FBG傳感器在物聯(lián)網(wǎng)高壓輸電設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng)的應用研究*

陳飛，崔健，楊建華

(1. 超高壓輸電公司 貴陽局，貴陽 550002；2. 中國電建集團 貴州電力設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550002)

0 引 言

高壓輸電設(shè)備是我國電力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，大部分高壓鐵塔分布在距離城市較遠的郊區(qū)或野外，暴風、冰雪和雨水腐蝕對鐵塔塔身結(jié)構(gòu)影響較大，受制于人工定期巡檢的主觀因素影響，國內(nèi)輸電設(shè)備運行存在安全隱患無法及時排除，突發(fā)情況應對效率低和系統(tǒng)長期穩(wěn)定性差等問題[1-2]。目前，高壓輸電設(shè)備的主要健康監(jiān)測方法包括飛行器定期、定點巡邏檢查，機器人定期、定點巡邏檢查，SAR衛(wèi)星監(jiān)測和光纖光柵(FBG)傳感器監(jiān)測。其中，光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)簡單且靈敏度高，具有抗電磁干擾、防雷擊、耐腐蝕和精度高等特點，在輸電鐵塔強電磁干擾環(huán)境中優(yōu)勢明顯。通過將應變、溫度和壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)化為波長并進行測量，進而計算傳感器的波長變化就可以得出傳感器所處環(huán)境參數(shù)的變化。因此，F(xiàn)BG傳感器在輸電鐵塔健康監(jiān)測應用中具有較為顯著的優(yōu)勢[3-4]。

物聯(lián)網(wǎng)是將信息感知、數(shù)據(jù)傳遞和智能分析通過傳感器、全球定位系統(tǒng)、有線(或無線)傳輸網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器等硬件與軟件整合，實現(xiàn)對監(jiān)測物體整體或局部的認識、觀察、監(jiān)控和智能管理的新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，涉及計算機、通信工程、微電子與傳感器和定位與測量等多個領(lǐng)域的交叉學科，其關(guān)鍵技術(shù)為[5]：

(1)感知和識別技術(shù)，其中感知技術(shù)利用傳感器獲取監(jiān)測物體的位移、溫度、受力分布和局部載荷大小等信息，是組成物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)模塊。識別技術(shù)包括監(jiān)測物體的位置、地理信息識別和物體識別，射頻識別(RFID)在當前物體識別技術(shù)中占據(jù)主導地位，由低頻、高頻和超高頻識別技術(shù)組成。其中，超高頻識別技術(shù)的有效識別范圍大，設(shè)備安裝和維護保養(yǎng)的成本低，未來有可能成為RFID技術(shù)的主要發(fā)展方向。位置識別和地理識別的主要技術(shù)基礎(chǔ)分別為全球定位系統(tǒng)(GPS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)，兩者協(xié)同工作可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺下的位置信息和空間分布信息的采集與管理；

(2)節(jié)點設(shè)計技術(shù)，細分為感知節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點。其中，感知節(jié)點間隔距離較短，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)連接，負責獲取監(jiān)測物體的物理信息。感知節(jié)點與應用層之間通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接，感知節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點共同構(gòu)成異種異構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；

(3)組網(wǎng)與通信技術(shù)，即服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)的信息和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，常用技術(shù)包括GSM、GPRS、WiMAX、Wi-Fi、ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)和光纖、電力載波通信等有線通信技術(shù)；

(4)信息處理技術(shù)，用于智能分析和處理感知層獲得的大量數(shù)據(jù)。信息處理模塊是物聯(lián)網(wǎng)的重要中樞神經(jīng)，物聯(lián)網(wǎng)的工作過程往往伴隨著海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，信息處理模塊的速度直接影響物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的時效性。

圖1為基于物聯(lián)網(wǎng)的高壓輸電設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖，F(xiàn)BG傳感器感知鐵塔主材應變后，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞至應用層，最終通過嵌入式控制終端或管理員手機將信息反饋給管理員。

對于輸電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)而言，感知層傳感器的工作穩(wěn)定性和傳輸層網(wǎng)絡(luò)通信速度直接影響到監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確度和時效性[6]。文中確定由ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GSM模塊協(xié)同完成輸電鐵塔主材應變數(shù)據(jù)的無線傳輸工作，進而著重分析感知層FBG傳感器測量原理和傳感器數(shù)據(jù)的處理方法。

圖1 高壓輸電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)框架

1 FBG傳感器測量原理

通過對輸電鐵塔力學模型的有限元分析，得出鐵塔變形初期(鐵塔傾斜在0～10°之間)塔身偏下部分的應變最大，隨著重力載荷的持續(xù)性影響，變形開始向頂部擴展直至倒塌[7]。對于鐵塔工作狀態(tài)監(jiān)測的目的在于當鐵塔處于變形初期時，立即采用有效手段阻止變形的進一步擴展，故選擇光纖布拉格光柵(FBG)傳感器的安裝位置如圖1所示。對于輸電鐵塔健康狀態(tài)的監(jiān)測，就是對塔身主材受力導致FBG傳感器處應變變化的測量[8]。將FBG傳感器安裝在圖2中的鐵塔塔身主材上，當外界條件變化使得橫擔所受垂直向下的力G和電纜提供的水平張力FT的大小和角度變化時，主材內(nèi)里的變化會因此FBG傳感器安裝位置所對應主材應變發(fā)生變化。FBG傳感器將測量得到的線應變轉(zhuǎn)化為中心波長位移并利用通信網(wǎng)絡(luò)將其傳遞至數(shù)據(jù)處理模塊，通過中心波長位移量與橫擔所受垂直向下的力G、電纜張力FT和應變Δε的關(guān)系即可對鐵塔的工作狀況進行描述。

圖2 輸電鐵塔FBG傳感器的安裝位置

鐵塔塔身結(jié)構(gòu)可以簡化為空間桁架，而往往可以將空間桁架分解成平面桁架對桁架內(nèi)桿件進行受力分析。將輸電鐵塔AB側(cè)面和CD側(cè)面簡化為矩形平面桁架并分別設(shè)為1-1截面和2-2截面，載荷在這兩個截面的受力分析如圖3所示。

圖3 左側(cè)和右側(cè)平面桁架截面的受力分析

根據(jù)理論力學計算鐵塔主材內(nèi)力：

(1)

式中G為垂直向下的力；FT為水平方向的拉力；b為鐵塔主材高度；a為主材寬度。

根據(jù)胡克定律：

(2)

式中FN為組成主材受到的軸向力；A為主材截面積。

正應力σ與軸向力FN的關(guān)系為：

(3)

將公式(3)代入公式(2)中，得：

(4)

傳感器的布拉格中心波長分別由光柵和光纖的周期和有效折射率決定，這兩個參數(shù)的變化會引起布拉格波長的移位，應變值的變化會改變上述兩個參數(shù)，使得布拉格波長發(fā)生變化，布拉格波長移位與應變的關(guān)系為：

ΔλB=λB(1-pe)Δε

(5)

式中ΔλB為布拉格中心波長；Δε為軸向應變量；ΔλB為Δε對應產(chǎn)生的布拉格中心波長移位；pe為有效彈光系數(shù)；ΔλB(1-pe)為應變系數(shù)。

將公式(4)代入公式(5)中，得：

(6)

將公式(1)代入公式(6)中替換FN可得到FBG傳感器中心波長位移量ΔλB與鐵塔主材的關(guān)系：

(7)

公式(7)可由矩陣表示為：

(8)

根據(jù)線形最小二乘法最終可轉(zhuǎn)化為：

(9)

(10)

FBG傳感器的應變量可表示為：

(11)

2 FBG傳感器性能測試

為了檢驗FBG應變傳感器的實際性能，利用QJ-212拉壓試驗機對S1、S2、S3和S4傳感器進行拉力試驗，根據(jù)拉力試驗機顯示的拉力值對四個FBG傳感器進行標定。在拉力試驗機上從0 kN開始分5次每次逐漸增加10 kN，每次加載到要求載荷后保持15 min鐘內(nèi)拉力不變，待波長穩(wěn)定后分別記錄各載荷對應的波長，載荷加載至15 kN時完成加載過程試驗。從50 kN開始每次減小10 kN并按加載過程記錄各載荷下的波長直至載荷為0 kN，完成卸載過程試驗。加載和卸載過程FBG傳感器S1、S2、S3和S4所對應的載荷與中心波長關(guān)系擬合曲線如圖4所示，表1為傳感器性能測試結(jié)果。據(jù)此可以得出，四個傳感器的線性度和靈敏度較高，誤差較小，可以滿足輸電鐵塔變形的測量要求。

圖4 左側(cè)和右側(cè)平面桁架截面的受力分析

表1 FBG傳感器性能測試結(jié)果

3 FBG傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

對于FBG傳感器而言，光子和電子的無規(guī)則波動是影響系統(tǒng)測量精度的主要因素。在分析噪聲中的光子和電子對系統(tǒng)的影響時，假設(shè)系統(tǒng)為線性，根據(jù)平方率效應，將光子無規(guī)則波動所產(chǎn)生的噪聲轉(zhuǎn)化為電子噪聲，所有電子噪聲疊加后組成系統(tǒng)噪聲[9]。在傳統(tǒng)傳感網(wǎng)測量應用中，大多采用多傳感器數(shù)據(jù)融合對被測對象進行評價和估計。但是，大量多組數(shù)據(jù)的分組、篩選、處理和總結(jié)不僅是對分析系統(tǒng)能力的極大考驗，對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)也提出了較高的要求，對于其系統(tǒng)噪聲的處理目前也沒有較為優(yōu)秀的方法[10]。在鐵塔工作狀態(tài)監(jiān)測中，采用單個FBG傳感器并通過標準差的加權(quán)平均時序融合方法處理數(shù)據(jù)，既可以去除系統(tǒng)噪聲，也有利于簡化系統(tǒng)，獲得的測量結(jié)果可靠性更高。

在FBG傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中，異常值會對系統(tǒng)的測量結(jié)果產(chǎn)生很大影響，進而使得數(shù)據(jù)融合過程產(chǎn)生較大誤差，依據(jù)拉依達準則對采集得到的數(shù)據(jù)進行一致性檢驗，先求得測量結(jié)果的均值和剩余誤差，再利用貝塞爾公式計算標準差，當某個測量結(jié)果殘差在標準差3倍以上時，即認為該值為異常值進行剔除。以表2中的某半年內(nèi)FBG傳感器采集到的12個應變樣本值為例，現(xiàn)判斷x6=84.52是否為異常值。

表2 某FBG傳感器采集的12個樣本值

由于3s=25.47，則x6的殘余誤差為|g6|=|84.52-58.6|=25.92>3s，故該值為異常值，應被剔除。

通過對多組數(shù)據(jù)的觀察和整理發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BG傳感器獲得的真實值多呈現(xiàn)正態(tài)分布的特點，故選取標準差與加權(quán)平均組合的時序融合算法對數(shù)據(jù)進行處理。將某時間段內(nèi)若干個監(jiān)測結(jié)果進行一致性檢驗并剔除異常值后，將其分為兩組。以主材應變測量過程為例，設(shè)被測主材實際應變大小為S0，則被測主材應變測量結(jié)果可由公式表示為：

S=HS0+N

(12)

設(shè)第一組監(jiān)測結(jié)果的數(shù)據(jù)為：S11，S12，…，S1m，m≤10。

設(shè)第二組監(jiān)測結(jié)果的數(shù)據(jù)為：S21，S22，…，S2n，n≤20-m。

計算兩組監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為：

(13)

(14)

標準差為：

(15)

(16)

將第一組和第二組的監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)組合，根據(jù)公式(3)可得：

(17)

(18)

式中HT為H的轉(zhuǎn)置矩陣；R為測量噪聲的協(xié)方差；E為單位矩陣，則：

(19)

最終的時序融合值Sa為：

(20)

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，時序融合算法是在將兩組監(jiān)測數(shù)據(jù)提出異常值后獲得真實值的基礎(chǔ)上，根據(jù)標準差算和加權(quán)平均算法對監(jiān)測值進行處理并以此來估計被測對象實際值的過程。在這一過程中，算法為兩組數(shù)據(jù)中方差較大的一組數(shù)據(jù)賦予較小權(quán)值，反之，方差較小的一組數(shù)據(jù)賦予較大權(quán)值。相比于直接計算算術(shù)平均值的過程，以時序融合值計算出的輸電鐵塔主材靜態(tài)應變值更加準確，與主材實際應變也更接近。值得注意的是，對于主材應變的時序融合分析過程同樣適用于對橫擔所受垂直向下的力G和電纜提供的水平張力FT的數(shù)據(jù)處理中。

4 工程應用與分析

選取某地區(qū)輸電鐵塔2017年11月1日到2018年4月28日期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)為樣本，選取安裝在鐵塔主材上的4只FBG傳感器在該期間采集獲得的樣本數(shù)據(jù)剔除異常值后分成兩組并進行時序融合，結(jié)果如表3所示。

表3 監(jiān)測數(shù)據(jù)時序融合分析結(jié)果

對于輸電鐵塔工作穩(wěn)定性的實時監(jiān)測，一方面要求系統(tǒng)能實時表現(xiàn)出傳感器安裝位置鐵塔主材的應變情況，另一方面根據(jù)時序融合算法對選擇時間段內(nèi)鐵塔工作狀態(tài)進行分析并以此為依據(jù)對輸電鐵塔工作穩(wěn)定性進行整體把控。目前，該系統(tǒng)可以完成對輸電鐵塔受力G、FT和應變值Δε的實時監(jiān)控與時序融合分析，圖5為監(jiān)控系統(tǒng)對2017年11月1日到2018年4月28日期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)時序融合分析結(jié)果。其中，在鐵塔工作健康狀態(tài)的實時監(jiān)控中，可視化界面數(shù)據(jù)刷新速度主要由傳感器信息采集時間決定，在大部分實際工況中，數(shù)據(jù)的刷新時間約為1分鐘，既可以滿足鐵塔工作狀態(tài)監(jiān)控的精度要求，也避免了數(shù)據(jù)刷新過于頻繁對傳感器和數(shù)據(jù)傳輸模塊帶來過大的工作負載，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。

圖5 鐵塔工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)可視化界面

圖6為有限元仿真獲得的輸電鐵塔傾斜角度與應變關(guān)系，當輸電鐵塔傾斜角度分別為3°、6°和10°時，傳感器所對應的主材應變分別為和391，經(jīng)時序融合獲得的輸電鐵塔應變值在61附近，所對應的輸電鐵塔傾斜角度為1.56°，說明該期間內(nèi)輸電鐵塔的工作狀態(tài)比較健康。

圖6 輸電鐵塔傾斜角度與測量位置應變關(guān)系

5 結(jié)束語

通過分析FBG傳感器的測量原理，確定了橫擔所受垂直向下的力G、電纜提供的水平張力FT和主材應變Δε與中心波長位移量的關(guān)系，提出了FBG傳感器測量數(shù)據(jù)剔除異常值和時序融合過程，將FBG傳感器的測量和數(shù)據(jù)處理過程應用于工程實踐中，獲得應變量分別為61.67、61.37、61.97和61.82。通過對FBG傳感器測量數(shù)據(jù)的時序融合處理，提高了傳感器對鐵塔工作狀態(tài)監(jiān)測的準確性。