CN104931002A - 输电线路舞动轨迹多维度监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输电线路舞动轨迹多维度监测系统及监测方法，监测系统包括多个无线惯性测量单元、杆塔数据预处理单元及监测单元，多个无线惯性测量单元分别设置在导线上，杆塔数据预处理单元设置在杆塔上，监测单元设置在监控站，无线惯性测量单元和杆塔数据预处理单元之间通过无线信号相连，杆塔数据预处理单元与监测单元之间通过以太网相连，通过惯性测量单元测量导线的三维运动轨迹，通过无线传输给杆塔数据预处理单元进行预处理，然后通过以太网将数据传送给监测单元，监测单元计算出导线的舞动轨迹和舞动特征值，并显示出来。本发明能够实时准确监测输电线路的三维舞动轨迹，同时可以及时发现存在事故隐患的输电线路，避免经济损失。
Description
技术领域
本发明型涉及输电线路在线监测领域，尤其涉及一种输电线路舞动轨迹多维度监测系统及监测方法。
背景技术
导线舞动是指非圆截面导线在风载荷作用下产生的一种低频、大振幅的自激振动。当风速达到5-25m/s时，导线最易发生舞动。导线舞动可产生多种危害，例如跳闸、导线电弧烧伤、金具损坏、导线断股、断线、输电杆倒塌等，是威胁输电线路安全运行的重要因素。
导线舞动与导线的结构参数、风激励等条件具有重要关系，由于导线所处的地形环境、气候不同，导线舞动状态和舞动轨迹具有很大的随机性，所以对输电线路舞动轨迹的测量就变的十分困难。
现有的导线舞动轨迹测量装置主要有基于图像处理技术的监测装置和基于加速度传感器的监测装置两种，其中，基于图像处理技术的监测装置主要是通过摄像头采集导线舞动画面，通过图像处理技术处理图像数据，从而得出导线舞动特征参数，此种检测方法只能对舞动进行定性检测，不能准确得出导线的舞动轨迹；而基于加速度传感器的检测装置一般是将加速度传感器固定在导线表面，用加速度传感器测量导线舞动时的加速度变化，从而计算出导线的移动距离，但是加速度传感器直接安装在导线上，容易受到电磁波的干扰，且当导线发生扭转而不是舞动时，加速度传感器仍有结果输出，这就导致测量结果出现偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种输电线路舞动轨迹多维度检测系统及监测方法，能够实时准确监测输电线路的三维舞动轨迹。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
输电线路舞动轨迹多维度监测系统，包括多个无线惯性测量单元、杆塔数据预处理单元及监测单元，所述多个无线惯性测量单元分别设置在导线的各个监测节点上，杆塔数据预处理单元设置在杆塔上，监测单元设置在监控站，所述多个无线惯性测量单元和杆塔数据预处理单元之间通过无线信号相连，杆塔数据预处理单元与监测单元之间通过以太网相连。
所述无线惯性测量单元包括惯性测量单元、第一Zigbee无线模块和第一电源模块，所述惯性测量单元与第一Zigbee无线模块之间为双向通信，第一Zigbee无线模块采用F8913 Zigbee模块，第一电源模块采用太阳能电池板与蓄电池共同供电。
所述无线惯性测量单元还包括电源控制电路和第一电源管理模块。
输电线路舞动轨迹多维度监测系统，所述杆塔数据预处理单元包括风速仪、第二Zigbee无线模块、中央处理模块、以太网通信模块及第二电源，所述风速仪的输出端连接中央处理模块的输入端，中央处理模块的输出端分别连接第二Zigbee无线模块和以太网模块，第二Zigbee无线模块与中央处理模块之间为双向通信，第二Zigbee无线模块采用F8913 Zigbee模块，第二电源模块采用太阳能电池板与蓄电池共同供电。
输电线路舞动轨迹多维度监测系统，所述杆塔数据预处理单元还包括第二电源管理模块。
输电线路舞动轨迹多维度监测方法，依次包括以下步骤：
（1）第一Zigbee无线模块开始寻址，与第二Zigbee无线模块组成星形拓扑网络结构；
（2）当安装在杆塔上的风速仪检测到风速达到导线舞动临界风速时，杆塔数据预处理单元发出数据采集命令，通过第二Zigbee无线模块向无线惯性测量单元发送数据采集命令；
（3）惯性测量单元开始采集导线舞动状态信息；
（4）惯性测量单元将采集到的导线舞动状态信息通过第一Zigbee无线模块发送到杆塔数据预处理单元；
（5）杆塔数据预处理单元中的微型计算机对接收到的信息按节点进行分类、编号、存储，并将处理后的数据通过以太网通信模块发送到监测单元；
（6）监测单元对接收到的数据按节点进行存储和计算，得出导线舞动特征值，显示在上位机上；
（7）重复步骤（2）至步骤（5）；
（8）当计算得到的导线舞动特征值达到舞动结束临界值时，监测单元通过杆塔数据预处理单元向无线惯性测量单元发出停止采集命令，惯性测量单元停止采集工作；
（9）当风速再次达到舞动临界值时，重复步骤（2）至步骤（8）。
第一Zigbee无线模块与第二Zigbee无线模块组网成功后，第一Zigbee无线模块进入休眠状态，当安装在杆塔上的风速仪检测到风速达到导线舞动临界风速时，杆塔数据预处理单元发出数据采集命令，第二Zigbee无线模块向无线惯性测量单元发送采集数据命令，第一Zigbee无线模块触发，开始工作；监测单元发出“停止采集”命令后，惯性测量单元停止采集工作，同时电源控制电路控制电源给惯性测量单元供电；第一Zigbee无线模块进入休眠状态，同时电源控制电路断开惯性测量单元的电源。
本发明通过惯性测量单元来测量导线各个监测节点处的运动状态信息，并在监测中心将测量到的运动状态信息进行分析计算和储存，能够实时监控导线舞动的三维运动轨迹，为输电线路舞动研究提供准确的数据资料，同时可以及时发现存在事故隐患的输电线路，避免经济损失；各个单元之间采用Zigbee技术通信，确保各测量节点间独立工作，形成了可以远距离输送信号的稳定的无线通信网络，避免相互干扰；杆塔数据预处理单元与监测单元之间采用以太网通信，稳定性高、保密性好、传输距离远，能够避免依赖第三方网络而造成的传输不稳的现象；电源模块采用太阳能电池板和蓄电池共同供电，保证装置能够长期稳定地工作。
附图说明
图1 为本发明的原理图。
具体实施方式
本发明包括多个无线惯性测量单元、杆塔数据预处理单元及监测单元，多个无线惯性测量单元和杆塔数据预处理站之间通过无线信号相连，杆塔数据预处理单元与检测单元之间通过以太网相连，多个无线惯性测量单元分别设置在导线的各个监测节点上，无线惯性测量单元包括惯性测量单元、第一Zigbee无线模块、第一电源模块、第一电源管理模块和电源控制电路，惯性测量单元能够实时测量输电线路舞动的三轴角速度、三轴加速度和磁倾角，且功耗低、稳定性高，惯性测量单元与第一Zigbee无线模块之间为双向连接，实现双向信息传输，第一电源模块包括太阳能电池板和蓄电池，用来给惯性测量单元和第一Zigbee无线模块供电，第一电源管理模块可以调节太阳能电池板的输出，使太阳能电池板以最大功率输出，实现了恒压均衡充电和恒压浮充，有效延长蓄电池寿命，并具有电池的欠压保护、过流保护和短路保护等功能，电源控制电路用来控制惯性测量单元的通电与得电，以达到节省能耗的目的；杆塔数据预处理单元设置在杆塔上，包括风速仪、第二Zigbee无线模块、中央处理模块、以太网通信模块、第二电源及第二电源管理模块，风速仪的输出端连接控制器的输入端，控制器的输出端分别连接第二Zigbee无线模块和以太网通信模块，第二Zigbee无线模块与中央处理模块之间为双向连接，可实现双向信息传输，第二电源模块包括太阳能电池板和蓄电池，用来给风速仪、第二Zigbee无线模块和控制器供电，第二电源管理模块可以调节太阳能电池板的输出，使太阳能电池板以最大功率输出，实现了恒压均衡充电和恒压浮充，有效延长蓄电池寿命，并具有电池的欠压保护、过流保护和短路保护等功能；检测单元设置在监控站，用来对杆塔数据预处理单元传输的信号进行分析计算和存储，并将结果在上位机上显示出来。
第一Zigbee无线模块和第二Zigbee无线模块均采用F8913 Zigbee无线模块，其工作频段为2.4GHz，最低功耗2.2mA，支持RS232接口，最远点对点传输距离为2000m，能够接受和发射无线信号。利用Zigbee无线模块进行星形组网，能够确保节点间独立工作，避免相互干扰，增加了系统的稳定性，实现了低功耗、低成本、远距离、稳定的无线信号传输。
杆塔数据预处理单元中的中央处理模块采用ARM1176JZF-S核心，内存为512Mb，包含40个GPIO口、4个USB2.0接口、8G存储卡，可以快速执行数据采集、信号采集、数据处理等功能，且能耗较低。
风速仪采用三杯式光电风速传感器WAA15，测量范围为0-75m/s，输出信号为脉冲信号，信号频率与风速成正比，通过单位时间的计频来完成风速的测量。
基于网桥技术的以太网通信模块采用Aironet 1600，频率范围2.4GHz，网络标准IEEE 802.11n，RJ45接口，能够自动识别不同类型的干扰，进行分类，并提供有针对性的自动补救措施，找出并显示干扰源。
因为本发明处于野外环境，没有方便的电源为其供能，所以无线惯性测量单元和杆塔数据预处理站采用太阳能电池板与蓄电池协同供电的模式，太阳能电池板与蓄电池通过电源管理模块和电源控制电路为装置供电。电源管理模块使太阳能电池板以最大功率输出，实现了恒压均衡充电和恒压浮充，有效延长蓄电池寿命，并具有电池的欠压保护、过流保护和短路保护等功能。蓄电池采用铅酸蓄电池。当晴天日照充足的时候，由太阳能电池板向整个系统进行供电，并将多余的电能储存在粗电池中，在阴雨天光照不足时，由蓄电池为装置供电，使装置能够长期稳定地工作。
本发明所述监测方法依次包括以下步骤：
（1）第一Zigbee无线模块开始寻址，与第二Zigbee无线模块组成星形拓扑网络结构，组网成功后，第一Zigbee无线模块进入休眠状态；
（2）当安装在杆塔上的风速仪检测到风速达到导线舞动临界风速时，杆塔数据预处理单元发出数据采集命令，第二Zigbee无线模块向无线惯性测量单元发送采集数据命令，第一Zigbee无线模块触发，开始工作，；
（3）电源控制电路控制电源给惯性测量单元供电，惯性测量单元开始采集导线舞动状态信息；
（4）惯性测量单元将采集到的导线舞动状态信息通过第一Zigbee无线模块发送到杆塔数据预处理单元；
（5）杆塔数据预处理单元中的中央处理模块对接收到的信息按节点进行分类、编号、存储，并将处理后的数据通过以太网通信模块发送到监测单元；
（6）监测单元对接收到的数据按节点进行存储和计算，得出导线舞动特征值，并显示在上位机上；
（7）重复步骤（4）至步骤（6）；
（8）当计算得到的导线舞动特征值达到舞动结束临界值时，监测单元通过杆塔数据预处理单元向无线惯性测量单元发出“停止采集”命令，惯性测量单元停止采集工作；
（9）第一Zigbee无线模块进入休眠状态，同时电源控制电路断开惯性测量单元的电源；
（8）当风速再次达到舞动临界值时，重复步骤（2）至步骤（9）。
第一Zigbee无线模块在不工作时进入休眠状态，可以节省能耗。
Claims (7)
1.输电线路舞动轨迹多维度监测系统，其特征在于：包括多个无线惯性测量单元、杆塔数据预处理单元及监测单元，所述多个无线惯性测量单元分别设置在导线的各个监测节点上，杆塔数据预处理单元设置在杆塔上，监测单元设置在监控站，所述多个无线惯性测量单元和杆塔数据预处理单元之间通过无线信号相连，杆塔数据预处理单元与监测单元之间通过以太网相连。
2.如权利要求1所述的输电线路舞动轨迹多维度监测系统，其特征在于：所述无线惯性测量单元包括惯性测量单元、第一Zigbee无线模块和第一电源模块，所述惯性测量单元与第一Zigbee无线模块之间为双向通信，第一Zigbee无线模块采用F8913 Zigbee模块，第一电源模块采用太阳能电池板与蓄电池共同供电。
3.如权利要求2所述的输电线路舞动轨迹多维度监测系统，其特征在于：所述无线惯性测量单元还包括电源控制电路和第一电源管理模块。
4.如权利要求3所述的输电线路舞动轨迹多维度监测系统，其特征在于：所述杆塔数据预处理单元包括风速仪、第二Zigbee无线模块、中央处理模块、以太网通信模块及第二电源，所述风速仪的输出端连接中央处理模块的输入端，中央处理模块的输出端分别连接第二Zigbee无线模块和以太网模块，第二Zigbee无线模块与中央处理模块之间为双向通信，第二Zigbee无线模块采用F8913 Zigbee模块，第二电源模块采用太阳能电池板与蓄电池共同供电。
5.如权利要求4所述的输电线路舞动轨迹多维度监测系统，其特征在于：所述杆塔数据预处理单元还包括第二电源管理模块。
6.一种利用权利要求5所述的监测系统实现输电线路舞动轨迹多维度监测的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）第一Zigbee无线模块开始寻址，与第二Zigbee无线模块组成星形拓扑网络结构；
（2）当安装在杆塔上的风速仪检测到风速达到导线舞动临界风速时，杆塔数据预处理单元发出数据采集命令，通过第二Zigbee无线模块向无线惯性测量单元发送数据采集命令；
（3）惯性测量单元开始采集导线舞动状态信息；
（4）惯性测量单元将采集到的导线舞动状态信息通过第一Zigbee无线模块发送到杆塔数据预处理单元；
（5）杆塔数据预处理单元中的微型计算机对接收到的信息按节点进行分类、编号、存储，并将处理后的数据通过以太网通信模块发送到监测单元；
（6）监测单元对接收到的数据按节点进行存储和计算，得出导线舞动特征值，显示在上位机上；
（7）重复步骤（2）至步骤（5）；
（8）当计算得到的导线舞动特征值达到舞动结束临界值时，监测单元通过杆塔数据预处理单元向无线惯性测量单元发出停止采集命令，惯性测量单元停止采集工作；
（9）当风速再次达到舞动临界值时，重复步骤（2）至步骤（8）。
7.如权利要求6所述的输电线路舞动轨迹多维度监测方法，其特征在于：第一Zigbee无线模块与第二Zigbee无线模块组网成功后，第一Zigbee无线模块进入休眠状态，当安装在杆塔上的风速仪检测到风速达到导线舞动临界风速时，杆塔数据预处理单元发出数据采集命令，第二Zigbee无线模块向无线惯性测量单元发送采集数据命令，第一Zigbee无线模块触发，开始工作；监测单元发出“停止采集”命令后，惯性测量单元停止采集工作，同时电源控制电路控制电源给惯性测量单元供电；第一Zigbee无线模块进入休眠状态，同时电源控制电路断开惯性测量单元的电源。
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