對(duì)稱分量法的基本原理精選(九篇)
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第1篇：對(duì)稱分量法的基本原理范文
[關(guān)鍵詞]電力系統(tǒng)；相量測(cè)量裝置（PMU）；廣域相量測(cè)量系統(tǒng)（WAMS）
引言
隨著特高壓輸電和“西電東送、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”工程的建設(shè)，我國(guó)電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模越來(lái)越大，將引起低頻振蕩，電力市場(chǎng)進(jìn)程的不斷推進(jìn)使得某些斷面經(jīng)常運(yùn)行在接近于滿負(fù)荷或滿負(fù)荷狀態(tài)，電力系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜程度日益增加，電網(wǎng)安全問(wèn)題日益突出，使得對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的SCADA／EMS調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，由于缺少電力系統(tǒng)不同地點(diǎn)之間的基準(zhǔn)時(shí)間，所以只能用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性分析，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性分析。
基于PMU的廣域測(cè)量系統(tǒng)（wide Area Measurement System，簡(jiǎn)稱WAMS），利用成熟的GPS技術(shù)，能夠?yàn)槿到y(tǒng)提供準(zhǔn)確的基準(zhǔn)時(shí)間，能夠?qū)崟r(shí)地反映全網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了重要的作用。
1.廣域電網(wǎng)相量測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展
國(guó)外對(duì)于PMU的研究起始于20世紀(jì)80年代的美國(guó)，1983年美國(guó)GPS的出現(xiàn)，為相角測(cè)量提供了時(shí)鐘精度上的保證。1993年美國(guó)研發(fā)出了第一臺(tái)PMU，標(biāo)志著同步相量技術(shù)的實(shí)用化。美國(guó)西部電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)委員會(huì)（western System Coordinating Council簡(jiǎn)稱WSCc）已經(jīng)基本建成了以PMU為基礎(chǔ)的WAMS，投入了近百個(gè)PMU。1997年法國(guó)電力公司計(jì)劃組建基于PMU的協(xié)調(diào)防御控制系統(tǒng)。
1995年前后國(guó)內(nèi)開始了對(duì)PMU的研究，率先開始該領(lǐng)域研究的是清華大學(xué)電機(jī)工程系，1997年同黑龍江東部電網(wǎng)合作，安裝了7個(gè)PMU。近年，隨著GPS技術(shù)和通訊技術(shù)的快速發(fā)展和不斷完善，
加快了PMU應(yīng)用的發(fā)展，全國(guó)各大電網(wǎng)正在實(shí)施或已部分完成龐大的WAMS。
2.PMU基本原理及結(jié)構(gòu)
基于全球定位系統(tǒng)（GPS）的相量測(cè)量單元PMU具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能，即對(duì)電流、電壓等電氣量的幅值和頻率的采集，同時(shí)還具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能：對(duì)相角的采集。
圖1是基于GPS的PMU基本原理結(jié)構(gòu)圖，其基本原理為：GPS接收器接收來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)，輸出1pps（1個(gè)脈沖每秒）信號(hào)給鎖相振蕩器，鎖相振蕩器用分頻方法將其劃分成采樣脈沖，對(duì)輸入模擬量進(jìn)行同步采樣，采樣值經(jīng)濾波器處理然后傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器A／D，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳送給微處理機(jī)，用快速傅里葉算法計(jì)算出基頻相量，用對(duì)稱分量法將三相向量變換為三序相量，最后PMU將正序分量、時(shí)間標(biāo)記等傳送給調(diào)度中心。
3.廣域電網(wǎng)相量測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用
基于PMU的廣域測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，近年來(lái)已經(jīng)在很多方面得到了應(yīng)用，主要包括電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)、低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和廣域保護(hù)。
3.1狀態(tài)估計(jì)
現(xiàn)如今的狀態(tài)估計(jì)是能量管理系統(tǒng)（EMS）的基本內(nèi)容，它根據(jù)sCADA采集到的電壓、電流等電氣量的幅值和頻率的測(cè)量值，用迭代方法求解非線性方程組，求得系統(tǒng)狀態(tài)變量的最佳估計(jì)值。電力系統(tǒng)的安全約束調(diào)度、靜態(tài)穩(wěn)定性分析和暫態(tài)穩(wěn)定性分析都依賴于狀態(tài)估計(jì)的結(jié)果，若能直接測(cè)量相角，將大大提高狀態(tài)估計(jì)的速度和精度，但由于沒(méi)有統(tǒng)一的基準(zhǔn)，相角測(cè)量難于實(shí)現(xiàn)。隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）的發(fā)展使相角測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)。同步相量測(cè)量單元PMU借助于GPS技術(shù)，直接測(cè)得系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和相角，狀態(tài)方程中的雅各比矩陣就變成了常數(shù)矩陣。應(yīng)用同步相量測(cè)量技術(shù)所得到的是電網(wǎng)匯總所有廠、站的正序相量，而且是確切的同步測(cè)量結(jié)果，如果不考慮壞數(shù)據(jù)，則不需要再次進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，這不僅提高了狀態(tài)估計(jì)的迭代收斂速度，而且提高了結(jié)果的精度。
3.2低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)
隨著我國(guó)各大電網(wǎng)的互聯(lián)，低頻振蕩成為電力系統(tǒng)中的嚴(yán)重問(wèn)題，因此，必須對(duì)平時(shí)的小干擾振蕩進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)計(jì)分析，從而了解當(dāng)前電網(wǎng)經(jīng)常發(fā)生振蕩的頻率和阻尼特性，便于提前發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的薄弱點(diǎn)，有利于調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)，及早制定校正控制預(yù)案，合理安排運(yùn)行方式，有效的遏制大規(guī)模低頻振蕩的發(fā)生。
電力系統(tǒng)的低頻振蕩的頻率波動(dòng)范圍一般為0.1-2.0Hz，當(dāng)此范圍內(nèi)存在較強(qiáng)的負(fù)阻尼或弱阻尼時(shí)，WAMS要能夠及時(shí)發(fā)出告警信息，并在區(qū)域圖上標(biāo)明異常地方，給數(shù)據(jù)平臺(tái)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，記錄當(dāng)前的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用于低頻振蕩的在線監(jiān)測(cè)和分析。因此，只有WAMS能夠提供統(tǒng)一的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)低頻振蕩的在線分析。
數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)中央處理器的處理，根據(jù)結(jié)果快速判別發(fā)生振蕩的機(jī)組，最后對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出有用信息。
3.3動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
傳統(tǒng)的SCADA／EMS系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，是因?yàn)闊o(wú)法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓相角和各發(fā)電機(jī)功角的測(cè)量，相角是判斷電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要參數(shù)，而PMU采用成熟的GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了相角的直接測(cè)量，極大地改善了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的預(yù)測(cè)及控制。當(dāng)故障時(shí)，調(diào)度中心可根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)相角數(shù)據(jù)，分析發(fā)電機(jī)功角的變化情況，通過(guò)功角的變化趨勢(shì)來(lái)預(yù)測(cè)哪個(gè)機(jī)組可能失穩(wěn)并采取相應(yīng)的對(duì)策，如切機(jī)、切負(fù)荷、解列等，以防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大：也可以用來(lái)進(jìn)行就地控制，如勵(lì)磁、調(diào)速、電容器的接入等。
3.4廣域保護(hù)
廣域保護(hù)系統(tǒng)的核心思想是：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，快速隔離故障，保證系統(tǒng)在故障切除后能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。不同于傳統(tǒng)的繼電保護(hù)只是通過(guò)開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)故障的切除，保證單個(gè)設(shè)備的安全，廣域保護(hù)需要全網(wǎng)的無(wú)功、電壓等信息，分析系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，采取必要的措施，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。
近年來(lái)WAMS系統(tǒng)迅速發(fā)展，除了以上高級(jí)應(yīng)用外，WAMS還在其他很多方面像模型的有效性評(píng)估、阻尼控制、電壓穩(wěn)定性控制、線路參數(shù)估計(jì)以及頻率控制等有著極其廣泛的應(yīng)用。如今智能電網(wǎng)的廣泛研究給WAMS帶來(lái)了更大的發(fā)展空間和應(yīng)用方向。
第2篇：對(duì)稱分量法的基本原理范文
【關(guān)鍵詞】PMU；WAMS；廣域相量測(cè)量；應(yīng)用技術(shù)
1、前 言
同步相量測(cè)量裝置PMU是1980年首次提出的。隨著GPS在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，PMU應(yīng)運(yùn)而生，而全球發(fā)生的幾次大電網(wǎng)事故推動(dòng)了PMU和基于PMU的WAMS(Wide Area Measurement System)同步相量測(cè)量技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用。工程技術(shù)人員可以根據(jù)PMU提供的精確相量數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)故障的一系列事件的先后順序，確定導(dǎo)致系統(tǒng)故障的原因和故障點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及研究結(jié)果表明：WAMW技術(shù)在電力系統(tǒng)穩(wěn)定預(yù)測(cè)與控制、狀態(tài)估計(jì)與動(dòng)態(tài)監(jiān)視、繼電保護(hù)、模型驗(yàn)證、故障定位等有著廣泛的應(yīng)用前景
2、PMU的主要技術(shù)問(wèn)題
PMU要求同步對(duì)時(shí)誤差不超過(guò)1?s，相量幅度誤差小于0.2％，角度誤差不過(guò)0.2度，頻率測(cè)量為45－55Hz，誤差不超過(guò)0.005Hz，能連續(xù)記錄14天的數(shù)據(jù)，最快100Hz。GPS信號(hào)丟失時(shí)能自動(dòng)守時(shí)，GPS失鎖60分鐘，誤差不超過(guò)55?s，按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議傳送動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。PMU的主要技術(shù)問(wèn)題包括同步采集和相量計(jì)算。
2.1同步采集
典型的PMU的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，基本原理為：鎖相振蕩器將GPS接收器給出1pps信號(hào)分成一系列脈沖用于采樣，交流信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理后經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化，再經(jīng)過(guò)微處理器進(jìn)行離散傅立葉變換計(jì)算出相量。微處理器也可以采用對(duì)稱分量法計(jì)算出正序相量。PUM裝置按照一定的標(biāo)準(zhǔn)將時(shí)間標(biāo)記、正序相量等裝配成報(bào)文，傳送到遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)集中器。收集來(lái)自各個(gè)數(shù)據(jù)集中器的PMU信息，為全系統(tǒng)的保護(hù)、控制和監(jiān)視提供數(shù)據(jù)。
2.2相量計(jì)算
相量測(cè)量算法主要有離散傅立葉變換法(DFT)、過(guò)零檢測(cè)法等。
2.2.1 過(guò)零檢測(cè)法
過(guò)零檢測(cè)法只需將被測(cè)工頻信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，與某一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相比較即可得出相角差，是比較直觀的一種同步相量測(cè)量方法。對(duì)于50Hz的工頻信號(hào)，子站和參考站的電壓相角差為若要在每一個(gè)周波內(nèi)都能進(jìn)行相位比較，提高相角測(cè)量的實(shí)時(shí)性，則需要以GPS的1PPS為基準(zhǔn)，由WAMS的CPU內(nèi)的精確晶振時(shí)鐘建立標(biāo)準(zhǔn)的50Hz信號(hào)，由CPU在電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)打上時(shí)間標(biāo)簽，再求出各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的50Hz信號(hào)的相角差。過(guò)零檢測(cè)法原理比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但其易受諧波、噪聲和非周期分量的影響，精度不高，實(shí)時(shí)性不好，需要與其他技術(shù)手段結(jié)合使用。
2.2.2 離散傅立葉變換法
DFT是在電力系統(tǒng)相量計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的算法之一。DFT有濾波功能，可以準(zhǔn)確地求出信號(hào)中的直流分量、基波分量和各次諧波分量，計(jì)算精度不受直流分量和諧波分量的影響。
N為每周波的采樣點(diǎn)數(shù)，X為相量的有效值 ，為采樣值。這種相量計(jì)算方法能消除整次諧波分量的影響，但是要求在相量計(jì)算之前，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，防止頻域混疊現(xiàn)象的發(fā)生。
DFT相量計(jì)算，要求采樣頻率為基波信號(hào)周期的整數(shù)倍。信號(hào)頻率與采樣頻率不同步時(shí)周期采樣信號(hào)的相位在始端和終端不連續(xù)，會(huì)出現(xiàn)頻率泄漏，進(jìn)而造成計(jì)算的誤差。定間隔采樣法和等角度采樣法能減小這種不利影響。
2.2.3數(shù)字微分法
數(shù)字微分法利用正弦量的特性，差分后可將信號(hào)頻率轉(zhuǎn)化為系數(shù)，經(jīng)過(guò)求商約去時(shí)域變量后得到相量計(jì)算式。數(shù)字微分法實(shí)質(zhì)上基于拉格朗日插值曲線擬合法和數(shù)字微分。數(shù)字微分法計(jì)算量小、精度高、耗時(shí)短，但該算法不具備抗干擾能力，使其應(yīng)用范圍有一定的限制。數(shù)字微分法通過(guò)選取恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)間隔，一定程度上能夠抑制諧波的干擾，但是對(duì)于隨機(jī)干擾和非周期分量卻難以獲得好的結(jié)果，仍然需要濾波處理。
2.3影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素
系統(tǒng)的頻率并非固定不變的，信號(hào)為非工頻信號(hào)時(shí)，使固定的采樣窗口與信號(hào)周期不一致，需要對(duì)非工頻信號(hào)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，否則對(duì)相量測(cè)量單元的準(zhǔn)確度造成一定的影響。系統(tǒng)中的諧波也會(huì)對(duì)PMU裝置測(cè)量的準(zhǔn)確度造成影響，當(dāng)相量計(jì)算方法采用DFT時(shí)可消除整數(shù)次諧波，起到一定的濾波作用。此外，暫態(tài)畸變也會(huì)影響PMU的相量測(cè)量的精度。
3、PMU在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
1993年美國(guó)的工程技術(shù)人員研制出第一臺(tái)PMU裝置，標(biāo)志著同步相量測(cè)量技術(shù)在電力系統(tǒng)的實(shí)用化，使同步相量測(cè)量技術(shù)的推廣應(yīng)用上升到一個(gè)新的階段。隨著各大電力公司和科研機(jī)構(gòu)對(duì)PMU的應(yīng)用研究和工程實(shí)施的迅速開展，基于PUM的同步相量測(cè)量技術(shù)在電力系統(tǒng)保護(hù)、電力系統(tǒng)控制、電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方面將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。
3.1動(dòng)態(tài)過(guò)程監(jiān)測(cè)和記錄
3.1.1電力系統(tǒng)故障錄波
早期通信信道傳輸能力較低且價(jià)格昂貴，最初PMU幾乎唯一的應(yīng)用就是故障錄波，目前故障錄波仍然是PMU最基本的也是非常重要的一個(gè)應(yīng)用。它包括常規(guī)保護(hù)的故障錄波和擾動(dòng)情況下系統(tǒng)的行為錄波。
3.2系統(tǒng)低頻振蕩監(jiān)測(cè)、辨識(shí)與抑制
電力系統(tǒng)的低頻振蕩問(wèn)題已成為制約電網(wǎng)傳輸能力和危及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的最主要因素之一?；赑MU的WAMS能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行在線同步測(cè)量，能夠快速測(cè)量與發(fā)電機(jī)機(jī)電暫態(tài)密切相關(guān)的測(cè)量量，如發(fā)電機(jī)的功角、角速度、內(nèi)電勢(shì)和母線電壓等，并將信息及時(shí)地傳送到調(diào)度中心，為實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)在線分析低頻振蕩提供了信息平臺(tái)。WAMS根據(jù)辨識(shí)結(jié)果配置PSS參數(shù)，有效地抑制低頻振蕩。系統(tǒng)運(yùn)行人員從中獲知電網(wǎng)經(jīng)常發(fā)生的阻尼特性、振蕩的頻率及其相關(guān)機(jī)組，提前了解當(dāng)前電網(wǎng)存在的主要振蕩問(wèn)題，調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)、合理安排運(yùn)行方式，并提前制定校正控制預(yù)案。
4、結(jié)語(yǔ)
基于PMU的廣域相量同步測(cè)量技術(shù)還是一種新生事物，在電力系統(tǒng)中必將有廣闊的發(fā)展前景，PMU/WAMS將會(huì)有更大的發(fā)展空間。智能調(diào)度是智能電網(wǎng)的中樞，廣域相量測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是保證電網(wǎng)安全的重要手段。智能控制是智能電網(wǎng)的重要的環(huán)節(jié)之一，基于PMU的WAMS系統(tǒng)是智能控制得到保證的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)中國(guó)堅(jiān)強(qiáng)型智能電網(wǎng)的宏偉目標(biāo)，WAMS將是其重要的組成部分。
參考文獻(xiàn)
[1]彭海.基于廣域網(wǎng)的電力系統(tǒng)自適應(yīng)保護(hù)研究[D].西南交通大學(xué)碩士論文, 2006.
第3篇：對(duì)稱分量法的基本原理范文
基于環(huán)境激勵(lì)信號(hào)的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)在線檢測(cè)系統(tǒng)，利用高靈敏度三分量寬頻帶地震計(jì)，連續(xù)監(jiān)測(cè)北京市四座典型在役橋梁在自然荷載作用下的微弱振動(dòng)信號(hào)，分別利用峰值法和互相關(guān)函數(shù)法獲得了在役橋梁結(jié)構(gòu)不同方向上的頻譜特征及其結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征。結(jié)果表明：（1）三分量地震計(jì)能夠準(zhǔn)確可靠地連續(xù)記錄寬頻帶范圍內(nèi)的環(huán)境激勵(lì)的微弱振動(dòng)信號(hào)，非常適用于構(gòu)建新型的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)；（2）峰值法和互相關(guān)函數(shù)法都能夠可靠地識(shí)別多階橋梁模態(tài)頻率，互相關(guān)函數(shù)法的識(shí)別結(jié)果更為穩(wěn)定；（3）橋梁的模態(tài)頻率受橋梁結(jié)構(gòu)、材料、環(huán)境溫度等多種因素影響，橋梁不同方向的固有振動(dòng)頻率不同，不同類型的橋梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)也存在顯著差異。該橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)檢測(cè)技術(shù)為在役橋梁實(shí)時(shí)健康診斷打下了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：
橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)；環(huán)境激勵(lì)信號(hào)；頻譜特征；模態(tài)分析
中圖分類號(hào)：V442文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2016）03-0519-07[HJ]
0引言
橋梁是重要的現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于加強(qiáng)地區(qū)文化交流、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，由于環(huán)境侵蝕、材料老化等原因，橋梁存在著不同程度的損傷和功能失效的隱患。地震、颶風(fēng)、洪水等自然災(zāi)害、以及超限機(jī)動(dòng)車、履帶車、鐵輪車等經(jīng)過(guò)橋梁都有可能誘發(fā)橋梁倒塌，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失（陳莉，2012）。近實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)橋梁損傷狀態(tài)，對(duì)橋梁的健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)估，是預(yù)防災(zāi)難性橋梁事故，確保橋梁安全可靠運(yùn)行的重要方面。因此橋梁安全健康檢測(cè)對(duì)于保障大型橋梁的安全性和適用性具有非常重要的意義。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)于大跨橋的安全檢測(cè)以人工方法為主（宋雨，2003），檢查方式具有一定的主觀性，并且檢查周期長(zhǎng)，難以實(shí)時(shí)地對(duì)橋梁的健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)估。另一種檢查方式是用儀器和損傷識(shí)別技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)損傷識(shí)別，然而目前檢測(cè)技術(shù)還有待完善，缺乏統(tǒng)一的定量損傷指標(biāo)，亟需發(fā)展新型的檢測(cè)技術(shù)和方法。
振動(dòng)模態(tài)參數(shù)（頻率、振型和阻尼等）是決定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的主要參數(shù)，具有簡(jiǎn)明、直觀和物理概念清晰等優(yōu)點(diǎn)（趙駿，2008）。準(zhǔn)確識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)及其變化，對(duì)于橋梁健康監(jiān)測(cè)和綜合評(píng)價(jià)具有重要作用。固有頻率是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的重要參數(shù)，能反應(yīng)結(jié)構(gòu)自身屬性和狀態(tài)，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)模B參數(shù)中最容易獲得的參數(shù)。結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷會(huì)導(dǎo)致頻率降低，這一現(xiàn)象直接推動(dòng)了與頻率相關(guān)的敏感參數(shù)在結(jié)構(gòu)識(shí)別中的應(yīng)用（雷理，2012）。Cawlye和Adams（1979）最早利用頻率數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別，通過(guò)特征值對(duì)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的靈敏度分析，得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷后的任意二階模態(tài)頻率之比僅是破損位置的函數(shù)，與損傷大小無(wú)關(guān)（李睿，2009；楊樂(lè)杰，2012）。Stubbs等（1991）研究了利用共振頻率識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的靈敏度方法，通過(guò)單元損傷指標(biāo)的靈敏度分析，使用了廣義逆方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)損傷定位研究。Heam和Testa（1990）指出，結(jié)構(gòu)損傷后，各階頻率變化按與最大頻率變化歸一化后，任意兩階頻率變化的比值，是結(jié)構(gòu)損傷位置的函數(shù)。Penny等（1994）和袁穎（2005）對(duì)結(jié)構(gòu)的各種損傷情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算出由于模擬損傷引起的結(jié)構(gòu)頻率變化，然后用最小二乘法來(lái)擬合模擬頻率變化和實(shí)測(cè)頻率改變，認(rèn)為擬合誤差最小的損傷情況是結(jié)構(gòu)的實(shí)際損傷狀態(tài)。Salawu（1997）評(píng)述了土木工程領(lǐng)域應(yīng)用固有頻率作為診斷參數(shù)的結(jié)構(gòu)評(píng)估方法，對(duì)損傷頻率變化間的關(guān)系以及限制振動(dòng)測(cè)試在損傷識(shí)別中的應(yīng)用可能因素進(jìn)行了討論。其結(jié)論表明：基于固有頻率的損傷識(shí)別方法對(duì)結(jié)構(gòu)的常規(guī)評(píng)估是有用的，但也存在一些局限性。應(yīng)用頻率進(jìn)行損傷識(shí)別，當(dāng)損傷發(fā)生在低應(yīng)力區(qū)域時(shí)可能是不可靠的，另外，兩個(gè)不同位置程度相似的損傷可能引起相同的頻率改變。僅根據(jù)固有頻率的變化確定結(jié)構(gòu)損傷的位置可能是不充分的（焦莉，2006）。
環(huán)境激勵(lì)下的模態(tài)參數(shù)識(shí)別由于不需要外部激勵(lì)設(shè)備且不影響正常交通，已經(jīng)成為大型橋梁模態(tài)參數(shù)識(shí)別的主要方法（秦世強(qiáng)等，2012）。目前常用的方法包括時(shí)域法、頻域法和時(shí)頻分析法。頻域法識(shí)別方法發(fā)展較早，主要包括峰值法和頻域分解法，主要是通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)，由振幅譜或功率譜密度的峰值確定模態(tài)參數(shù)。頻域法的物理概念清晰，簡(jiǎn)單快捷，在模態(tài)分析中得到廣泛應(yīng)用（杜權(quán)，2009）。時(shí)域識(shí)別法直接利用時(shí)域內(nèi)的數(shù)據(jù)建立方程，進(jìn)而求解結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。時(shí)域法能夠避免頻域識(shí)別法因傅里葉變換所帶來(lái)的誤差（如頻率分解、泄漏和混淆現(xiàn)象等），一般能得到較精確的辨識(shí)結(jié)果，近年來(lái)逐漸成為研究熱點(diǎn)，主要有序列分析法、隨機(jī)減量法、NExT方法、隨機(jī)子空間法等（聶雪媛，丁樺，2012）。
本文實(shí)驗(yàn)中，筆者選取北京市區(qū)4座典型的大型在役橋梁為監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在橋面上布置多個(gè)高靈敏度三分量寬頻帶地震計(jì)，連續(xù)監(jiān)測(cè)橋梁受到車輛行駛、風(fēng)載、氣壓等自然荷載激勵(lì)的微弱振動(dòng)信號(hào)。采用功率譜密度以及地震學(xué)中干涉測(cè)量方法，獲得大型橋梁多階模態(tài)頻率，精確識(shí)別低階模態(tài)頻率，為將來(lái)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康診斷打下基礎(chǔ)。
1監(jiān)測(cè)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)橋梁
監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)采用高靈敏度三分量寬頻帶地震計(jì)Guralp CMG-6TD。與常用的加速度傳感器及普通
的速度傳感器相比，CMG-6TD地震計(jì)具有靈敏度高（2 000 V/m/s）、頻帶寬（003～100 Hz）、監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)范圍大（138 dB）、自噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠同時(shí)記錄3個(gè)分量的振動(dòng)信號(hào)。CMG-6TD地震計(jì)體積小、功耗低、攜帶安裝簡(jiǎn)便，不需要開解鎖，通電即開始工作，便于野外流動(dòng)觀測(cè)，廣泛應(yīng)用于流動(dòng)地震觀測(cè)、火山監(jiān)測(cè)等科學(xué)研究，筆者將該類型寬頻帶地震計(jì)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測(cè)中，記錄環(huán)境激勵(lì)下的微弱振動(dòng)信號(hào)，分析其結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征。
參與實(shí)驗(yàn)的橋梁分別是魯疃西路大橋、昌平南環(huán)大橋、順義潮白河大橋和百葛立交橋，表1中列出4座橋梁的基本特征。以魯疃西路大橋?yàn)槔瑢?duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)方式進(jìn)行說(shuō)明。魯疃西路大橋位于北京市昌平區(qū)北七家未來(lái)科技城，橋身南北走向，全長(zhǎng)568 m，橋面寬45 m。筆者在該橋橋面東側(cè)的人行道上布置了8臺(tái)地震計(jì)，臺(tái)站間距約為100 m（圖1a）。圖1b為橋梁監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中架設(shè)的地震計(jì)，塑料桶用于保護(hù)地震計(jì)，以減少風(fēng)等因素對(duì)地震計(jì)的干擾。所有地震計(jì)都利用GPS進(jìn)行時(shí)間同步，地震計(jì)的采樣率200 Hz，記錄方式為連續(xù)記錄，每座橋梁的監(jiān)測(cè)時(shí)間為4～30 h。
本文采用了2種信號(hào)處理方法，一是利用常規(guī)的峰值法識(shí)別模態(tài)頻率，二是采用背景噪聲互相關(guān)函數(shù)識(shí)別模態(tài)頻率。背景噪聲互相關(guān)的基本原理是，在隨機(jī)散射場(chǎng)的條件下，2個(gè)傳感器記錄信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)是兩點(diǎn)之間的格林函數(shù)。橋梁可以看成一塊薄的平板，導(dǎo)波在其中的傳播取決于平板的幾何形狀以及平板的力學(xué)性質(zhì)，如彈性模量等。盡管背景噪聲互相關(guān)函數(shù)不一定收斂到格林函數(shù)，但是其仍然對(duì)介質(zhì)狀態(tài)非常敏感，有可能被用來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。通常，我們利用導(dǎo)波的波速和衰減這2個(gè)物理量來(lái)刻畫結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。導(dǎo)波的速度測(cè)量能提供介質(zhì)密度和剛度信息，而尾波干涉能夠用來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁的細(xì)微波速變化（Duff et al， 2014）。2個(gè)傳感器之間的噪聲互相關(guān)函數(shù)（Noise Correlation Function， NCF）可以通過(guò)計(jì)算傳感器的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)記錄的信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)疊加及互相關(guān)函數(shù)計(jì)算公式得到，其中T為觀測(cè)時(shí)間。
Cij（t）=T0Si（τ）Sj（τ+t）dτ.（1）
[BT1-*3]3橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征
31峰值法
圖2是魯疃西路大橋各測(cè)點(diǎn)的三分量功率譜密度，圖3給出了橋梁監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中各橋梁主要測(cè)點(diǎn)的三分量功率譜密度。從監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出幾個(gè)特點(diǎn)：
（1） 從圖2a可以看出， 5號(hào)測(cè)點(diǎn)（橋身中部）的垂直分量功率譜密度比2號(hào)測(cè)點(diǎn)（橋梁支點(diǎn)附近）高約3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，具有非常高的信噪比，這是因?yàn)闃蛄褐c(diǎn)附近由于固定支點(diǎn)的影響，橋梁振動(dòng)幅度較小。
（2） 圖2的結(jié)果顯示，不同分量上的多階模態(tài)各不相同，垂直分量能夠識(shí)別4個(gè)峰值（13 Hz、15 Hz、19 Hz、25 Hz），南北分量能夠識(shí)別出3個(gè)明顯峰值（13 Hz、19 Hz、25 Hz），東西分量能識(shí)別出3個(gè)明顯峰值（19 Hz、25 Hz、35 Hz）。
（3） 從圖3中不同橋梁的功率譜密度對(duì)比可以看出，不同橋梁的結(jié)果存在較大差異，這是由橋梁的結(jié)構(gòu)特征決定的。百葛立交橋的信噪比最低，且各個(gè)方向上的低階模態(tài)頻率要高于其他橋梁的相應(yīng)的低階模態(tài)頻率，這是由百葛立交橋的橋身跨度較小這一原因引起的。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)南環(huán)大橋（懸索橋）在縱向和橫向分量上相應(yīng)的低階模態(tài)頻率高于潮白河大橋（梁橋）相應(yīng)的低階模態(tài)頻率。
由檢測(cè)結(jié)果可知，固有頻率是橋梁本身的一個(gè)特性，不隨車輛交通等外部因素影響，但不同橋梁的固有頻率存在一定的差異，差異大小依據(jù)橋梁的類型、跨度等其他因素而定。一般來(lái)說(shuō)，橋梁橋身長(zhǎng)度越短，其固有頻率越高。由于直接對(duì)臺(tái)站進(jìn)行頻譜分析會(huì)受到橋梁不同位置以及觀測(cè)點(diǎn)的影響，因此我們又進(jìn)行了臺(tái)站之間的互相關(guān)處理來(lái)提高信噪比，排除外界噪音干擾。
32噪聲互相關(guān)函數(shù)法
利用每個(gè)測(cè)點(diǎn)的三分量連續(xù)波形記錄，計(jì)算所有可能的臺(tái)站對(duì)的相應(yīng)分量的噪聲互相關(guān)函數(shù)。圖4a、b是魯疃西路大橋監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中所有臺(tái)站對(duì)的東西分量和南北分量噪聲互相關(guān)函數(shù)隨臺(tái)站間距的變化。從圖4a可以看出，在t>0（因果信號(hào)）和t
均存在明顯的信號(hào)。因果信號(hào)要比非因果信號(hào)強(qiáng)，呈現(xiàn)明顯非對(duì)稱性，這可能由地震計(jì)布置在橋梁的一側(cè)，車輛來(lái)往的噪音不對(duì)稱這一原因引起的。然而互相關(guān)函數(shù)信號(hào)的視速度基本一致，約為350 m/s，這可能是一種橋梁結(jié)構(gòu)波，圖4c是結(jié)構(gòu)波在橋梁上的傳播過(guò)程示意圖。與噪聲互相關(guān)函數(shù)的東西分量不同，噪聲互相關(guān)函數(shù)南北分量在t=0處存在較強(qiáng)信號(hào)，這說(shuō)明地震波不同分量的地震波傳播存在明顯的差異。我們也發(fā)現(xiàn)噪聲互相關(guān)函數(shù)垂直分量與南北分量基本一致，形成這種現(xiàn)象的可能原因是，大跨度蛄翰喚齟嬖諫舷路較虻惱穸，而且存在垂直于其走向的水平方向的扭動(dòng)。
對(duì)于8個(gè)地震計(jì)依次進(jìn)行互相關(guān)處理，圖5分別給出了魯疃西路大橋監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的1號(hào)和8號(hào)測(cè)點(diǎn)、2號(hào)和7號(hào)測(cè)點(diǎn)臺(tái)站對(duì)的垂直、南北和東西分量互相關(guān)函數(shù)的振幅譜。從圖中可以看出，在所有臺(tái)站對(duì)的互相關(guān)函數(shù)中，垂直分量的互相關(guān)函數(shù)都能明顯識(shí)別出f=13 Hz和f=15 Hz峰值。
為了驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，我們根據(jù)測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)8不同時(shí)間段的垂直分量噪聲互相關(guān)函數(shù)，得到了f=13 Hz和f=15 Hz處，前二階模態(tài)頻率（f=13 Hz和f=15 Hz）隨時(shí)間的變化（圖6a）。同時(shí)，給出了峰值頻率處的振幅譜值隨時(shí)間的變化（圖6b）?？梢钥闯?，前二階模態(tài)頻率非常穩(wěn)定，基本不隨時(shí)間變化，
這說(shuō)明基于環(huán)境激勵(lì)的噪聲互相關(guān)方法能夠可靠地提取橋梁的低階模態(tài)頻率。噪聲互相關(guān)函數(shù)的頻譜峰值隨時(shí)間變化，頻譜峰值幅度白天高、晚上低，呈現(xiàn)明顯的日變功率譜密度也呈現(xiàn)一定的日變化特征。盡管車流量的變化可能也會(huì)影響振幅譜峰值，然而另一項(xiàng)研究表明，橋梁結(jié)構(gòu)的波速也呈現(xiàn)明顯的日變化特征，并且與環(huán)境溫度有顯著的相關(guān)性（Chen et al，2015）。因此，筆者認(rèn)為環(huán)境溫度變化可能是振幅譜峰值變化的主要原因。
4結(jié)論與討論
橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征是橋梁健康診斷的重要基礎(chǔ)。車輛行駛、風(fēng)載、氣壓等對(duì)橋梁施加了自然載荷，引起橋梁結(jié)構(gòu)的微振響應(yīng)，為橋梁檢測(cè)提供了激勵(lì)信號(hào)?；诃h(huán)境激勵(lì)的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)檢測(cè)方法，由于具有成本低、不影響正常交通通行、能夠進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)快速發(fā)展。本文發(fā)展建立一套新型的基于環(huán)境激勵(lì)信號(hào)的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)，并且選擇北京市區(qū)4座典型在役橋梁開展了橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。利用高靈敏度三分量地震計(jì)連續(xù)監(jiān)測(cè)環(huán)境噪聲激勵(lì)下的橋梁微弱振動(dòng)信號(hào)，分別利用峰值法和互相關(guān)函數(shù)法獲得了監(jiān)測(cè)橋梁3個(gè)方向上的橋梁頻譜結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征，為在役橋梁實(shí)時(shí)健康診斷打下基礎(chǔ)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：
（1） 本次監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)采用的寬頻帶三分量地震計(jì)，具有靈敏度高、響應(yīng)頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確可靠地記錄寬頻帶范圍內(nèi)的環(huán)境激勵(lì)的微弱振動(dòng)信號(hào)，非常適用于構(gòu)建新型的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)；
（2） 峰值法和互相關(guān)函數(shù)法都能夠獲得橋梁的多階模態(tài)頻率，其中互相關(guān)函數(shù)法由于采用了波形互相關(guān)、疊加等方法，能夠更加穩(wěn)定可靠地獲得橋梁的低階模態(tài)頻率；
（3） 對(duì)于大跨度橋梁，由于垂直于橋梁走向的扭動(dòng)，存在沿該方向水平傳播的結(jié)構(gòu)波；
（4） 橋梁的模態(tài)頻率受橋梁結(jié)構(gòu)、材料、環(huán)境和溫度等多種因素影響，橋梁不同方向的固有振動(dòng)頻率不同，不同類型的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)也存在顯著差異。本次監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中相對(duì)較短的梁橋低階模態(tài)頻率明顯低于大跨度懸索橋相應(yīng)的低階模態(tài)頻率，并且模態(tài)頻率處的互相關(guān)函數(shù)振幅譜峰值呈現(xiàn)與環(huán)境溫度變化相關(guān)的日變化特征。
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