CN101571413B - 基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测系统，包括多个无线加速度传感器节点、多个杆塔监测分机、GPRS通信模块、监控中心和电源模块，无线加速度传感器节点采集输电线路监测点的位移加速度值；杆塔监测分机采集输电线路周围环境的局部气象信息和杆塔线路的覆冰状况信息，将接收到的信息和采集的信息进行处理、储存和显示；GPRS通信模块用于接收和传输信息；监控中心对接收到的数据处理、分析和存储；电源模块为系统提供稳定电源。本发明监测系统实时采集输电线路各监测点处三个方向的位移加速度值，准确得到各监测点的相对位移，拟合出输电线路每一时刻的运动轨迹，实现了对输电线路舞动最直接、最有效的监测。
Description
技术领域
本发明属于输变电设备状态在线监测技术领域，涉及一种输电线路舞动在线监测系统，具体涉及一种基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测系统。
背景技术
架空输电线路受自然条件的影响会发生多种灾害事故，而输电线路舞动是其中较为严重的一种灾害。输电线路舞动是在特殊气象条件下发生了大面积雨淞天气，使得架空输电线路表面覆冰，输电线路在风的作用下产生低频率、大振幅的自激振动。输电线路舞动轻者导致输电系统发生闪络和跳闸，重者使输电系统发生金具及绝缘子损坏、导线断股、断线，杆塔螺栓松动和脱落，甚至倒塔，导致重大电网事故。造成输电线路舞动的因素很多，其中舞动半波数对输电线路舞动的波形影响较大，不同舞动半波数导致输电线路舞动差异很大。具体来说，常见的舞动半波数主要有1个、2个、3个和4个。5个及以上半波数的舞动幅值较小，不致引起输电线路故障。
近年来，受灾害性气象条件的影响，架空输电线路舞动事故发生的频率和强度明显增加，造成了巨大的经济损失，严重影响了电网的安全运行，对输电导线舞动进行有效监测成为当务之急。目前，对输电线路舞动的监测，是在覆冰在线监测系统的基础上通过监测舞动的频率等信息来进行计算，判断输电线路是否舞动。由于输电线路舞动受随机因素影响大，使得舞动数学模型不确定，造成计算不准确。同时，输电线路的舞动特征随不同影响参量而变化，仅仅监测舞动频率等相关的参量很难准确反映输电线路的舞动波形。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测系统，实时在线监测输电线路的舞动，能准确反映输电线路的舞动波形，对输电线路舞动进行直接有效的监测。
本发明所采用的技术方案是，基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测系统，该监测系统包括多个无线加速度传感器节点、多个杆塔监测分机、GPRS通信模块、监控中心和电源模块，其中，
无线加速度传感器节点用于采集输电线路监测点的位移加速度信号，并将采集的信号传输给杆塔监测分机；
杆塔监测分机，用于监测采集输电线路周围环境的局部气象信息和杆塔线路的覆冰状况信息，用于接收无线加速度传感器节点发送的信号，用于将采集的信息和接收到的信号进行分析处理、储存和显示，并将处理得到的数据送到GPRS通信模块，且一个杆塔监测分机用于接收若干无线加速度传感器节点发送的信号；
GPRS通信模块采用H7118C GPRS DTU，用于接收杆塔监测分机发送的信息，并将接收到的信息传输至监控中心，用于接收监控中心发出的指令，并将接收到的指令传输给杆塔监测分机；
监控中心，用于发出指令，并将该指令发送给GPRS通信模块，用于接收杆GPRS通信模块发送的数据，对接收到的数据进行处理、分析和存储；
电源模块，用于为杆塔监测分机和GPRS通信模块提供稳定的5V及12V电源。
本发明的特征还在于，
无线加速度传感器节点包括相连接的ZigBee通信模块和加速度传感器，加速度传感器采用三轴加速度传感器ADXL330，ZigBee通信模块包括无线单片机，无线单片机的引脚16、引脚17和引脚18分别与加速度传感器的引脚12、引脚10和引脚8相连接，无线单片机的引脚44与电容C1串联，电容C1接地，无线单片机的引脚43与电容C2串联，电容C2接地，无线单片机的引脚44与引脚43之间并联有晶振1，无线单片机的引脚19与电容C5串联，电容C5接地，无线单片机的引脚21与电容C4串联，电容C4接地，无线单片机的引脚32分别与电感L2的一端和印刷版微波传输线的一端相连接，电感L2的另一端与无线单片机的引脚34相连接，印刷版微波传输线的另一端分别与电感L2的另一端、引脚34和电感L3的一端相连接，电感L3的另一端与电容C3串联，电容C3与外部天线相连接。
杆塔监测分机的结构包括：微处理器单元分别与数据存储单元、液晶显示单元和舞动信息信号处理单元相连接，舞动信息信号处理单元分别与雨量传感器、压力传感器、角位移传感器、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器和日照强度传感器相连接，微处理器单元还分别与电源模块和ZigBee通信模块相连接。
电源模块包括依次并联的太阳能电池、电阻R1、充电保护电路、场效应管A、+12V蓄电池、放电保护电路、定时断电电路和+5V电源稳压器，太阳能电池的正极和负极分别与+12V蓄电池的正极和负极相连接，太阳能电池和+12V蓄电池的负极接地，太阳能电池的正极与+12V蓄电池的正极之间串联有二极管D1，二极管D1位于+12V蓄电池和场效应管A之间，二极管D1的负极与+12V蓄电池的正极相连接，场效应管A还与充电保护电路相连接，电阻R2与放电保护电路之间连接有场效应管B，场效应管B与+12V蓄电池的负极相连接。
本发明监测系统的特点：
1.采用加速度传感器测量相应监测点处的位移加速度，通过对输电线路运动轨迹的拟合，实现对输电线路舞动最直接、最直观的监测，大大提高了监测的精度。
2.采用ZigBee技术，通过ZigBee节点方便地组网，实现了低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远的无线加速度传感器网络。
3.采用GPRS无线通信技术进行数据传输与控制，避免了传统数据传输方式带来的电缆施工，大大降低了施工的难度和系统安装成本；系统既可连续安装又可离散安装。
4.采用各种低功耗、超低功耗的传感器和微处理器芯片，大大降低了系统的功耗；采用太阳能加蓄电池充放电电路，为系统提供稳定的电源，使得系统可以连续、长期、稳定地在野外工作。
5.采用B/S模式实现远程监控，客户端免维护，使系统的分布相对集中，有利于系统的维护，具有较好的可扩展性以及灵活性；
6.基于对前期导线舞动相关数据的研究，监控中心的上位机软件嵌入了多种智能算法，大大减小了数据的误差，提高了数据的拟合精度；
附图说明
图1是本发明监测系统一种实施例的结构示意图；
图2是本发明监测系统中杆塔监测分机的结构示意图；
图3是本发明监测系统中的无线加速度传感器节点的结构示意图；
图4是本发明监测系统中电源模块的结构示意图；
图5是本发明监测系统中的无线加速度传感器节点的程序流程图；
图6是本发明监测系统中杆塔监测分机的流程图。
图中，1.无线加速度传感器节点，2.杆塔监测分机，3.GPRS通信模块，4.监控中心，5.电源模块，6.微处理器单元，7.ZigBee通信模块，8.数据存储单元，9.液晶显示模块，10.雨量传感器，11.压力传感器，12.角位移传感器，13.温湿度传感器，14.风速传感器，15.风向传感器，16.日照强度传感器，17.舞动信息信号处理单元，18.加速度传感器。
其中，5-1.太阳能电池，5-2.充电保护电路，5-3.场效应管A，5-4.+12V蓄电池，5-5.场效应管B，5-6.放电保护电路，5-7定时断电复位电路，5-8.+5V电源稳压器，7-1.无线单片机，7-2.外部天线，7-3.印刷版微波传输线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明监测系统一种实施例的结构，如图1所示，包括多个无线加速度传感器节点1、多个杆塔监测分机2、GPRS通信模块3、监控中心4和电源模块5。
无线加速度传感器节点1，用于采集输电线路监测点的位移加速度信号，并将采集的信号传输给杆塔监测分机2；
杆塔监测分机2用于监测采集输电线路周围环境的局部气象信息和杆塔线路的覆冰状况信息，用于接收无线加速度传感器节点1发送的信号，用于将采集的信息和接收到的信号进行分析处理、储存和显示，并将处理得到的数据送到GPRS通信模块3，且一个杆塔监测分机2用于接收若干无线加速度传感器1传输的信号；
GPRS通信模块3采用H7118C GPRS DTU，用于接收杆塔监测分机2发送的信息，并将接收到的信息传输至监控中心4，用于接收监控中心4发出的指令，并将接收到的指令传输给杆塔监测分机2；
监控中心4，用于发出指令，并将该指令发送给GPRS通信模块3，用于接收GPRS通信模块3发送的数据，对接收到的数据进行处理、分析和存储；
电源模块5由蓄电池、太阳能电池板和太阳能充放电电路组成，用于为杆塔监测分机2和GPRS通信模块3提供稳定的5V及12V电源。
各无线加速度传感器节点1都具有独立的控制器和电源，多个无线加速度传感器节点1组成传感器网络。
本发明监测系统中杆塔监测分机2的结构，如图2所示，包括微处理器单元6，微处理器单元6分别与电源模块5、ZigBee通信模块7、数据存储单元8、液晶显示单元9和舞动信息信号处理单元17相连接，舞动信息信号处理单元17分别与雨量传感器10、压力传感器11、角位移传感器12、温湿度传感器13、风速传感器14、风向传感器15和日照强度传感器16相连接。
杆塔监测分机2主要完成输电线路周围环境气象信息以及杆塔线路环境温湿度、风速、风向、雨量、日照强度、杆塔处线路的拉力和风偏角等信息的采集，并将接收到的无线加速度传感器节点1发送的数据进行处理、打包，并存储重要信息，同时控制液晶显示和GPRS通讯等。杆塔监测分机2中的微处理器单元6选用TI公司的16位MSP430F247微处理器，具备超低功耗和丰富的外设，具有1个带有3个比较/捕获通道的16位定时器A和1个带有7个比较/捕获通道的16位定时器B，微处理器内部集成了多个12位ADC模块，可以快速处理各种数字信号、模拟信号以及脉冲信号，该微处理器除了活动模式外还有4种低功耗模式，在实现高性能的同时，降低系统功耗。
温湿度传感器13选用瑞士Sensirion公司基于CMOSensTM技术的温湿度传感器SHT1x，该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术相结合，并带有工业标准的I2C总线数字输出接口，湿度值和温度值的输出分辨率分别为14位和12位，并可编程为12位和8位。该传感器测量时的电流消耗为550μA，平均为28μA，休眠时为3μA，并且具有很好的稳定性。
风速传感器14采用低门槛值(0.4m/s)、测量范围0～75m/s的三杯式光电风速传感器WAA15，其输出信号为脉冲信号，信号频率与风速成正比，通过单位时间内的计频完成风速测量。
风向传感器15为单翼风标，风标转动时，带动格雷码盘(七位，分辨率为2.8°)转动，格雷码盘每转动2.8°，光电管组产生新的七位并行格雷码数字信号输出。
雨量传感器10采用翻斗雨量传感器，输出脉冲信号。
角位移传感器12和压力传感器11分别输出0～5V的模拟信号，该模拟信号直接输入接到微处理器单元6的模拟I/O进行处理。
日照强度传感器16采用锦州阳光科技发展有限公司的TBQ-2传感器，用于测量日照强度，该传感器输出0～20mV的模拟电压信号，经过多极放大后调制为0～2.5V的模拟信号。
舞动信息信号处理单元17是一个综合单元，采用电子通用信号处理方式，对微处理器单元6前端输入的信号进行滤波、抗干扰和稳压处理，防止该输入信号的过电压损坏微处理器单元6的输入/输出端口。
杆塔监测分机2的微处理器单元6为3.3V低功耗系统，很多输入输出信号不匹配，为此系统中采用了大量的保护电路，同时由于工作在2.4G频率带上的ZigBee节点，系统采用了高频干扰，在杆塔监测分机2中采取了多种抗干扰措施，确保了杆塔监测分机2工作的稳定性。
本发明监测系统中无线加速度传感器节点1的结构，如图3所示，包括相连接的ZigBee通信模块7和加速度传感器18，ZigBee通信模块7包括无线单片机7-1，无线单片机7-1的引脚16、引脚17和引脚18分别与加速度传感器18的引脚12、引脚10和引脚8相连接，无线单片机7-1的引脚44与电容C1串联，电容C1接地，无线单片机7-1的引脚43与电容C2串联，电容C2接地，引脚44与引脚43之间并联有晶振1；无线单片机7-1的引脚19与电容C5串联，电容C5接地，无线单片机7-1的引脚21与电容C4串联，电容C4接地；无线单片机7-1的引脚32分别与电感L2的一端和印刷版微波传输线7-3的一端相连接，电感L2的另一端与无线单片机7-1的引脚34相连接，印刷版微波传输线7-3的另一端分别与电感L2的另一端、引脚34和电感L3的一端相连接，电感L3的另一端与电容C3串联，电容C3与外部天线7-2相连接。加速度传感器18采用三轴加速度传感器ADXL330。
三轴加速度传感器ADXL330功耗低、灵敏度高，最大测量范围为+/-3g，X轴和Y轴的带宽为0.5～1600Hz，Z轴带宽为0.5～550Hz；ZigBee通信模块7采用TI公司的低功耗芯片CC2430，工作时的电流损耗为27mA，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。可提供模拟电压输出，能测量出任意时刻输出导线沿X轴、Y轴和Z轴三个方向的位移加速度分量。
ZigBee通信模块7基于TI公司的低功耗芯片CC2430，采用了非平衡天线和与其相连接的非平衡变压器。非平衡变压器由电感L1、电感L2和印刷版微波传输线7-3组成，能满足RF输入/输出匹配电阻(50Ω)的要求，为了进一步提高无线传输距离，增加了接收天线，该接收天线由电容C3、电感L3和外部天线7-3构成；晶振1、电容C1和电容C2为无线单片机7-1提供32.768KHz的时钟源；晶振2、电容C4和电容C5为无线单片机7-1提供32M的时钟源。加速度传感器18三个方向的输出引脚12、引脚10和引脚8分别接到无线单片机7-1的模拟输入引脚16、引脚17和引脚18，实现了无线单片机7-1对加速度传感器18产生的信号数据的采集。无线加速度传感器节点1由两节串联的1.5伏电池提供3伏电源。在一段输电线路上布置若干个无线加速度传感器节点1，各无线加速度传感器节点1共同组成树状的无线加速度传感器网络，该传感器网络中，路由器节点和终端节点定时/实时发送各自的三个方向的加速度分量至杆塔监测分机2的接收模块(协调器节点)，同时各路由器节点还负责该传感器网络中数据的中继。协调器节点一方面负责整个网络的维护工作，另一方面将接收的数据发送给杆塔监测分机2的微处理器单元6。
本发明监测系统中电源模块5的结构，如图4所示，包括依次并联设置的太阳能电池5-1、电阻R1、充电保护电路5-2、场效应管A5-3、+12V蓄电池5-4、放电保护电路5-6、定时断电电路5-7和+5V电源稳压器5-8，太阳能电池5-1的正极和负极分别与+12V蓄电池5-4的正极和负极相连接，太阳能电池5-1和+12V蓄电池5-4的负极接地，太阳能电池5-1的正极与+12V蓄电池5-4的正极之间串联有二极管D1，二极管D1位于+12V蓄电池5-4和场效应管A5-3之间，二极管D1的负极与+12V蓄电池5-4的正极相连接，场效应管A5-3还与充电保护电路5-2相连接，电阻R2与放电保护电路5-6之间连接有场效应管B5-5，场效应管B5-5与+12V蓄电池5-4的负极相连接。
本监测系统在野外工作，很难取电，电源模块5采用太阳能加蓄电池的供电模式，为系统提供稳定的5伏和12伏电源。并采用了充电保护电路5-2、放电保护电路5-6和定时断电复位电路5-7。二极管D1用于阴雨天和夜晚无太阳光时，+12V蓄电池5-4对太阳能电池5-1放电；电阻R1和电阻R2为压敏电阻，用于防雷击保护；场效应管A5-3用于充电控制，场效应管B5-5用于放电控制。
GPRS通信模块3支持双频GSM/GPRS，符合ETSI GSM Phase 2+标准，数据终端永远在线，支持A5/1&A5/5加密算法、透明数据传输与协议转换，支持虚拟数据专用网、短消息数据备用通道(选项)，支持动态数据中心域名和IP地址，支持RS-232/422/485或以太网接口，可通过Xmodem协议进行软件升级，并具备自诊断、告警输出和抗干扰性能，适于电磁环境恶劣环境中应用的需求，该模块采用先进电源技术，供电电源适应范围宽，稳定性较好，选配防潮外壳，适合室外使用。可直接与监控终端设备连接，实现GPRS拨号上网功能。该模块性能稳定，足以满足系统设计需要。
本监测系统中各个无线加速度传感器节点1为了降低功耗，上电后就处于睡眠状态(低功耗状态)，当接收到协调器节点发送的采集加速度值的命令后，即刻从休眠模式转到主动模式，开始采集监测点处输电导线三个方向的位移加速度值，并将采集的位移加速度值发送给协调器节点，发送成功后无线加速度传感器节点1再次转入睡眠模式，其流程图，如图6所示。
杆塔监测分机2的流程图，如图7所示，杆塔监测分机2上电自检成功后，为减少系统的功耗，转入低功耗模式。当杆塔监测分机2接收到监控中心4发出的采集和发送数据的命令后，立刻从低功耗模式转入活动模式，一方面让安装于杆塔监测分机2上的协调器节点向其它节点发送采集加速度值的命令，另一方面微处理器单元6开始采集杆塔上各个传感器发出的信号，当两路数据全部采集完毕后，微处理器单元6控制GPRS通信模块3，将采集的数据发送至监控中心4，数据发送成功后，杆塔监测分机2再次转入低功耗状态。
本发明监测系统的工作过程：
将传感器网络的各节点安装于输电导线的特征点上，在输电导线运动过程中协调器节点命令其它各节点控制器，通过加速度传感器18采集输电导线各监测点在运动过程中三个坐标的位移加速度分量。终端节点、路由节点与协调器节点之间采取树形网络拓朴结构，利用ZigBee无线方式进行短距离通信，将采集的信息发送至杆塔监测分机2。杆塔监测分机2一方面集中各传感器节点上传的信息，另一方面通过对输电线路覆冰厚度(杆塔线路处的拉力、风偏角)、气象信息(温度、湿度、风速、风向和雨量等)，计算出一些重要的输电线路舞动信息，并对该两部分信息进行分析和相应的数据处理后，将处理后的数据通过GPRS通信模块3远距离无线输送到监控中心4。监控中心4根据接收到的实时输电线路舞动信息数据进行不同的处理，对相应的数据进行拟合，实时生成输电导线某一监测点在不同时期的位移变化图以及整条输电线路的位移变化图，还可以根据得到的相关信息预测未来某一时刻输电线路位移变化的图形。
本发明监测系统，实时/定时采集输电线路各监测点处三个方向的位移加速度值，经过定量计算和定性分析，准确得到输电线路各监测点处的相对位移，并拟合出输电线路在每一时刻的运动轨迹，实现了对输电线路导线舞动最直接、最有效的监测。
Claims (3)
1.基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测系统，其特征在于，该监测系统包括多个无线加速度传感器节点(1)、多个杆塔监测分机(2)、GPRS通信模块(3)、监控中心(4)和电源模块(5)，其中，
无线加速度传感器节点(1)用于采集输电线路监测点的位移加速度信号，并将采集的信号传输给杆塔监测分机(2)；包括相连接的ZigBee通信模块(7)和加速度传感器(18)，所述的加速度传感器(18)采用三轴加速度传感器ADXL330，所述的ZigBee通信模块(7)采用基于TI公司的低功耗芯片CC2430，包括无线单片机(7-1)，无线单片机(7-1)的引脚16、引脚17和引脚18分别与加速度传感器(18)的引脚12、引脚10和引脚8相连接，无线单片机(7-1)的引脚44与电容C1串联，电容C1接地，无线单片机(7-1)的引脚43与电容C2串联，电容C2接地，无线单片机(7-1)的引脚44与引脚43之间连接有晶振1，无线单片机(7-1)的引脚19与电容C5串联，电容C5接地，无线单片机(7-1)的引脚21与电容C4串联，电容C4接地，无线单片机(7-1)的引脚32分别与电感L2的一端和印刷版微波传输线(7-3)的一端相连接，电感L2的另一端与无线单片机(7-1)的引脚34相连接，印刷版微波传输线(7-3)的另一端分别与电感L2的另一端、引脚34和电感L3的一端相连接，电感L3的另一端与电容C3串联，电容C3与外部天线(7-2)相连接；
杆塔监测分机(2)，用于监测采集输电线路周围环境的局部气象信息和杆塔线路的覆冰状况信息，用于接收无线加速度传感器节点(1)发送的信号，用于将采集的信息和接收到的信号进行分析处理、储存和显示，并将处理得到的数据送到GPRS通信模块(3)，且一个杆塔监测分机(2)用于接收若干无线加速度传感器节点(1)发送的信号；
GPRS通信模块(3)采用H7118C GPRS DTU，用于接收杆塔监测分机(2)发送的信息，并将接收到的信息传输至监控中心(4)，用于接收监控中心(4)发出的指令，并将接收到的指令传输给杆塔监测分机(2)；
监控中心(4)，用于发出指令，并将该指令发送给GPRS通信模块(3)，用于接收杆GPRS通信模块(3)发送的数据，对接收到的数据进行处理、分析和存储；
电源模块(5)，用于为杆塔监测分机(2)和GPRS通信模块(3)提供稳定的5V及12V电源。
2.按照权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述的杆塔监测分机(2)的结构包括：微处理器单元(6)分别与数据存储单元(8)、液晶显示单元(9)和舞动信息信号处理单元(17)相连接，舞动信息信号处理单元(17)分别与雨量传感器(10)、压力传感器(11)、角位移传感器(12)、温湿度传感器(13)、风速传感器(14)、风向传感器(15)和日照强度传感器(16)相连接，微处理器单元(6)还分别与电源模块(5)和ZigBee通信模块(7)相连接。
3.按照权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述的电源模块(5)包括依次并联的太阳能电池(5-1)、电阻R1、充电保护电路(5-2)、场效应管A(5-3)、+12V蓄电池(5-4)、放电保护电路(5-6)、定时断电电路(5-7)和+5V电源稳压器(5-8)，太阳能电池(5-1)的正极和负极分别与+12V蓄电池(5-4)的正极和负极相连接，太阳能电池(5-1)和+12V蓄电池(5-4)的负极接地，太阳能电池(5-1)的正极与+12V蓄电池(5-4)的正极之间串联有二极管D1，二极管D1位于+12V蓄电池(5-4)和场效应管A(5-3)之间，二极管D1的负极与+12V蓄电池(5-4)的正极相连接，场效应管A(5-3)还与充电保护电路(5-2)相连接，电阻R2一端与+12V蓄电池(5-4)的正极相连接，另一端与场效应管B(5-5)的栅极相连接，电阻R2与放电保护电路(5-6)之间连接有场效应管B(5-5)，场效应管B(5-5)与+12V蓄电池(5-4)的负极相连接。
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Denomination of invention: Transmission line galloping on-line monitoring system based on acceleration sensor Effective date of registration: 20160120 Granted publication date: 20110209 Pledgee: Shaanxi Qin Nong rural commercial bank, Limited by Share Ltd hi tech sub branch Pledgor: Xi'an Jin Power Electrical Co., Ltd. Registration number: 2016980000005 |
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