對稱分量法的基本原理精選(九篇)

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第1篇：對稱分量法的基本原理范文

[關(guān)鍵詞]電力系統(tǒng)；相量測量裝置（PMU）；廣域相量測量系統(tǒng)（WAMS）

引言

隨著特高壓輸電和“西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)”工程的建設(shè)，我國電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模越來越大，將引起低頻振蕩，電力市場進(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)安全問題日益突出，使得對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也越來越高。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)動態(tài)特性分析。

基于PMU的廣域測量系統(tǒng)（wide　Area　Measurement　System，簡稱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)的動態(tài)變化，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了重要的作用。

1.廣域電網(wǎng)相量測量系統(tǒng)的發(fā)展

國外對于PMU的研究起始于20世紀(jì)80年代的美國，1983年美國GPS的出現(xiàn)，為相角測量提供了時(shí)鐘精度上的保證。1993年美國研發(fā)出了第一臺PMU，標(biāo)志著同步相量技術(shù)的實(shí)用化。美國西部電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)委員會（western　System　Coordinating　Council簡稱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年前后國內(nèi)開始了對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）的相量測量單元PMU具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能，即對電流、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)無法實(shí)現(xiàn)的功能：對相角的采集。

圖1是基于GPS的PMU基本原理結(jié)構(gòu)圖，其基本原理為：GPS接收器接收來自衛(wèi)星的信號，輸出1pps（1個(gè)脈沖每秒）信號給鎖相振蕩器，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)相量測量系統(tǒng)的應(yīng)用

基于PMU的廣域測量技術(shù)發(fā)展迅速，近年來已經(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、動態(tài)監(jiān)測和廣域保護(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，若能直接測量相角，將大大提高狀態(tài)估計(jì)的速度和精度，但由于沒有統(tǒng)一的基準(zhǔn)，相角測量難于實(shí)現(xiàn)。隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）的發(fā)展使相角測量得以實(shí)現(xiàn)。同步相量測量單元PMU借助于GPS技術(shù)，直接測得系統(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

隨著我國各大電網(wǎng)的互聯(lián)，低頻振蕩成為電力系統(tǒng)中的嚴(yán)重問題，因此，必須對平時(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)平臺發(fā)送觸發(fā)信號，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，最后對現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出有用信息。

3.3動態(tài)監(jiān)測

傳統(tǒng)的SCADA／EMS系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測，是因?yàn)闊o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)了相角的直接測量，極大地改善了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的預(yù)測及控制。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，通過功角的變化趨勢來預(yù)測哪個(gè)機(jī)組可能失穩(wěn)并采取相應(yīng)的對策，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WAMS系統(tǒng)迅速發(fā)展，除了以上高級應(yīng)用外，WAMS還在其他很多方面像模型的有效性評估、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帶來了更大的發(fā)展空間和應(yīng)用方向。

第2篇：對稱分量法的基本原理范文

【關(guān)鍵詞】PMU；WAMS；廣域相量測量；應(yīng)用技術(shù)

1、前 言

同步相量測量裝置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)事故推動了PMU和基于PMU的WAMS(Wide Area Measurement System)同步相量測量技術(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)測與控制、狀態(tài)估計(jì)與動態(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)問題

PMU要求同步對時(shí)誤差不超過1?s，相量幅度誤差小于0.2％，角度誤差不過0.2度，頻率測量為45－55Hz，誤差不超過0.005Hz，能連續(xù)記錄14天的數(shù)據(jù)，最快100Hz。GPS信號丟失時(shí)能自動守時(shí)，GPS失鎖60分鐘，誤差不超過55?s，按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議傳送動態(tài)數(shù)據(jù)。PMU的主要技術(shù)問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信號分成一系列脈沖用于采樣，交流信號經(jīng)過濾波處理后經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化，再經(jīng)過微處理器進(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

相量測量算法主要有離散傅立葉變換法(DFT)、過零檢測法等。

2.2.1 過零檢測法

過零檢測法只需將被測工頻信號的過零點(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量方法。對于50Hz的工頻信號，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，由CPU在電壓過零點(diǎn)時(shí)打上時(shí)間標(biāo)簽，再求出各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓相對于標(biāo)準(zhǔn)的50Hz信號的相角差。過零檢測法原理比較簡單，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，對輸入信號進(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周期的整數(shù)倍。信號頻率與采樣頻率不同步時(shí)周期采樣信號的相位在始端和終端不連續(xù)，會出現(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，差分后可將信號頻率轉(zhuǎn)化為系數(shù)，經(jīng)過求商約去時(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影響測量準(zhǔn)確度的因素

系統(tǒng)的頻率并非固定不變的，信號為非工頻信號時(shí)，使固定的采樣窗口與信號周期不一致，需要對非工頻信號進(jìn)行誤差補(bǔ)償，否則對相量測量單元的準(zhǔn)確度造成一定的影響。系統(tǒng)中的諧波也會對PMU裝置測量的準(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)畸變也會影響PMU的相量測量的精度。

3、PMU在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

1993年美國的工程技術(shù)人員研制出第一臺PMU裝置，標(biāo)志著同步相量測量技術(shù)在電力系統(tǒng)的實(shí)用化，使同步相量測量技術(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)測方面將會有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1動態(tài)過程監(jiān)測和記錄

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)的故障錄波和擾動情況下系統(tǒng)的行為錄波。

3.2系統(tǒng)低頻振蕩監(jiān)測、辨識與抑制

電力系統(tǒng)的低頻振蕩問題已成為制約電網(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)動態(tài)過程進(jìn)行在線同步測量，能夠快速測量與發(fā)電機(jī)機(jī)電暫態(tài)密切相關(guān)的測量量，如發(fā)電機(jī)的功角、角速度、內(nèi)電勢和母線電壓等，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。WAMS根據(jù)辨識結(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

基于PMU的廣域相量同步測量技術(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：對稱分量法的基本原理范文

基于環(huán)境激勵(lì)信號的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)在線檢測系統(tǒng)，利用高靈敏度三分量寬頻帶地震計(jì)，連續(xù)監(jiān)測北京市四座典型在役橋梁在自然荷載作用下的微弱振動信號，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)的微弱振動信號，非常適用于構(gòu)建新型的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)檢測系統(tǒng)；（2）峰值法和互相關(guān)函數(shù)法都能夠可靠地識別多階橋梁模態(tài)頻率，互相關(guān)函數(shù)法的識別結(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；頻譜特征；模態(tài)分析

中圖分類號：V442文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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，對于加強(qiáng)地區(qū)文化交流、促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。在長期的使用過程中，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)動車、履帶車、鐵輪車等經(jīng)過橋梁都有可能誘發(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)測橋梁損傷狀態(tài)，對橋梁的健康狀況進(jìn)行綜合評估，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對于保障大型橋梁的安全性和適用性具有非常重要的意義。

長期以來，人們對于大跨橋的安全檢測以人工方法為主（宋雨，2003），檢查方式具有一定的主觀性，并且檢查周期長，難以實(shí)時(shí)地對橋梁的健康狀況進(jìn)行綜合評估。另一種檢查方式是用儀器和損傷識別技術(shù)進(jìn)行自動損傷識別，然而目前檢測技術(shù)還有待完善，缺乏統(tǒng)一的定量損傷指標(biāo)，亟需發(fā)展新型的檢測技術(shù)和方法。

振動模態(tài)參數(shù)（頻率、振型和阻尼等）是決定結(jié)構(gòu)動力特性的主要參數(shù)，具有簡明、直觀和物理概念清晰等優(yōu)點(diǎn)（趙駿，2008）。準(zhǔn)確識別橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)及其變化，對于橋梁健康監(jiān)測和綜合評價(jià)具有重要作用。固有頻率是結(jié)構(gòu)動力學(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)生損傷會導(dǎo)致頻率降低，這一現(xiàn)象直接推動了與頻率相關(guān)的敏感參數(shù)在結(jié)構(gòu)識別中的應(yīng)用（雷理，2012）。Cawlye和Adams（1979）最早利用頻率數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別，通過特征值對結(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)，與損傷大小無關(guān)（李睿，2009；楊樂杰，2012）。Stubbs等（1991）研究了利用共振頻率識別結(jié)構(gòu)損傷的靈敏度方法，通過單元損傷指標(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擬合模擬頻率變化和實(shí)測頻率改變，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)評估方法，對損傷頻率變化間的關(guān)系以及限制振動測試在損傷識別中的應(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別方法對結(jié)構(gòu)的常規(guī)評估是有用的，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別法因傅里葉變換所帶來的誤差（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結(jié)果，近年來逐漸成為研究熱點(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)測實(shí)驗(yàn)對象，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)的微弱振動信號。采用功率譜密度以及地震學(xué)中干涉測量方法，獲得大型橋梁多階模態(tài)頻率，精確識別低階模態(tài)頻率，為將來橋梁結(jié)構(gòu)動力特性檢測和結(jié)構(gòu)健康診斷打下基礎(chǔ)。

1監(jiān)測設(shè)備與實(shí)驗(yàn)橋梁

監(jiān)測實(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)測動態(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)分量的振動信號。CMG-6TD地震計(jì)體積小、功耗低、攜帶安裝簡便，不需要開解鎖，通電即開始工作，便于野外流動觀測，廣泛應(yīng)用于流動地震觀測、火山監(jiān)測等科學(xué)研究，筆者將該類型寬頻帶地震計(jì)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測中，記錄環(huán)境激勵(lì)下的微弱振動信號，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ΡO(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)方式進(jìn)行說明。魯疃西路大橋位于北京市昌平區(qū)北七家未來科技城，橋身南北走向，全長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臺地震計(jì)，臺站間距約為100 m（圖1a）。圖1b為橋梁監(jiān)測實(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)測時(shí)間為4～30 h。

本文采用了2種信號處理方法，一是利用常規(guī)的峰值法識別模態(tài)頻率，二是采用背景噪聲互相關(guān)函數(shù)識別模態(tài)頻率。背景噪聲互相關(guān)的基本原理是，在隨機(jī)散射場的條件下，2個(gè)傳感器記錄信號的互相關(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)，但是其仍然對介質(zhì)狀態(tài)非常敏感，有可能被用來監(jiān)測結(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)物理量來刻畫結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。導(dǎo)波的速度測量能提供介質(zhì)密度和剛度信息，而尾波干涉能夠用來監(jiān)測橋梁的細(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）可以通過計(jì)算傳感器的長時(shí)間連續(xù)記錄的信號，經(jīng)過信號疊加及互相關(guān)函數(shù)計(jì)算公式得到，其中T為觀測時(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點(diǎn)的三分量功率譜密度，圖3給出了橋梁監(jiān)測實(shí)驗(yàn)中各橋梁主要測點(diǎn)的三分量功率譜密度。從監(jiān)測實(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號測點(diǎn)（橋身中部）的垂直分量功率譜密度比2號測點(diǎn)（橋梁支點(diǎn)附近）高約3～4個(gè)數(shù)量級，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，垂直分量能夠識別4個(gè)峰值（13 Hz、15 Hz、19 Hz、25 Hz），南北分量能夠識別出3個(gè)明顯峰值（13 Hz、19 Hz、25 Hz），東西分量能識別出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。一般來說，橋梁橋身長度越短，其固有頻率越高。由于直接對臺站進(jìn)行頻譜分析會受到橋梁不同位置以及觀測點(diǎn)的影響，因此我們又進(jìn)行了臺站之間的互相關(guān)處理來提高信噪比，排除外界噪音干擾。

32噪聲互相關(guān)函數(shù)法

利用每個(gè)測點(diǎn)的三分量連續(xù)波形記錄，計(jì)算所有可能的臺站對的相應(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)測實(shí)驗(yàn)中所有臺站對的東西分量和南北分量噪聲互相關(guān)函數(shù)隨臺站間距的變化。從圖4a可以看出，在t>0（因果信號）和t

均存在明顯的信號。因果信號要比非因果信號強(qiáng)，呈現(xiàn)明顯非對稱性，這可能由地震計(jì)布置在橋梁的一側(cè)，車輛來往的噪音不對稱這一原因引起的。然而互相關(guān)函數(shù)信號的視速度基本一致，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，這說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。

對于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)測實(shí)驗(yàn)的1號和8號測點(diǎn)、2號和7號測點(diǎn)臺站對的垂直、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，在所有臺站對的互相關(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)測點(diǎn)1和測點(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）。可以看出，前二階模態(tài)頻率非常穩(wěn)定，基本不隨時(shí)間變化，

這說明基于環(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)，為橋梁檢測提供了激勵(lì)信號。基于環(huán)境激勵(lì)的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)檢測方法，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)測等優(yōu)點(diǎn)，近年來快速發(fā)展。本文發(fā)展建立一套新型的基于環(huán)境激勵(lì)信號的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)檢測系統(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)檢測實(shí)驗(yàn)。利用高靈敏度三分量地震計(jì)連續(xù)監(jiān)測環(huán)境噪聲激勵(lì)下的橋梁微弱振動信號，分別利用峰值法和互相關(guān)函數(shù)法獲得了監(jiān)測橋梁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)測結(jié)果表明：

（1） 本次監(jiān)測實(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)的微弱振動信號，非常適用于構(gòu)建新型的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)檢測系統(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） 對于大跨度橋梁，由于垂直于橋梁走向的扭動，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)測實(shí)驗(yàn)中相對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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