基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统及预警方法与流程

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1.本发明属于电气自动化领域，具体涉及一种基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统及预警方法。

背景技术：

2.随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保障电能的稳定可靠供应，就成为了电力系统最重要的任务之一。输电线路是电力系统的重要组成部分，输电线路铁塔则是输电线路中最重要的部件。保障输电线路铁塔的安全，就成为了电力系统的重要任务。
3.螺栓连接是输电线路铁塔装配中的重要装配方式，几乎涉及到输电线路铁塔的所有部件。输电线路铁塔安装完成后，螺栓的状态就能够实时反映当前输电线路铁塔的状态；因此，实时对输电线路铁塔螺栓进行监测，就能够实时反映输电线路铁塔的状态，从而有效防止输电线路铁塔的倒塔，或者对输电线路铁塔状态进行预警。
4.但是，目前尚没有专门的针对输电线路铁塔螺栓的监测装置和对应的输电线路铁塔防塔倒系统；这使得目前的铁塔防塔倒的预警方法，可靠性不高，而且精确性欠佳。

技术实现要素：

5.本发明的目的之一在于提供一种可靠性高且精确性好的基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统。
6.本发明的目的之二在于提供一种包括所述基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统的预警方法。
7.本发明提供的这种基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统，包括电源模块、螺栓监测模块、主机模块、无线通信模块和服务器模块；螺栓监测模块和无线通信模块均与主机模块连接，无线通信模块还与服务器模块连接；电源模块为所述预警系统供电；螺栓监测模块用于对螺栓的应力状态进行监测，并将监测数据上传主机模块；主机模块用于接收螺栓的监测数据，并将数据上传无线通信模块；无线通信模块用于将接收到的数据发动到服务器模块；服务器模块用于根据接收到的数据，进行输电线路铁塔的防倒塔预警。
8.所述的电源模块为太阳能板供电模块。
9.所述的主机模块为工控机模块或工业控制器模块。
10.所述的无线通信模块为4g无线通信模块。
11.所述的螺栓监测模块包括监测电源电路、监测指示电路、监测传感器通信电路、监测通信电路、监测存储电路、监测控制器电路和监测传感器电路；监测传感器电路与监测传感器通信电路连接；监测指示电路、监测传感器通信电路、监测通信电路和监测存储电路均与监测控制器电路连接；监测电源电路给所述螺栓监测模块供电；监测指示电路用于接收监测控制器电路下发的指令，并指示所述螺栓监测模块的工作状态；监测传感器通信电路
用于接收监测传感器电路的传感数据，并将数据上传监测控制器电路；监测通信电路用于所述螺栓监测模块与外部进行数据通信；监测存储电路用于存储所述螺栓监测模块的工作数据和参数；监测控制器电路用于控制所述螺栓监测模块的工作；监测传感器电路用于对铁塔的螺栓进行实时监测，并将传感数据上传监测传感器通信电路。
12.所述的监测电源电路为由型号为ams1117-3.3的电源芯片构成的电路。
13.所述的监测指示电路包括若干路指示灯电路；每一路指示灯电路包括指示限流电阻和指示灯；指示限流电阻的一端连接监测控制器电路的输出引脚，指示限流电阻的另一端连接指示灯的阳极，指示灯的阴极接地。
14.所述的监测传感器通信电路为由型号为max232的通信芯片构成的电路。
15.所述的监测通信电路为由型号为tja1050的can通信芯片构成的电路。
16.所述的监测存储电路为由型号为24c01的存储芯片构成的电路。
17.所述的监测控制器电路为由nuc1系列的控制器构成的电路。
18.所述的监测传感器电路为超声波传感器电路。
19.本发明还提供了一种包括所述基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统的预警方法，具体包括如下步骤：
20.s1.将所述基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统安装在输电线路铁塔上；
21.s2.在螺栓正常工作状态下，获取螺栓监测模块所监测到的正常数据，并将该正常数据作为基准数据；
22.s3.在输电线路铁塔的运行阶段，获取螺栓监测模块所监测到的实时数据；
23.s4.将步骤s3获取的实时数据与步骤s2得到的基准数据进行对比，实现输电线路铁塔的防倒塔预警。
24.本发明公开的这种基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统及预警方法，通过对输电线路铁塔螺栓的实时监测，不仅实现了输电线路铁塔的防倒塔预警，而且本发明的预警结果更加精确，可靠性更高。
附图说明
25.图1为本发明系统的功能模块示意图。
26.图2为本发明系统中螺栓监测模块的功能模块示意图。
27.图3为本发明系统中螺栓监测模块的监测电源电路的电路原理示意图。
28.图4为本发明系统中螺栓监测模块的监测指示电路中三路指示灯电路的电路原理示意图。
29.图5为本发明系统中螺栓监测模块的监测传感器通信电路的电路原理示意图。
30.图6为本发明系统中螺栓监测模块的监测通信电路的电路原理示意图。
31.图7为本发明系统中螺栓监测模块的监测存储电路的电路原理示意图。
32.图8为本发明系统中螺栓监测模块的监测控制器电路的电路原理示意图。
33.图9为本发明方法的方法流程示意图。
具体实施方式
34.如图1所示为本发明系统的功能模块示意图：本发明提供的这种基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统，包括电源模块、螺栓监测模块、主机模块、无线通信模块和服务器模块；螺栓监测模块和无线通信模块均与主机模块连接，无线通信模块还与服务器模块连接；电源模块为所述预警系统供电；螺栓监测模块用于对螺栓的应力状态进行监测，并将监测数据上传主机模块；主机模块用于接收螺栓的监测数据，并将数据上传无线通信模块；无线通信模块用于将接收到的数据发动到服务器模块；服务器模块用于根据接收到的数据，进行输电线路铁塔的防倒塔预警。
35.具体实施时，电源模块可以采用太阳能板供电模块；主机模块可以采用工控机模块或工业控制器模块；无线通信模块可以采用4g无线通信模块。
36.如图2所示为本发明系统中螺栓监测模块的功能模块示意图：所述的螺栓监测模块包括监测电源电路、监测指示电路、监测传感器通信电路、监测通信电路、监测存储电路、监测控制器电路和监测传感器电路；监测传感器电路与监测传感器通信电路连接；监测指示电路、监测传感器通信电路、监测通信电路和监测存储电路均与监测控制器电路连接；监测电源电路给所述螺栓监测模块供电；监测指示电路用于接收监测控制器电路下发的指令，并指示所述螺栓监测模块的工作状态；监测传感器通信电路用于接收监测传感器电路的传感数据，并将数据上传监测控制器电路；监测通信电路用于所述螺栓监测模块与外部进行数据通信；监测存储电路用于存储所述螺栓监测模块的工作数据和参数；监测控制器电路用于控制所述螺栓监测模块的工作；监测传感器电路用于对铁塔的螺栓进行实时监测，并将传感数据上传监测传感器通信电路。
37.如图3所示为本发明系统中螺栓监测模块的监测电源电路的电路原理示意图：所述的监测电源电路为由型号为ams1117-3.3的电源芯片构成的电路；外部输入的5v电源电路，通过电容c15和c17接地滤波，然后输入到芯片u3的3脚；芯片u3的1脚为接地引脚并直接接地；芯片u3的2脚电源输出引脚，其直接输出稳定的3.3v电源信号3v3并对外供电；同时，电源信号3v3页通过接地电容c18、c19和c9接地并滤波；电容r31连接在芯片u3的3脚和2脚之间，该电阻为通用性设计的电阻，若外部直接供给3.3v电源时，该电阻选用0欧电阻(即短接)即可。
38.如图4所示为本发明系统中螺栓监测模块的监测指示电路中三路指示灯电路的电路原理示意图：所述的监测指示电路包括若干路指示灯电路；每一路指示灯电路包括指示限流电阻和指示灯；指示限流电阻的一端连接监测控制器电路的输出引脚，指示限流电阻的另一端连接指示灯的阳极，指示灯的阴极接地。
39.如图4所示的实施例，第一路指示灯电路包括指示限流电阻r8和指示灯ld1；第二路指示灯电路包括指示限流电阻r7和指示灯ld2；第三路指示灯电路包括指示限流电阻r6和指示灯ld3；三个指示灯的阴极均直接接地；三路指示灯电路的输入信号依次为led1、led2和led3，且该三路输入信号均连接到监测控制器电路的输出引脚。当第一路指示灯电路的输入信号为高电平(此时led1信号为高电平)时，此时指示灯ld1上电并点亮。
40.如图5所示为本发明系统中螺栓监测模块的监测传感器通信电路的电路原理示意图：所述的监测传感器通信电路为由型号为max232的通信芯片(图中标示u5)构成的电路；芯片的1脚和3脚之间，按照芯片要求串接电容c27；芯片的2脚则通过电容c29接地；芯片的4
脚和5脚之间也按照芯片要求串接电容c26；芯片的11脚和12脚为第一rs232通信引脚，该两引脚连接到监测控制器电路的第一通信引脚，并进行信号交互；芯片的10脚和9脚为第二rs232通信引脚，该两引脚同样连接到监测控制器电路的第二通信引脚，并进行信号交互；芯片的6脚通过电容c25接地；芯片的15脚为接地引脚，其直接接地；芯片的7脚和8脚同样为第二通信引脚，其通过接口jp1连接外部的监测传感器电路，并获取监测传感器电路上传的传感数据；芯片的13脚和14脚为第一通信引脚，其通过db9通信接口连接外部设备；芯片的16脚为电源引脚，其直接连接电源信号3v3，同时电源信号3v3页通过电容c28接地并滤波；
41.具体实施时，7脚和8脚依次对应于10脚和9脚，该四路引脚为第二通信引脚，芯片将7脚和8脚的信号对应转换到10脚和9脚，或者将10脚和9脚的信号对应转换到7脚和8脚，从而完成第二路总线信号的转换；类似的，11脚和12脚依次对应于14脚和13脚，该四路引脚为第一通信引脚，芯片将11脚和12脚的信号对应转换到14脚和13脚，或者将14脚和13脚的信号对应转换到11脚和12脚，从而完成第一路总线信号的转换。
42.如图6所示为本发明系统中螺栓监测模块的监测通信电路的电路原理示意图：所述的监测通信电路为由型号为tja1050的can通信芯片(图中标示u6)构成的电路；芯片的2脚为接地引脚，并直接接地；芯片的3脚为电源引脚，并连接电源信号5v并取电；芯片的1脚和4脚为通信引脚，其连接监测控制器模块并进行数据交互；芯片的5脚悬空，芯片的8脚直接接地；芯片的6脚和7脚为can通信引脚，其直接连接外部设备并以can通信总线的形式进行数据交互。
43.如图7所示为本发明系统中螺栓监测模块的监测存储电路的电路原理示意图：所述的监测存储电路为由型号为24c01的存储芯片(图中标示u7)构成的电路；芯片的4脚为接地引脚，并直接接地；芯片的1脚、2脚和3脚为地址设定引脚，该3脚均直接接地，从而设定芯片的通信地址；芯片的8脚为电源引脚，其直接连接5v电源信号并取电，同时5v电源信号也通过电容c10接地滤波；芯片的7脚为控制引脚，其直接接地，从而保证芯片工作的稳定性和引脚电平的稳定性；芯片的5脚和6脚为通信引脚，其直接连接监测控制器模块的通信引脚，并进行数据交互。
44.如图8所示为本发明系统中螺栓监测模块的监测控制器电路的电路原理示意图：所述的监测控制器电路为由nuc1系列的控制器(图中标示u1)构成的电路；芯片的2脚和3脚之间串接晶振x1，同时也通过晶振电容c1和c2接地，芯片的2脚和3脚用于从晶振x1处获取标准时钟信号；芯片的6脚和7脚为通信引脚，其依次连接监测存储电路中存储芯片的6脚和5脚，并进行数据交互；芯片的8脚和9脚为第二通信引脚，其连接监测传感器通信电路中通信芯片的9脚和10脚，并进行数据交互；芯片的11脚为电源引脚，并连接电源信号3v3并取电；芯片的12脚则直接接地；芯片的13脚和14脚为第一通信引脚，其连接监测传感器通信电路中通信芯片的12脚和11脚，并进行数据交互；芯片的19脚和20脚为通信引脚，其依次连接监测通信电路中can通信芯片的4脚和1脚，并进行数据交互；芯片的37脚、38脚和39脚为输出信号引脚，其依次连接监测指示电路中三路指示灯电路，并输出对应的信号，控制对应的指示灯的点亮和关闭；芯片的44脚和45脚同样为晶振信号引脚，其连接第二晶振x2并获取对应的第二时钟信号，同时该两引脚也通过各自的电容(c4和c3)接地。
45.如图9所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种包括所述基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统的预警方法，具体包括如下步骤：
46.s1.将所述基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统安装在输电线路铁塔上；
47.s2.在螺栓正常工作状态下，获取螺栓监测模块所监测到的正常数据，并将该正常数据作为基准数据；
48.s3.在输电线路铁塔的运行阶段，获取螺栓监测模块所监测到的实时数据；
49.s4.将步骤s3获取的实时数据与步骤s2得到的基准数据进行对比，实现输电线路铁塔的防倒塔预警。
50.本发明采用超声波传感器检测螺栓应力的具体工作过程如下：
51.基于超声波法的应力测量的理论依据是声弹理论；该理论描述了介质中的超声波传播声速与应力之间的准确关系。通俗地讲，介质处于受力态，超声进入该区域其传播的速度将发生变化，通过采集捕捉介质受力前后超声波声速的变化量应用声弹理论就可计算出应力的大小。
52.应力引起声速的变化是非常微弱的。在测量工作应力(或载荷应力)时，应变往往比声速的变化显著得多，使用超声测量应变求解应力的大小结合声弹理论修正声速，理论上，可使测量结果达到极高的精度。已知应力和应变在介质弹性范围内，满足胡克定律：
53.σ＝ε
·e54.式中σ为应力，ε为应变，e为弹性模量；
55.因此，利用超声测量工作应力的理论表达式近似表示为
56.σ＝(v+δv)δt
·e57.式中δt为两点之间声传播所需时间；δv为声弹理论方程式中所述的由于介质受力引起的声速变化量；v为材料声速；
58.然而，介质的应变除了受力引起外，还与温度有关。大量的实测数据论证了，由温度引起的应变不可忽略，必须做出温度补偿才能把测量误差控制合理的精度范围内。为此，工作应力测量的表达式进一步修正为
59.σ＝f(f,δv,δt)
60.式中δt为温度变化量；基于超声法的应力测量就是基于此测量表达式，经过复杂的信号处理和特征量提取，获取准确的应力值。
61.螺栓预紧力采用超声波直接实时测量，超声螺栓监测系统发射和接收超声波脉冲电信号、测量并计算发射和回波电信号之间时间差。通过时间差的测量，反馈螺栓受力长度的变化，从而测量螺栓预紧力。
62.超声波传输特性：超声波传递到两边密度差异较大的界面时会反弹。在螺栓头部往杆部发出超声波时开始计时，等到收到从杆端反弹回来的超声波时再计时，计算时间差。超声波的时间差代表了螺栓长度。
63.螺栓的标定：通过对螺栓动态施加拉力，并在此过程中记录螺栓所受轴力和超声波信号，并建立一个超声信号和轴力信号之间的一个比值关系。
64.通过螺栓长度的变化，折算出螺栓受力。
65.超声波能灵敏地反映被测件内部的信息，利用超声可无损测定被测对象积聚的应力。基于超声波声弹性理论的应力测量是利用了被测对象中超声波速与应力之间的存在固有的关系并将这种特性转为数字信号表征的力学定量检测系统。
66.具体实施时，在已紧固的螺栓上安装上应力传感器(本发明为超声波传感器)；然后，启动电源使超声波传感器正常工作；然后读取传感器中的超声波飞行时间，连续读取若干次的时间进行平均后定为基准飞行时间；
67.然后，传感器在设定时段内自动将飞行时间传到软件后台，后台将对飞行时间进行统计分析，如果发现飞行时间与基准飞行时间出现差异，在差异达到一定程度时出现预警，提醒工作人员到现场查看到塔风险，从而实现输电线路铁塔防倒塔的预警。

技术特征：

1.一种基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统，其特征在于包括电源模块、螺栓监测模块、主机模块、无线通信模块和服务器模块；螺栓监测模块和无线通信模块均与主机模块连接，无线通信模块还与服务器模块连接；电源模块为所述预警系统供电；螺栓监测模块用于对螺栓的应力状态进行监测，并将监测数据上传主机模块；主机模块用于接收螺栓的监测数据，并将数据上传无线通信模块；无线通信模块用于将接收到的数据发动到服务器模块；服务器模块用于根据接收到的数据，进行输电线路铁塔的防倒塔预警。2.根据权利要求1所述的基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统，其特征在于所述的电源模块为太阳能板供电模块。3.根据权利要求1所述的基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统，其特征在于所述的主机模块为工控机模块或工业控制器模块。4.根据权利要求1所述的基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统，其特征在于所述的无线通信模块为4g无线通信模块。5.根据权利要求1～4之一所述的基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统，其特征在于所述的螺栓监测模块包括监测电源电路、监测指示电路、监测传感器通信电路、监测通信电路、监测存储电路、监测控制器电路和监测传感器电路；监测传感器电路与监测传感器通信电路连接；监测指示电路、监测传感器通信电路、监测通信电路和监测存储电路均与监测控制器电路连接；监测电源电路给所述螺栓监测模块供电；监测指示电路用于接收监测控制器电路下发的指令，并指示所述螺栓监测模块的工作状态；监测传感器通信电路用于接收监测传感器电路的传感数据，并将数据上传监测控制器电路；监测通信电路用于所述螺栓监测模块与外部进行数据通信；监测存储电路用于存储所述螺栓监测模块的工作数据和参数；监测控制器电路用于控制所述螺栓监测模块的工作；监测传感器电路用于对铁塔的螺栓进行实时监测，并将传感数据上传监测传感器通信电路。6.根据权利要求5所述的基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统，其特征在于所述的监测电源电路为由型号为ams1117-3.3的电源芯片构成的电路；所述的监测指示电路包括若干路指示灯电路；每一路指示灯电路包括指示限流电阻和指示灯；指示限流电阻的一端连接监测控制器电路的输出引脚，指示限流电阻的另一端连接指示灯的阳极，指示灯的阴极接地。7.根据权利要求6所述的基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统，其特征在于所述的监测传感器通信电路为由型号为max232的通信芯片构成的电路；所述的监测通信电路为由型号为tja1050的can通信芯片构成的电路。8.根据权利要求7所述的基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统，其特征在于所述的监测存储电路为由型号为24c01的存储芯片构成的电路；所述的监测控制器电路为由nuc1系列的控制器构成的电路。9.根据权利要求8所述的基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统，其特征在于所述的监测传感器电路为超声波传感器电路。10.一种包括了权利要求1～9之一所述的基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统的预警方法，具体包括如下步骤：s1.将权利要求1～9之一所述的基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统安装在输电线路铁塔上；
s2.在螺栓正常工作状态下，获取螺栓监测模块所监测到的正常数据，并将该正常数据作为基准数据；s3.在输电线路铁塔的运行阶段，获取螺栓监测模块所监测到的实时数据；s4.将步骤s3获取的实时数据与步骤s2得到的基准数据进行对比，实现输电线路铁塔的防倒塔预警。

技术总结

本发明公开了一种基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统，包括电源模块、螺栓监测模块、主机模块、无线通信模块和服务器模块；电源模块为供电；螺栓监测模块监测螺栓应力状态并上传主机模块；主机模块接收监测数据并上传无线通信模块；无线通信模块将数据发动服务器模块；服务器模块根据数据进行输电线路铁塔的防倒塔预警。本发明还公开了一种包括所述基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统的预警方法。本发明公开的这种基于铁塔螺栓监测的输电线路防倒塔预警系统及预警方法，通过对输电线路铁塔螺栓的实时监测，不仅实现了输电线路铁塔的防倒塔预警，而且本发明的预警结果更加精确，可靠性更高。可靠性更高。可靠性更高。