CN105223380A - 输电线路超声波自校正风速风向监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力行业输电线路检测技术领域，尤其涉及一种输电线路超声波自校正风速风向监测系统。本发明包括超声波发射模块，超声波接收电路模块，处理器模块，地磁角校正模块及无线数据传输模块。本发明实现了输电线路风速风向的准确监测，具有免维护，功耗低，精度高，安装使用方便等特点，可以广泛用在输电线路监测环境中。同时还可以避免安装时需要反复确定定标方向的缺点，减轻了施工人员工作量，且增加了校准的精度。采用温度传感器进行声速校正，GPS辅助定位技术，增加了测试点的可靠性。便于电力维护人员对输电线路现场工况做出及时反应。本发明具有良好的经济价值和市场应用前景。

Description

输电线路超声波自校正风速风向监测系统

技术领域

本发明属于电力行业输电线路检测技术领域，尤其涉及一种输电线路超声波自校正风速风向监测系统。

背景技术

输电线路的安全隐患是各种因素共同作用的结果，其中温度、湿度、风速、风向等因素是分析输电线路出现覆冰、导线温度、风偏的主要参数，监测这些数据为电力部门做好有关预防措施，消除安全隐患提供了必要的依据。对于温湿度监测而言，技术已经成熟，然而传统机械式风速风向检测仪外形笨重，安装不便，且机械式转轴由于磨损需要经常维护和校准。同时，安装时需要进行人工定标方向校准，不但增加了安装人员的工作量，同时也大大增加了误差。

发明内容

为克服现有技术中存在的传统输电线路机械式风速风向采集系统的缺陷，本发明提供一种输电线路超声波自校正风速风向监测系统。其目的是为了提供一种充分利用微处理器技术对输电线路风速风向进行监测，可以利用超声波技术实现输电线路风偏在线监测系统。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

输电线路超声波自校正风速风向监测系统，包括超声波发射模块，超声波接收电路模块，处理器模块，地磁角校正模块及无线数据传输模块；其中，超声波发射模块和单片机P1.0引脚相连，超声波接收电路模块和单片机外部中断P3.2引脚相连，地磁角校正模块通过IIC总线形式和单片机IIC总线引脚P2.0，P2.1相连，无线数据传输模块通过异步通信总线和单片机的USART引脚P3.0，P3.1相连；各模块通过无线网络发送3G无线数据到主控室，主控室的无线3G网络接收模块和计算机相连，通过计算机系统界面进行上传数据的分析、处理、显示。

所述的地磁角校正模块采用电子指南针模块HMC5883，UbloxNEO-6M；所述的无线数据传输模块为SIM900A；所述的处理器模块采用ARM处理器。

输电线路超声波自校正风速风向监测方法，是利用时差法进行超声波风速测试，步骤如下：

$T_{ab}=\frac{L}{C+v\×\frac{S}{L}}---\left(1\right);$

$T_{ba}=\frac{L}{C-v\×\frac{S}{L}}---\left(2\right);$

式中：L为两只传感器收发超声信号的总路径，S为两只传感器的直线距离；T_ab为超声波信号从A探头至B探头顺风时的传播时间，T_ba为超声波信号从B探头至A探头逆风时的传播时间，C为声速，m/s；v为风速，m/s。

由式(1)和式(2)，推出某一方向风速，如式(3)：

$v=\frac{L^2}{2S}\×(\frac{1}{T_{ab}}-\frac{1}{T_{ba}})---\left(3\right);$

设实际风速为V，在x轴投影分量Vx，在y轴投影分量Vy，显然有：

V²＝V_x ²+V_y ²(4)；

由式(3)得到实际风速：

$V=\frac{L^2}{2S}\×\sqrt{{(\frac{1}{T_{ab}}-\frac{1}{T_{ba}})}^2+{(\frac{1}{T_{cd}}-\frac{1}{T_{dc}})}^2}---\left(5\right);$

其中，T_cd为超声波信号从C探头至D探头顺风时的传播时间，T_dc为超声波信号从D探头至C探头逆风时的传播时间；

得到实际风向：

$\mathrm{\α}=arccos\frac{\left|\frac{1}{T_{ab}}-\frac{1}{T_{ba}}\right|}{\sqrt{{(\frac{1}{T_{ab}}-\frac{1}{T_{ba}})}^2+{(\frac{1}{T_{cd}}-\frac{1}{T_{dc}})}^2}}---\left(6\right);$

C＝331.4+T/273(7)；

式(7)中，T为系统测试到的环境实际温度，单位为℃；C为系统计算得到的实际声速，单位为m/s；

单片机在发出8个40kHz发射探头驱动信号的瞬间，同时开启定时器开始计时；当接收探头接收到信号时，停止计时器；A探头发射，B探头接收，得到时间Tab；然后由B探头发射，A探头接收，得到时间Tba；以此类推得到Tcd，Tdc；单片机再根据式(5)-(7)进行处理，最终通过GSM模块上传主控室，进行显示与记录。

所述的环境实际温度是通过温度采集模块采集的数据，温度采集模块采用DS18B20数字温度传感器对声速进行修正；所述的超声波探头为40kHz收发一体式防水型超声波探头，超声波检波芯片采用SONYCX20106一体式检波芯片。

所述的控制探头A首先发射信号，探头B接收信号；其次控制探头B发射信号，探头A接收信号；再次控制探头C发射信号，探头D接收信号；最后控制探头D发射信号，探头C接收信号，以上四个步骤循环分时进行，实现X-Y轴方向的超声波信号风速风向探测。

所述的监测方法操作流程如下：

上电后系统首先初始化，接下来控制发射探头进行发射超声波动作，并且开系统定时器，开系统外部中断；

当接收探头收到超声波时，会引起单片机的外部中断请求；

此时通过系统进行定时器寄存器的读取，判断出超声波传播的时间；

并且根据读取到的温度值进行声速的校准，通过公式得到当前通道的风速值；

然后再进行下一通道风速值的测试和换算；

以此类推，可以实现实时风速风偏的测试；

再根据地磁角等信息，得到当前相对于正北方向的实际风向信息；

如果系统5秒钟没有系统没有得到风速信息，则认为系统探头损坏，进行及时报警。

本发明的优点及效果是：

针对传统输电线路机械式风速风向采集系统的不足，设计了一种以ARM为核心的风速风向采集仪。该系统采用STM32处理器，以超声波时差法为测试手段，同时采用温度补偿技术，地磁角校正技术以及GPS定位技术，实现了输电线路风速风向的准确监测。现场采集数据可以通过GPRS方式实时传输给主控室。该系统无运动部件，具有免维护，功耗低，精度高，安装使用方便等特点，可以广泛用在输电线路监测环境中。

采用电子指南针来自动校准定标方向，避免了安装时需要反复确定定标方向的缺点，减轻了施工人员工作量，且增加了校准的精度。采用温度传感器进行声速校正，GPS辅助定位技术，增加了测试点的可靠性。最终将现场采集的风速，风向数据通过GPRS方式实时传输给主控室，便于电力维护人员对输电线路现场工况做出及时反应。该研究和应用具有良好的经济价值和市场前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明超声波风速风向监测原理模型。

图2是本发明超声波风速风向监测仪硬件框图；

图3是超声波发射电路图；

图4是本发明本发明超声波接收电路图；

图5是本发明超声波风速风向监测仪监测系统流程图。

具体实施方式

本发明是一种输电线路超声波自校正风速风向监测系统，采用ARM处理器，配合超声波方式实现输电线路风速风向的测试。系统无运动部件，使用方便灵活，测量精度高，且免维护。本发明系统创新性的采用电子指南针模块来自动校准定标方向，避免了安装时需要反复确定定标方向的缺点，减轻了施工人员工作量，且增加了校准的精度。还采用温度传感器进行声速校正，保证了测试的精度。采用UbloxNEO-6MGPS辅助定位技术，增加了测试点的可靠性。现场采集的风速，风向数据通过SIM900AGPRS模块实时传输给主控室，详见图2，便于电力维护人员对输电线路现场工况做出及时反应。

本发明中时差法超声波风速测试的基本原理图如图1所示，则：

$T_{ab}=\frac{L}{C+v\×\frac{S}{L}}---\left(1\right);$

$T_{ba}=\frac{L}{C-v\×\frac{S}{L}}---\left(2\right);$

式中：L为两只传感器收发超声信号的总路径，S为两只传感器的直线距离。T_ab为超声波信号从A探头至B探头顺风时的传播时间，T_ba为超声波信号从B探头至A探头逆风时的传播时间，C为声速，m/s；v为风速，m/s。

由式(1)和式(2)，推出某一方向风速，如式(3)：

$v=\frac{L^2}{2S}\×(\frac{1}{T_{ab}}-\frac{1}{T_{ba}})---\left(3\right);$

设实际风速为V，在x轴投影分量Vx，在y轴投影分量Vy，显然有：

V²＝V_x ²+V_y ²(4)；

由式(3)得到实际风速：

$V=\frac{L^2}{2S}\×\sqrt{{(\frac{1}{T_{ab}}-\frac{1}{T_{ba}})}^2+{(\frac{1}{T_{cd}}-\frac{1}{T_{dc}})}^2}---\left(5\right);$

其中，T_cd为超声波信号从C探头至D探头顺风时的传播时间，T_dc为超声波信号从D探头至C探头逆风时的传播时间。

得到实际风向：

$\mathrm{\α}=arccos\frac{\left|\frac{1}{T_{ab}}-\frac{1}{T_{ba}}\right|}{\sqrt{{(\frac{1}{T_{ab}}-\frac{1}{T_{ba}})}^2+{(\frac{1}{T_{cd}}-\frac{1}{T_{dc}})}^2}}---\left(6\right);$

本发明包括超声波发射模块，超声波接收电路模块，处理器模块，地磁角校正模块及无线数据传输模块，其中，超声波发射模块和单片机P1.0引脚相连，超声波接收电路模块和单片机外部中断P3.2引脚相连，地磁角校正模块通过IIC总线形式和单片机IIC总线引脚P2.0，P2.1相连，无线数据传输模块通过异步通信总线和单片机的USART引脚P3.0，P3.1相连；最终通过系统软件编程实现系统的协调工作。系统具体的功能实现通过C语言代码编程软件KEILC实现调试，并通过ISP下载软件下载到微处理器中实现系统各类功能的协调工作。各模块通过无线网络发送3G无线数据到主控室，主控室的无线3G网络接收模块和计算机相连，通过计算机软件系统界面进行上传数据的分析、处理、显示。

本发明中所述的地磁角校正模块采用电子指南针模块HMC5883。UbloxNEO-6M。所述的无线数据传输模块为SIM900A。所述的处理器模块采用ARM处理器。本发明中所述的环境实际温度是通过温度采集模块采集的数据，温度采集模块采用DS18B20数字温度传感器对声速进行修正。GPS定位模块采用UbloxNEO-6MGPS辅助定位技术。微处理器现场采集的风速，风向数据通过SIM900AGPRS模块实时传输给主控室。超声波探头为40kHz收发一体式防水型超声波探头。超声波检波芯片采用SONYCX20106一体式检波芯片。

首先控制探头A发射信号，探头B接收信号；其次控制探头B发射信号，探头A接收信号；再次控制探头C发射信号，探头D接收信号；最后控制探头D发射信号，探头C接收信号。以上四个步骤循环分时进行，实现X-Y轴方向的超声波信号风速风向探测。

由于系统采用了40kHz收发一体式防水型超声波探头TCRT-40，可以利用单片机以系统软件方式产生对应频率的脉冲波，利用六反相器74HC04作为驱动器产生高压信号，R8，R9进行电平的上拉，增加了信号的发射强度。硬件如图2左所示，具体超声波发射电路如图3所示。

为了正确捕捉到回波信号，需要对信号进行检波-放大-滤波处理。在这里采用SONYCX20106一体式检波芯片，起到了很好的效果。硬件如图2左所示。其中，C1起到滤除干扰杂波的作用，R4,C2构成负反馈串联网络，决定接收信号增益倍数，C3为峰值检波电容,R1为带通滤波器中心频率f0的外部电阻，C4为积分电容。模块连接关系以及超声波接收电路如图4所示。

风向与正北方向夹角的判断可由式(6)来确定。如果由安装人员在安装时来反复判断安装方向，无形中增加了工作量和数据误差。本发明创新性的引入了电子指南针模块HMC5883，使得设备的安装变的简单易行。风向的判断全部由程序解决。采用NEO-6M模块实现GPS定位。硬件如图2左所示。

由于输电线路距离较长，不适合有线数据传输。采集并处理后的风力、风向数据，均由GPRSSIM300A模块通过无线网络上传到主控室。在降低成本，提高可靠性的同时，也使得布线困难的问题得到很好的解决。考虑整机功耗，系统采用太阳能电池板充电加锂电池供电方式，每分钟上传一次数据，系统软件协议上采用格式为MODBUS的数据包，其余时间整机进入休眠模式，休眠时功耗小于5uA。硬件如图2左所示。

温度对超声波传播速度的影响是不可忽略的，因此采用DS18B20数字温度传感器对声速进行修正。该传感器电路简单，应用广泛，精度较高。声速随温度变化关系：硬件如图2左所示。

C＝331.4+T/273(7)；

式(7)中，T为系统测试到的环境实际温度，单位为℃；C为系统软件计算得到的实际声速，单位为m/s。

单片机在发出8个40kHz发射探头驱动信号的瞬间，同时开启定时器开始计时。当接收探头接收到信号时，停止计时器。按照该思想，A探头发射，B探头接收，得到时间Tab；然后由B探头发射，A探头接收，得到时间Tba。以此类推得到Tcd，Tdc。单片机再根据式(5)-(7)进行处理，最终通过GSM模块上传主控室，进行显示与记录。

系统工作流程如图5所示。上电后系统首先初始化，接下来控制发射探头进行发射超声波动作，并且开系统软件定时器，开系统外部中断。当接收探头收到超声波时，会引起单片机的外部中断请求。此时通过系统软件进行定时器寄存器的读取，判断出超声波传播的时间。并且根据读取到的温度值进行声速的校准，通过公式得到当前通道的风速值。然后再进行下一通道风速值的测试和换算。因此类推，可以实现实时风速风偏的测试。再根据地磁角等信息，得到当前相对于正北方向的实际风向信息。如果系统5秒钟没有系统没有得到风速信息，则认为系统探头损坏，进行及时报警。该系统维护费用低，有较高的使用价值与应用前景。

Claims (6)

1.输电线路超声波自校正风速风向监测系统，其特征是：包括超声波发射模块，超声波接收电路模块，处理器模块，地磁角校正模块及无线数据传输模块；其中，超声波发射模块和单片机P1.0引脚相连，超声波接收电路模块和单片机外部中断P3.2引脚相连，地磁角校正模块通过IIC总线形式和单片机IIC总线引脚P2.0，P2.1相连，无线数据传输模块通过异步通信总线和单片机的USART引脚P3.0，P3.1相连；各模块通过无线网络发送3G无线数据到主控室，主控室的无线3G网络接收模块和计算机相连，通过计算机系统界面进行上传数据的分析、处理、显示。

2.根据权利要求1所述的输电线路超声波自校正风速风向监测系统，其特征是：所述的地磁角校正模块采用电子指南针模块HMC5883，UbloxNEO-6M；所述的无线数据传输模块为SIM900A；所述的处理器模块采用ARM处理器。

3.输电线路超声波自校正风速风向监测方法，其特征是：

利用时差法进行超声波风速测试，步骤如下：

$T_{ab}=\frac{L}{C+v\×\frac{S}{L}}---\left(1\right);$

$T_{ba}=\frac{L}{C-v\×\frac{S}{L}}---\left(2\right);$

式中：L为两只传感器收发超声信号的总路径，S为两只传感器的直线距离；T_ab为超声波信号从A探头至B探头顺风时的传播时间，T_ba为超声波信号从B探头至A探头逆风时的传播时间，C为声速，m/s；v为风速，m/s；

由式(1)和式(2)，推出某一方向风速，如式(3)：

$v=\frac{L^2}{2S}\×(\frac{1}{T_{ab}}-\frac{1}{T_{ba}})---\left(3\right);$

设实际风速为V，在x轴投影分量Vx，在y轴投影分量Vy，显然有：

V²＝V_x ²+V_y ²(4)；

由式(3)得到实际风速：

$V=\frac{L^2}{2S}\×\sqrt{{(\frac{1}{T_{ab}}-\frac{1}{T_{ba}})}^2+{(\frac{1}{T_{cd}}-\frac{1}{T_{dc}})}^2}---\left(5\right);$

其中，T_cd为超声波信号从C探头至D探头顺风时的传播时间，T_dc为超声波信号从D探头至C探头逆风时的传播时间；

得到实际风向：

$\mathrm{\α}=arccos\frac{|\frac{1}{T_{ab}}-\frac{1}{T_{ba}}|}{\sqrt{{(\frac{1}{T_{ab}}-\frac{1}{T_{ba}})}^2+{(\frac{1}{T_{cd}}-\frac{1}{T_{dc}})}^2}}---\left(6\right);$

C＝331.4+T/273(7)；

式(7)中，T为系统测试到的环境实际温度，单位为℃；C为系统计算得到的实际声速，单位为m/s；

单片机在发出8个40kHz发射探头驱动信号的瞬间，同时开启定时器开始计时；当接收探头接收到信号时，停止计时器；A探头发射，B探头接收，得到时间Tab；然后由B探头发射，A探头接收，得到时间Tba；以此类推得到Tcd，Tdc；单片机再根据式(5)-(7)进行处理，最终通过GSM模块上传主控室，进行显示与记录。

4.根据权利要求3所述的输电线路超声波自校正风速风向监测方法，其特征是：所述的环境实际温度是通过温度采集模块采集的数据，温度采集模块采用DS18B20数字温度传感器对声速进行修正；所述的超声波探头为40kHz收发一体式防水型超声波探头，超声波检波芯片采用SONYCX20106一体式检波芯片。

5.根据权利要求3所述的输电线路超声波自校正风速风向监测方法，其特征是：所述的控制探头A首先发射信号，探头B接收信号；其次控制探头B发射信号，探头A接收信号；再次控制探头C发射信号，探头D接收信号；最后控制探头D发射信号，探头C接收信号，以上四个步骤循环分时进行，实现X-Y轴方向的超声波信号风速风向探测。

6.根据权利要求3所述的输电线路超声波自校正风速风向监测方法，其特征是：所述的监测方法操作流程如下：

上电后系统首先初始化，接下来控制发射探头进行发射超声波动作，并且开系统定时器，开系统外部中断；

当接收探头收到超声波时，会引起单片机的外部中断请求；

此时通过系统进行定时器寄存器的读取，判断出超声波传播的时间；

并且根据读取到的温度值进行声速的校准，通过公式得到当前通道的风速值；

然后再进行下一通道风速值的测试和换算；

以此类推，可以实现实时风速风偏的测试；

再根据地磁角等信息，得到当前相对于正北方向的实际风向信息；

如果系统5秒钟没有系统没有得到风速信息，则认为系统探头损坏，进行及时报警。