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原文传递一种输电线路振动损伤度量仪

专利名称：	一种输电线路振动损伤度量仪
摘要：	本发明为了有效地分析输电线振动引起的线路损伤，设计一种输电线振动损伤度量仪：首先利用MEMS惯性测量节点采集输电线运动的三轴加速度和角速度，进行滤波和分段处理，根据输电线的振动特性，通过积分和FFT变换来计算输电线平动/转动的幅值和频率；然后从损伤耗能的角度，利用幅值和频率参数构造振动耗能函数，度量输电线振动中材料损伤所消耗的能量；然后根据振动损伤与振动耗能函数之间的关系，建立振动损伤函数模型，计算输电线的损伤程度。该损伤度量方法仪利用现有的在线测量数据，可以很好的计算输电线的振动损伤程度，可对输电线损伤的长期监测，也可为输电线损伤预警提供参考，可广泛应用于各种运动损伤度量的场合。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	河南;41
申请人：	河南理工大学
发明人：	杨金显;赵世彬;王蒙蒙;王亚平;张颖
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-05T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-16T00:00:00+0800
申请号：	CN201910485344.9
公开号：	CN110133106A
分类号：	G01N29/04(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	454003 河南省焦作市河南理工大学导航与制导实验室
主权项：	1.一种输电线路振动损伤度量仪，其特征在于，该损伤度量仪包括运动敏感单元(MEMS惯性测量单元)和损伤分析度量单元；运动敏感单元包括三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪和温度计，采集三轴加速度、三轴角速度和温度数据，通过高速采集卡或SPI接口把数据传输到损伤分析度量单元；损伤分析度量单元由高速嵌入式处理器、静/动态存储器、外围辅助电路和Mini USB接口构成，通过Mini USB接口与在线监测系统连接。 2.权利要求1所述的一种输电线路振动损伤度量仪，其特征在于损伤分析度量单元对采集数据先经过低通滤波器去除高频噪声，然后进行温度漂移和零偏补偿，采用统计卡尔曼滤波进行动态误差处理，最后根据处理后的加速度和角速度数据进行度量损伤程度，并把加速度和角速度通过Mini USB接口传输到在线监测系统。 3.权利要求1所述的一种输电线路振动损伤度量仪，其特征在于损伤分析度量步骤包括： (1)采用多维时间序列的卡尔曼滤波获取输电线运动加速度和角速度： ①将输电线的加速度at＝{axt,ayt,azt}和角速度ωt＝{ωxt,ωyt,ωzt}的三维时间序列，对at和ωt建立时间序列模型时，先平滑处理采集的数据，建立AR(2)模型：式中，τ1、τ2为自回归参数矩阵，为测量噪声； ②通过最小二乘法拟合τ1、τ2，进一步采用卡尔曼滤波对参数进行优化，使线路运动数据更加准确，加速度信号的状态空间模型为式中，Xk＝[atat-1]T为系统状态，为过程噪声，B＝[11×3 01×3]T为状态空间模型参数，H＝[I3×3 03×3]为观测矩阵； ③将加速度状态空间模型参数带入卡尔曼滤波公式，得到输电线三轴加速度最优滤波值；同理，对线路角速度进行卡尔曼滤波。 (2)计算线路运动的幅值和频率： ①计算输电线平动幅值：输电线平动时，X、Y、Z轴的振动幅值与各轴向的振动加速度线性正相关，因此选取振动加速度信号at作为平动特征量，为了便于幅值和频率的计算，对处理过的数据进行分段，分段长度为L，分段后振动加速度记为al(al1,al2,al3,...,alL)，其中ali为l段的加速度。根据加速度与速度的关系，得出第l段的速度为式中，V0为平动的初始速度，t为每段数据的采样时间，ali为第l段第i个加速度数据；根据加速度与位移的关系，得出第l段的位移为式中，S0为平动的初始位移，Vli为第l段的第i个速度数据。综上可获得第l段的平动幅值为 ②计算输电线平动频率：输电线的振动是不同频率信号的叠加，可根据FFT变换计算振动加速度信号的频率，进而得到平动频率；对一段数据做FFT变换，得到L个复数序列，每个点对应一个频率点fn＝(n-1)*fs/L，式中，fn为某点n的信号频率，fs为采样频率，L为FFT变换点数。由于输电线的振动是不同频率信号的叠加，根据频谱中显示的主值频率f1,f2,…,fp，由主值频率构造加速度信号的等效频率为其中ftlmax为幅值最大的频率。由平动幅值与振动加速度的关系式可知，加速度变换一个周期，平动幅值达到最大，故平动的周期近似为振动加速度周期的二倍，故平动频率为ftl＝0.5f'tl； ③计算输电线转动幅值和频率：输电线转动时，角速度表示转动角的变化率，转动幅值即为转动角，选取角速度信号作为转动特征量；同样将滤波后的角速度滑动分段，分段后记为ωl(ωl1,ωl2,ωl3,...,ωlL)，对角速度进行积分运算，第l段的转动幅值为式中，θ0为初始转角，ωli为第l段的i个角速度，t为每段数据的采样时间；由转动幅值与角速度的关系式可知，平动的周期近似为角速度变化的一个周期，同样利用FFT变换求取角速度频率，得到转动频率为frl。 (3)根据幅值和频率建立振动耗能函数： ①输电线振动是能量转换和消耗的过程，不断的振动会导致输电线在与金具接触部位出现较大的动弯应变，以疲劳的形式消耗能量，还加速输电线与金具或自身的摩擦，以磨损的形式耗能，二者消耗的能量称为输电线的振动耗能，代表输电线振动中材料损伤消耗的能量。由上述可知，输电线的振动耗能是振动带来能量的一部分，根据动能定理，振动耗能函数为式中，K是振动耗能系数，V是t时刻的速度； ②由于输电线的振动速度不是线性变化的，难以直接计算振动耗能，因此采用分段计算。在疲劳损伤的研究中，利用振动幅值和频率计算动弯应变，进而分析输电线的疲劳程度；在摩擦学中，摩擦磨损速率为接触压力F与摩擦速度V的乘积，依据摩擦与振动的相互作用，可以用振动幅值表示接触压力F，用振动频率表示摩擦速度，故可用振动幅值和频率来计算振动耗能。根据振动速度与振动幅值存在的正比关系，结合提取的平动和转动特征，可将振动耗能表示为各段平动和转动耗能的总和，构建以振动幅值和频率为变量的振动耗能函数为式中，m为测量数据的总段数，k1、k2为平动/转动的振动耗能系数，ftl、frl为第l段的平动/转动频率，Atl、Arl为第l段的平动/转动幅值，ep为振动耗能误差项，用以补偿幅值和频率提取中的误差对振动耗能的影响，例如，振动频率提取中选用幅值较大的频率计算等效频率，忽略了微幅值振动对输电线的损伤作用，ep与平动/转动总耗能存在比例关系； ③输电线运动不是单一的水平或垂直运动，可分为绕X、Y、Z轴的平动和转动，每个轴向的振动都会使输电线消耗一定的能量，造成不同程度的损伤，因此在构建振动耗能函数时要考虑耦合作用，故构建振动耗能函数为：式中，fxtl、fytl、fztl为第l段的平动频率，Axtl、Aytl、Aztl为第l段的平动幅值，fxrl、fyrl、fzrl为第l段的转动频率，Axrl、Ayrl、Azrl为第l段的转动幅值，为损伤耗能耦合矩阵； ④当输电线的平动与转动耦合作用时，对于平动来说，三轴加速度信号会偏离上一时刻的三个轴向，例如当前的X轴加速度与上一时刻的X轴加速度的相关系数较小，而与上一时刻的Y轴加速度相关系数较大，说明X轴向Y轴转动了较大的幅度，因此，可用三轴加速度的相关系数矩阵表示耦合矩阵ρ＝I-Ra，式中，为加速度信号的相关系数矩阵。 (4)振动损伤函数模型：输电线振动损伤和振动耗能并不是单纯的线性关系，因此建立振动损伤函数模型来表示损伤与振动耗能的关系，振动损伤函数模型为式中，k3、k4和c为常值系数。u＝Pm/Pcm，Pcm为损伤稳定阶段与损伤加剧阶段的临界值，当u＜1时，损伤主要以幂函数增加；u≥1时，损伤主要呈指数加剧。 (5)为分析振动损伤程度，需要计算当前的振动损伤与最大振动损伤Dmax(Pm)的比值，振动损伤程度为D'(Pm)＝D(Pm)/Dmax(Pm)×100％。 (6)度量输电线振动损伤程度的直观方式为测量损伤深度，结合现有的钢丝损伤深度理论模型，利用振动耗能函数建立输电线振动损伤深度的理论模型为：式中，hl为振动累计l段的损伤深度，r为输电线的半径(mm)，k和k5是与输电线材料相关的系数。 (7)输电线多采用钢芯铝绞线，当钢芯断裂或铝线损伤截面超过铝线总面积的25％应切断重接。因此，当输电线的损伤深度为铝线半径的25％时，损伤由稳定阶段进入急剧阶段，此时的振动耗能为Pcm；当输电线的损伤深度为铝线半径时振动耗能达到最大值，记为max Pm，带入式可得最大振动损伤Dmax(Pm)。
所属类别：	发明专利