CN103292940B - 电力线载波技术的低压电线杆斜拉索预紧力远程监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于电力线载波技术的低压电线杆斜拉索预紧力远程监测系统，所述远程监测装置包括用以检测斜拉索预紧力的拉力传感器、用以调节斜拉索预紧力的滚轮、用以将信号通过电力线载波传输的电力载波模块、用以收集各个低压电线杆斜拉索的拉力信号和传达控制指令的集中控制器和用以实现远程检测的监控中心，所述斜拉索与所述滚轮连接，所述滚轮的转轴与步进电机的输出轴联动；所述拉力传感器与电力载波模块连接，所述电力载波模块与所述集中控制器通信连接，所述集中控制器与所述监控中心通信连接，所述监控中心包括实时监测模块和预紧力调整控制模块。本发明实现在线监测、降低劳动强度、提升可靠性。

Description

电力线载波技术的低压电线杆斜拉索预紧力远程监测系统

技术领域

本发明涉及一种低压输电线路电线杆监测系统。

背景技术

低压电线电线杆安全隐患一直未得到应有重视，据不完全统计，全国低压输电线路电线杆倒塌事件频频发生，例如：2011年11月10日上海青浦一电线杆倒塌砸死3名路人；2012年4月27日上午9时许，北京朝阳区望京广顺南大街北口运通101总站，站台附近一根电线杆突然倒塌，致一行人脚部受伤；2012年12月19日东莞市塘厦镇的一个十字路口，一根电线杆倒塌，引发大塞车。而莞事记者现场采访时，又亲眼目睹另外一根电线杆砸下来，刚好砸中路过的一辆出租车。南京市2013年1月28日晚上10点半，一辆76路公交车行驶到南京燕尧路小岗巷子路段，两根路旁电线杆突然倒塌，把开车的司机吓了一跳。司机紧急刹车，才保证了一车人的安全。

目前电线杆倒塌关键问题是时间性未能有效确定，因此这不仅导致输电线路局部中断，造成停电现象，而且电线杆的倒塌可能会导致路边人员伤亡，甚至引起道路交通堵塞现象。如何及时有效地防止电线杆倒塌，已经成为供电部门科研技术人员的研究课题。本发明专利采用载波通信技术，单片机技术，传感器检测技术等可以有效监测电线杆受力情况，发现问题并且及时调整拉力，从而有效地保证电线杆安全性，保障输电线路正常运作，对于提高人民日常生活安全性有积极重大意义。达到广泛的市场经济价值目的。

发明内容

为了克服已有低压输电线路电线杆的人为监测、可靠性较差、劳动强度大、无法实现在线监测的不足,本发明提供了一种实现在线监测、降低劳动强度、提升可靠性的基于电力线载波技术的低压电线杆斜拉索预紧力远程监测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于电力线载波技术的低压电线杆斜拉索预紧力远程监测系统，所述远程监测系统包括用以检测斜拉索预紧力的拉力传感器、用以调节斜拉索预紧力的滚轮、用以将信号通过电力线载波传输的电力载波模块、用以收集各个低压电线杆斜拉索的拉力信号和传达控制指令的集中控制器和用以实现远程检测的监控中心，所述斜拉索与所述滚轮连接，所述滚轮的转轴与步进电机的输出轴联动；所述拉力传感器与电力载波模块连接，所述电力载波模块与所述集中控制器通信连接，所述集中控制器与所述监控中心通信连接，所述监控中心包括：

实时监测模块，用以实时监测各个低压电线杆斜拉索的拉力信号，当所监测的拉力数值到达最低警戒值时，发出报警指令；

预紧力调整控制模块，用以比较当前监测的拉力与预设值，如果相等则不调节输出比例，如果不等时，判断当前预紧力大于或小于预设值，向步进电机发送反转指令以减少预紧力或发送正转指令以增大预紧力。

进一步，所述预紧力调整控制模块中，采用PID控制，根据预设斜拉索拉力值r(t)与当前监测的拉力值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，应该注意：本专利所预设的电线杆斜拉索预紧力值为恒值，不随时间t变化。

恒预紧拉力的控制方式采用积分分离PID控制方法，首先人为设定阀值ε＞0；当随时变化的偏差e(t)＞ε时，采用PD控制方法，当e(t)≤ε时，采用PID方法，保证系统的控制精度。

更进一步，所述电力载波模块为具有扩频通信功能的SC1128作电力线载波芯片。

本发明的有益效果主要表现在：1、实现在线监测、降低劳动强度、提升可靠性；2、利用扩频通信电力线载波芯片SC1128和AT89C51单片机设计了电线杆斜拉绞索预紧力远程监测与控制系统。该系统通过电力线载波，利用低压电力线作为通信媒介，不需要进行重新布线施工实现了通信网络化，做到了电线杆斜拉绞索预紧力系统的远程报警、同时，利用步进电机调节与控制斜拉索张紧力，从而避免了电线杆意外倒塌，影响输电线路安全的可能性，有极其广泛市场应用价值。其结构简单，体积小，重量轻；生产制造成本低。

附图说明

图1是低压电线杆斜拉索预紧力远程监测系统的示意图。

图2是电线杆斜拉绞索力检测示意图。

图3是电线杆斜拉绞索预紧力检测与步进电机控制示意图。

图4是斜拉索预紧力模糊控制示意图。

图5是积分分离式PID控制的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种基于电力线载波技术的低压电线杆斜拉索预紧力远程监测系统，所述远程监测系统包括用以检测斜拉索5预紧力的拉力传感器1、用以调节斜拉索预紧力的滚轮、用以将信号通过电力线载波传输的电力载波模块2、用以收集各个低压电线杆斜拉索的拉力信号和传达控制指令的集中控制器3和用以实现远程检测的监控中心4，所述斜拉索与所述滚轮连接，所述滚轮的转轴与步进电机的输出轴联动；所述拉力传感器1与电力载波模块2连接，所述电力载波模块2与所述集中控制器3通信连接，所述集中控制器3与所述监控中心4通信连接；所述监控中心包括：

实时监测模块，用以实时监测各个低压电线杆斜拉索的拉力信号，当所监测的拉力数值到达最低警戒值时，发生报警指令；

预紧力调整控制模块，用以比较当前监测的拉力与预设值，如果相等则不调节输出比例，如果不等时，判断当前预紧力大于或小于预设值，向步进电机发送反转指令以减少预紧力或发送正转指令以增大预紧力。

进一步，所述预紧力调整控制模块中，采用PID控制，根据预设斜拉索拉力值r(t)（本专利设为恒定值）与当前监测的拉力值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，恒预紧拉力的控制方式采用积分分离PID控制方法，首先人为设定阀值ε＞0；当偏差e(t)＞ε时，采用PD控制方法，当e(t)≤ε时，采用PID方法，保证系统的控制精度。

所述电力载波模块2为具有扩频通信功能的SC1128作电力线载波芯片。

本实施例中，微控制器LPC2214与载波通信模块实现串口通信，是在载波通信控制器的基础上增加了电线杆斜拉绞索预紧力信息采集与步进电机控制功能。由图3可以看出，LPC2214通过LMD12845专用驱动电路控制器控制步进电机正转或者反转。步进电动机的正反转拉索滚轮以实现对电线杆斜拉绞索预紧力高度控制。这样就可以对电线杆斜拉绞索预紧力进行控制了。将力传感器安装到电线杆斜拉绞索上，当所监测拉力数值到达最低警戒值时发生报警，接受远程指令，微控制器LPC2214控制步进电机运转。

本装置采用LPC2214微控制器，LPC2214是基于一个支持实时仿真和跟踪32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，并带有256KB嵌入的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，对代码规模有严格控制应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能损失去很小。

对于预紧力数据的采集，我们采用电阻式应变拉力传感器，由于从传感器中得到信号相对来说是非常微弱的，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器的输入。本专利对拉力传感器配备信号调理电路，主要使用放大电路进行差分放大，采用高精度、高性能低成本的仪表放大器AD620构成的差分放大电路，然后利用一个二阶有源低通滤波器对信号的高频段的干扰信号进行过滤，从而提高信号的质量。

与人为设定所需的工作预紧（即设定预紧力）相比较，如果两个比较的预紧力相等时，预紧力控制器不调节输出比例，而两个比较的预紧力不等时，预紧力控制器将判断测定预紧力大于或小于设定而相应的减小或增大输出比例，从而使测量预紧力与设定预紧力保持动态平衡来实现恒预紧力。由拉力传感器测得的预紧力模拟信号经过放大A/D转换后得到数字信号，进入LPC2214与给定值进行比较运算，偏差值再经过PID算法调节，如图4所示。

其中，PID控制是一种线性控制器，它根据给定的斜拉索拉力值r(t)（本专利设为恒定值）与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t),电线杆斜拉索预紧拉力的控制方式采用积分分离PID控制方法，当系统输出很大的偏差，会使得PID运算的积分积累很大，造成系统较大的超调，甚至引起系统较大的震荡。为了克服这一问题，选用积分分离PID算法作为系统控制策略，其具体实现方法是：首先人为设定阀值ε＞0；当随时间变化的偏差e(t)＞ε时，采用PD控制方法，可避免过大的超调，又使系统有较大的响应；当e(t)≤ε时采用PID方法，保证系统的控制精度。

设采样周期为T，则第k个采样周期的时间点为t=kT，第k个采样周期的时刻系统控制输出量为u(k)，积分分离的PID控制离散化公式为

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+{\mathrm{\βk}}_i\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)\×T+k_d[e\left(k\right)-e(k-1)]/T---\left(1\right)$

式中：e(k）为第k个采样周期的时刻控制偏差，e(k-1）为第k-1个采样周期的时刻控制偏差，β项为积分项的权系数，当|e(k)|＞ε时，β=0,当|e(k)|≤ε时，β=1；k_p为比例常数；k_d为微分常数；k_i为积分常数。控制流程图如图5所示，通过输入阶跃信号，采用积分分离PID算法对其进行跟踪，一般电线杆斜拉索正常拉力值设定为2400N，具体可参照国家电网低压输电线路电线杆设计规范。

Claims (3)

1.一种基于电力线载波技术的低压电线杆斜拉索预紧力远程监测系统，其特征在于：所述远程监测系统包括用以检测斜拉索预紧力的拉力传感器、用以调节斜拉索预紧力的滚轮、用以将信号通过电力线载波传输的电力载波模块、用以收集各个低压电线杆斜拉索的拉力信号和传达控制指令的集中控制器、用以实现远程检测的监控中心，所述斜拉索与所述滚轮连接，所述滚轮的转轴与步进电机的输出轴联动；所述拉力传感器与电力载波模块连接，所述电力载波模块与所述集中控制器通信连接，所述集中控制器与所述监控中心通信连接，所述监控中心包括：

实时监测模块，用以实时监测各个低压电线杆斜拉索的拉力信号，当所监测的拉力数值到达最低警戒值时，发出报警指令；

预紧力调整控制模块，用以比较当前监测的拉力与预设值，如果相等则不调节输出比例，如果不等时，判断当前预紧力大于或小于预设值，向步进电机发送反转指令以减少预紧力或发送正转指令以增大预紧力。

2.如权利要求1所述的基于电力线载波技术的低压电线杆斜拉索预紧力远程监测系统，其特征在于：所述预紧力调整控制模块中，采用PID控制，根据预设斜拉索拉力值r(t)与当前监测的拉力值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，恒预紧拉力的控制方式采用积分分离PID控制方法，首先人为设定阀值ε＞0；当偏差e(t)＞ε时，采用PD控制方法，当e(t)≤ε时，采用PID方法，保证系统的控制精度。

3.如权利要求1或2所述的基于电力线载波技术的低压电线杆斜拉索预紧力远程监测系统，其特征在于：所述电力载波模块为具有扩频通信功能的SC1128作电力线载波芯片。