引言
目前，对输电铁塔安全状态的监测，主要有基于倾角传感器的铁塔倾斜监测和基于卫星技术的铁塔形变监测等，它们能够很好的代替传统的人工巡检、机器人巡线。但是其只能间接反应铁塔整体受力及负荷平衡状态，无法获取到铁塔的受力值做进一步分析，此外现有的测量方法主要以电类传感器为主，传感信号极易受到恶劣环境的干扰。
鉴于现有输电铁塔监测的各种问题，本项目针对铁塔的力学特性展开研究，在此基础上，设计一种基于光纤光栅传感器的铁塔应力在线监测系统，实现输电铁塔的安全状态在线监测。
1现状
近年来，我国新建成了一批特高压交流1000kV、特高压直流±800kV 等大型国家输电工程，这些线路覆盖范围广、线路长、运行环境恶劣，在一定气象条件下，极易发生铁塔故障，因此对输电线路铁塔运行安全的研究具有深远的意义。铁塔故障的产生与发展过程十分复杂，其中包括许多随机因素，本文在相关力学分析基础上，依靠在线监测技术对铁塔应力进行实时监测，从而反映铁塔的整体安全状态，及时发现采空区的塌陷和变形等问题，并对造成铁塔破坏的潜在危害做出预警，采取应对措施，确保供电可靠性。
2研究内容
本项目系统通过对线路铁塔应力参数的实时监测，并通过远程4G通信方式，将数据传至监控平台，并结合从电网主站系统传输来的线路输送容量，进行线路动态健康数据分析,为线路调度人员提供科学测量数值,不仅能使系统操作人员在用电高峰时抓住时机提高线路的输电能力,还可以避免出现意外情况时进行不必要的减负荷操作。
本项目设计系统架构基于光纤光栅传感器的输电线路铁塔应力在线监测系统主要包括 FBG 应力传感器、光纤光栅解调单元、应力 CMD、通信网络、监控中心五大部分。应力传感器分别安装在铁塔关键杆件上，测量固定点处的应力值，其测量位置由 ANSYS 有限元建模分析的铁塔应力特性决定；光纤光栅解调单元实时解调 FBG 的反射光中心波长，将光传感信号转换为电信号，当铁塔在外界荷载作用下产生形变时，FBG 应力传感器将感受到铁塔应力发生变化，解调单元将解调出一组不同的信号；应力 CMD 对解调后的信号进行处理 ，由波长的变化量得到传感器上的应力变化，即得到各监测点的应力值，CMD 还同时采集现场微气象信息，最后通过光纤/局域网将数据发送到监控中心；监控中心的专家软件通过各监测点的应力值对铁塔进行分析，并与数据库已建立的有限元模型进行比对，判断铁塔应力分布、是否超标甚至破坏形式等，从而实现对铁塔应力的监测。系统架构如下图所示：
系统架构设计图
应力传感器设计
光纤光栅中的一种，FBG 因其具有周期小、长度短、插入损耗小等优点,应用最为广泛。
FBG 最基本和最直接的传感应用是对温度和应变的测量,本文对 FBG 应力传感器的研究包括采集原理分析、结构设计和有限元分析等。所设计的传感器克服了传统电阻应变片式传感器存在的问题，具有灵敏度高、抗干扰能力强、结构简单、可分布式测量等优点。
2）输配电杆塔风灾冰灾受损风响应分析
电网风灾冰灾致损是多种因素作用的结果，这些因素含风速、风向、输电线路走向、地形、地质类型和降雨量等。它们之间存在复杂的非线性关系，其中大部分因素都具有极强模糊性和不确定性，对电网风灾冰灾的确定性评估十分困难、复杂。收集和历年倒塔或因风受损的杆塔，结合当前输电线路设计标准和对输电杆塔的防风设计等级要求，开展风荷载极限下的杆塔及拉线分析计算，研究输电杆塔在风作用下的极限效应和受损的边界条件。
3）输电线路模型建立及大风近地风场时程的确定与时程加载
对杆塔进行大风响应的时程加载。本项目要求在研究目前通常采用的几种模型的基础上，分析加载不同风速工况，提出合输电线路的实用模型，对大风近地风场数据进行搜集，确定风荷载时程数据。
4）风场下风响应振动响应研究
系统能够监测大风场下输电塔线的振动响应，进行时域、频域分析，收集不同环境下，风响应下塔线的应力与振动的关系，进行综合分析,边缘计算，确认铁塔是否处异常运行状态。
输电铁塔的风荷载由静风荷载和脉动风荷载两部分构成。静风荷载可根据风速换算 ,而脉动风荷载是在静风荷载的基础上乘以风压调整系数来考虑。 《建筑结构荷载规范》 ( GB 50019 - 2001)[1 ]规定风压调整系数由式(1)计算:
式中,ξ为脉动增大系数;ν为脉动影响系数; <z 为振型系数;μz 为风压高度变化系数。除脉动增大系数ξ外,其余三个系数均由塔架的外形尺寸确定。 而要得到ξ就需要求得结构的自振周期。通常情况下 ,塔架的自振周期是根据经验公式得来的 ,而对于大跨越和特高压那类高度超过60 m的塔架 ,其自振频率与脉动风的频率接近 ,容易发生共振 ,需要更精确的自振周期以确定风压调整系数。
3创新点
（1）能定时自动接收杆塔拉力、倾角数据采集单元的数据；
（2）具有远程设置采集方式(自控方式或受控方式)、自动采集时间的功能；
（3）能向数据采集单元发送对时命令；
（4）能远程修改数据采集单元的IP地址和端口号；
（5）对监测的数据进行统计、分析和输出，以数字列表、曲线和图表的形式显示相关参数；
（6）能对历史数据进行查询、分析，自动生成报表；
（7）具备报警提示功能；
4结语
通过本文的研究，得出结论：运用物联网技术，针对高压输变电线路的安全状态信息，实时监测铁塔应力数据，保护输电线路的安全运行。通过电力传感器、无线传感网、人工智能、边缘计算等技术手段的应用，构建输电设备物联网，实现设备立体感知、通道全景监控、数据云边处理、状态辅助预判、安全智能管控、运检效益提升，推进输电专业管理模式向更智能、更高效、更安全转变。
参考文献：
［1]周晓虹.不停电作业的技术创新与管理[J].上海电力,2010,23(4):311-313.
［2]粱永昌.配电网施工技术分析与质量控制[J].电工研究,2012(11):40-42.
［3]王鑫.配网施工中不停电技术的应用研究[J].低碳世界,2015,0(5):47-48.
［4]陈伟赞.配电网10kV电缆不停电作业技应用[J].华东科技（综合）,2018,0(11):290-290.