂度，减少装置耗电。
基于本发明方法的装置耗电量少，电池模块可持续供电一年，满足一般临近施工的监测周期要求。杆塔附近施工结束或外力入侵隐患解除后，基于本发明方法的装置可拆卸，供下一次使用。装置的控制盒尺寸为32cm×25cm×10cm，控制盒重量为9kg，易于携带、安装、拆卸。
3)本实用新型所能监测到的内容包括临近杆塔的挖掘机、推土机、重型车辆等可以产生地面振动并传导至杆塔的机械施工、车辆通过现象；车辆、植物、机械等外物直接触碰、冲击杆塔现象；切割塔材、违章攀爬、拆解螺栓等行为；其它可以在杆塔上产生振动的现象或经由地面等介质将振动传递至杆塔的现象。
附图说明
以下将结合附图对本实用新型作进一步说明：
图1是本实用新型电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置的控制电路板上模块连接示意图；
图2是本实用新型电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置的安装位置示意图；
图3是本实用新型具体实施方式中杆塔无异常振动信号时域图。
图4是本实用新型具体实施方式中杆塔无异常振动信号频谱图。
图5是本实用新型具体实施方式中杆塔有异常振动信号时域图。
图6是本实用新型具体实施方式中杆塔有异常振动信号频谱图。
图中：1、电力杆塔(杆塔)，2、振动传感器，3、控制盒。
具体实施方式
下面结合附图1～6和具体实施例，对本实用新型做详细说明。
参照附图1～2，电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，包括振动传感器2和控制盒3；所述振动传感器2至少设有1个，相对固定安装在电力杆塔1上；控制盒3也相对固定安装在电力杆塔1上，在控制盒3内设有控制电路板和电源模块，在控制电路板上装有信号采集模块、A/D数模转换器、中央处理器、存储模块、人机交互模块、信号发送模块和声光告警模块；在控制盒上设有人机交互接口，所述人机交互接口内部通过数据线与人机交互模块相连；信号采集模块与A/D数模转换器相连；中央处理器分别与A/D模数转换器、存储模块、人机交互模块、信号发送模块以及声光告警模块相连；人机交互模块与中央处理器双向通讯；所述电源模块为控制电路板上的元器件提供工作电源。
信号采集模块采用低噪声电缆，用于与振动传感器2连接，采集杆塔振动信号并确保电缆位置稳固，之后信号送到A/D模数转换器，进行模数转换，传送到中央处理器。
本实施例中，所述信号发送模块采用SIM800C模块，用于将报警信号发送到移动监控终端，及时通知相关负责人员。所述移动监控终端包括手机以及其他支持GSM或GPRS技术的终端。
声光告警模块采用市售的小型声光报警器，用于通过LED闪光和声音信息向电力杆塔周围发出警示，使周围人群注意到电力杆塔的存在。
所述电源模块采用12V200AH锂电池供电，能长时间提供稳定电能。中央处理器能采集电池电量信号，在电量低于10％时，中央处理器通过信号发送模块通知负责人员更换电池。
实际应用中，电力杆塔包括水泥杆、钢管塔、钢管杆、角钢塔等。考虑到需进行外力破坏试验，本实施例对一根退役待拆除110kV钢管杆进行试验。
钢管杆的参数如表1所示。
表1钢管杆参数
| 电压等级/kV | 导线 | 钢管材质 | 呼高/m | 单基重量/kg |
| 110 | 双回、单分裂 | Q420钢 | 12 | 5104.04 |
在距离地面2.5米处钢管杆上通过磁铁吸附方式固定JF2020型传感器，用于监测振动加速度信号。
本实施例步骤如下：
1)在预定采样时间段1秒时间内按预设采样时间间隔0.0001秒采集杆塔振动加速度信号。此时无异常振动，得到的信号为传感器本身噪声信号，其时域信号绝对值最大值对应图3中点(0.0765， -0.0002278)，表明在0.0765秒，时域信号绝对值最大， Smax＝0.0002278。为说明本实用新型，对时域信号进行傅里叶变换，得到杆塔无异常振动信号频谱，如图4所示，可以看出无异常振动时振动信号主要为传感器噪声且其主要振动分量频率在50Hz 以下。本实用新型实际运用时，在V1max<B×Smax时不会进行傅里叶变换。
2)使用锤子敲击钢管塔，模拟植物和机械、车辆触碰、冲击杆塔以及切割杆塔、拆解螺栓等现象。在预定采样时间段1秒时间内按预设采样时间间隔0.0001秒采集杆塔振动加速度信号。得到振动数据序列V1(i)，其中i＝1,2,3,…,G1,G1＝10000，G1表示采集的振动数据的个数。
3)步骤2)中采集数据其时域信号绝对值最大值对应图5中点 (0.5358，6.68)，表明在0.5358秒，时域信号绝对值最大，即 V1max＝6.68。而B＝5000，比较得到V1max>B×Smax，说明有异常振动信号，此时进入第4)步。
4)将V1(i)进行傅里叶变换，得到频率、幅值对(p1(j),f1(j))，其中：p1(j)为频率，j＝1,2,3,…,D1， D1为正数，D1表示采集的振动数据的个数；f1(j)为幅值，是以 p1(j)为频率的正弦分量对应的幅值，j＝1,2,3,…,D1。V1(i) 在频域内包含以p1(j)为频率、以f1(j)为幅值的j个正弦分量。将频率、幅值对(p1(j),f1(j))作成频谱图，如图6所示。
5)在频谱图(即图6)中取出满足条件a<p1(j)<b且 f1(j)≥B×Smax的D2个波峰峰值。其中， k＝1,2,3,…,D2,D2为正整数，此信号D2＝4，见图6中标出的4个点。按如下方式求能量和H：
此信号能量和H＝1.5452+1.7072+1.5532+6.362＝48.16。
6)而Y＝20，显然H>Y，则判定有电力杆塔临近施工或外力入侵。
本实用新型所能监测到的内容包括：
1)临近杆塔的挖掘机、推土机、重型车辆等可以产生地面振动并传导至杆塔的机械施工、重型车辆通过现象；
2)车辆、植物、机械等外物直接触碰、冲击杆塔现象；
3)切割塔材、违章攀爬、拆解螺栓等行为；
4)其它可以在杆塔上产生振动的现象或经由地面等介质将振动传递至杆塔的现象。
本实用新型的监测方法不局限于上述实施例具体方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本实用新型要求的保护范围。
Claims (11)
1.一种电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，其特征在于：包括振动传感器和控制盒；所述振动传感器相对固定安装在电力杆塔上；控制盒也相对固定安装在电力杆塔上，在控制盒内设有控制电路板和电源模块，在控制电路板上装有信号采集模块、A/D数模转换器、中央处理器、存储模块、人机交互模块、信号发送模块和声光告警模块；在控制盒上设有人机交互接口，所述人机交互接口内部通过数据线与人机交互模块相连；信号采集模块与A/D数模转换器相连；中央处理器分别与A/D模数转换器、存储模块、人机交互模块、信号发送模块以及声光告警模块相连；人机交互模块与中央处理器双向通讯；所述电源模块为控制电路板上的元器件提供工作电源。
2.根据权利要求1所述的电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，其特征在于：所述振动传感器至少设有1个。
3.根据权利要求1所述的电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，其特征在于：所述中央处理器采用C8051F340芯片。
4.根据权利要求1所述的电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，其特征在于：所述人机交互接口满足USB串口数据总线标准，既能作为输入接口，也能作为输出接口；支持的输入设备包括按钮、触屏和笔记本电脑，能执行装置复位、读取存储器数据、向中央处理器写入程序操作。
5.根据权利要求1所述的电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，其特征在于：所述信号采集模块采用低噪声电缆，用于与振动传感器连接。
6.根据权利要求1所述的电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，其特征在于：存储模块采用数据存储器，用于存储监测数据；所述数据存储器采用Risym SD内存卡模块，用中央处理器直接驱动，与中央处理器采用SPI方式通讯。
7.根据权利要求1所述的电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，其特征在于：所述信号发送模块用于将报警信号发送到移动监控终端。
8.根据权利要求1所述的电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，其特征在于：声光告警模块采用声光报警器。
9.根据权利要求1所述的电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，其特征在于：所述电源模块采用12V200AH锂电池供电。
10.根据权利要求1所述的电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，其特征在于：信号发送模块采用SIM800C模块，用于将报警信号发送到移动监控终端；所述移动监控终端包括支持GSM或GPRS技术的终端。
11.根据权利要求10所述的电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置，其特征在于：所述移动监控终端包括手机。
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|---|---|---|---|
| CN202021292130.4U CN212300586U (zh) | 2020-07-03 | 2020-07-03 | 一种电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置 |
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| CN202021292130.4U CN212300586U (zh) | 2020-07-03 | 2020-07-03 | 一种电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111595435A (zh) * | 2020-07-03 | 2020-08-28 | 国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司 | 一种电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置及其监测方法 |
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2020
- 2020-07-03 CN CN202021292130.4U patent/CN212300586U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN111595435B (zh) * | 2020-07-03 | 2024-12-31 | 国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司 | 一种电力杆塔临近施工及外力入侵监测装置及其监测方法 |
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