CN105242119A - 一种集成噪声的电磁环境监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成噪声的电磁环境监测系统及方法，包括电磁场监测装置、噪声及温湿度检测装置、Zigbee无线通讯模块、光纤传输模块和信息显示单元；所述噪声及温湿度监测装置包括噪声传感器和温湿度传感器，所述噪声及温湿度监测装置与所述电磁场监测装置连接；所述电磁场监测装置分别与Zigbee无线通讯模块和光纤传输模块连接，所述Zigbee无线通讯模块和光纤传输模块与所述信息显示单元连接。本发明将现场监测点的交直流电磁场数据进行实时传输至信息显示端动态展示，功耗低、成本低、延时短、数据容量大、可靠性强，为电磁环境监测工作人员带来极大的便利。

Description

一种集成噪声的电磁环境监测系统及方法

技术领域

本发明涉及输变电工程电磁环境监测领域，尤其涉及一种集成噪声的电磁环境监测系统及方法。

背景技术

随着经济的不断发展，电力需求越来越大，电网投资日趋增多，在建项目的逐步投产使得输变电建设处于高速发展的阶段。数据显示，到2015年我国输配电及控制设备的市场规模将接近3200亿元。目前，我国输变电工程建设的发展趋势是：以220kV电网为基础，逐步推进500kV电网结构的成熟，以特高压输电线路为主干网络的电力联网结构逐步形成。然而，输变电工程的迅速发展造成了不可忽视的环境问题：高压输变电设备与地面之间存在一定的电位差，而变电所内的导线多、设备架构方式多样，导致工程建设点周围存在三维工频电场；同时电力设备在工作中各种风机散热过程中的噪声也给周围居民环境带来了一定的污染。

近年来，工频电磁场的监测在全球范围内得到了非常迅速的发展，尤其是在欧洲国家，许多大中城市都安装了固定点工频电磁场测量系统。意大利是国际上电磁辐射法规和标准都较为建全的国家，对电磁辐射的管理体制相对较为成熟，在意大利境内有约1169套固定点监测系统。在我国，自国家提出“建设资源节约型、环境友好型社会”和发展“绿色经济、低碳经济”战略方针以来，全国各地电网公司掀起了建设绿色输变电工程的热潮。目前，在北京、江苏以及浙江等地，不同程度上开展了电磁环境监测技术的试点工作。国内已建立电磁环境监测的城市有北京（望京220kV户内变电站）、成都（安顺桥220kV变电站）、上海（静安500kV户内变电站）、南京（淮海路110kV户内变电站、古平岗110kV户内变电站、厚载巷110kV户内变电站）等。

虽然我国对于电磁环境的监测日益重视，在多个地方已经进行了电磁环境的监测，但已有的电磁环境监测产品在标准和规范、管理平台构建、实时数据监测、监测参数全面性四个方面均存在不足。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种集成噪声的电磁环境监测系统及方法，该方法通过集散式组网通讯，具有全量程、高精度且集成多种参数的特点，可以进行24小时不间断监测。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种集成噪声的电磁环境监测系统，其中，包括电磁场监测装置、噪声及温湿度检测装置、Zigbee无线通讯模块、光纤传输模块和信息显示单元；所述电磁场监测装置包括三维电场传感器、三维磁场传感器、信号调理电路、AD转换模块和微处理器，所述三维电场传感器、三维磁场传感器分别与所述信号调理电路连接，所述信号调理电路与AD转换模块连接，所述AD转换模块连接微处理器；所述噪声及温湿度监测装置包括噪声传感器和温湿度传感器，所述噪声及温湿度监测装置与所述电磁场监测装置连接；所述电磁场监测装置分别与Zigbee无线通讯模块和光纤传输模块连接，所述Zigbee无线通讯模块和光纤传输模块与所述信息显示单元连接。

优选的，所述三维电场传感器和三维磁场传感器经程序控制增益放大器与接口电路连接，所述接口电路与所述信号调理电路连接。

优选的，所述噪声传感器采用驻极体电容传声器。

优选的，所述电磁场监测装置与Zigbee无线通讯模块和光纤传输模块为单相链路连接，所述Zigbee无线通讯模块和光纤传输模块与信息显示单元为双向链路连接。

优选的，所述电磁场监测装置还包括磁场复位电路，所述磁场复位电路连接三维磁场传感器。

一种集成噪声的电磁环境监测方法，包括如下步骤：

由三维电场传感器、三维磁场传感器采集监测点的交直流电磁场数据；

将采集到的交直流电磁场数据经过信号调理电路处理后进行量程切换；然后将电磁场数据送入AD转换模块将采集到的模拟信号转换数字信号，转换后的数字信号传送至微处理器；

噪声及温湿度监测装置将采集到的噪声及温湿度信号传送至微处理器；

所述微处理器将接收到的电磁场、噪声及温湿度信号处理后，将电磁场、噪声及温湿度信号通过通讯模块传输至信息显示单元，在信息显示单元进行实时动态显示。

优选的，还包括判断步骤：

所述微处理器判断信号的通信距离，若通信距离在无线传输范围内则通过Zigbee无线通讯模块上传至信息显示单元，若通信距离超出Zigbee无线通讯模块的传输范围则将其切换为光纤传输。

优选的，所述将采集到的交直流电磁场数据经过信号调理电路处理后进行量程切换，包括：

所述信号调理电路将三维电场传感器和三维磁场传感器提取到的电压经过放大、滤波和隔离后进行AD模数转换及处理，发出控制信号，驱动执行机构自动完成量程切换。

优选的，所述噪声传感器采用驻极体电容传声器。

本发明的有益效果是：

本发明通过构建集成噪声的电磁环境监测系统，实现输变电工程现场电磁环境的实时监测，其可对高压直流电场、工频交流电场、磁场、噪声、温湿度进行全天候实时连续监测，可根据需要部署多个终端组成分布式监测网络，具有数据存储和数据共享功能，前端监测仪通过无线通讯模块和光纤将监测信息发送至上位机或服务器，解包后由LCD显示屏进行各种信息的实时集中展示，满足各种户外使用条件。

本发明针对不同电压等级的输变电工程，电磁环境的测量参数变化较大，可以在较大的电磁场范围上进行精确监测，采用先进的电磁兼容技术提高测量精确度，同时采用量程自动切换技术，实现宽范围电磁参数的动态平滑测量，并且集成噪声参数，为用户提供合理的指导性信息，协助变电站噪声环境污染的防范和治理。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明量程自动切换控制流程示意图。

图3本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的集成噪声的电磁环境监测系统由前端电磁场监测装置1、噪声及温湿度监控装置2、Zigbee无线通讯模块3、光纤传输模块4和信息显示单元5组成。

电磁场监测装置1由三维磁场传感器、磁场复位电路、三维电场传感器、信号调理电路、A/D转换模块和微控制器组成。三维电场传感器采用地参考型测试探头，其中地参考型电场传感器探头由一对平板和一个接地电极组成，两部分由薄绝缘层填充连接，自上而下平行布置极板、薄绝绝缘层、极板，上下两块极板通过电阻接地，根据两块极板产生的感应电流转换成电压信号；或者由一对平行板电容器组成，后者的下板接地，在平行板中间加上绝缘层以隔开。

如图2所示，信号调理电路可将传感器提取到的电压（该电压与环境中的测量量程有一定的数学变化关系）经过适当地放大、滤波和隔离后进行模数转换及处理，进而发出控制信号，驱动执行机构自动完成量程切换。

噪声及温湿度监测装置2由噪声传感器和温湿度传感器组成，其中噪声传感器即为电容传感器，本发明采用驻极体电容传声器来替代普通的电容传声器。驻极体电容传声器是在一般电容传声器背极板上喷涂一层薄而均匀的驻极体材料，在高温和高压下使之极化，让电荷永久性地存贮在驻极体材料之中，从而使得传声器的两极之间产生一个内电场，用来取代由外加极化电压所产生的电场。

通信模块由Zigbee无线通讯模块3和光纤传输模块4组成，其中Zigbee无线通讯模块3由Zigbee路由器和中心协调器组成，光纤传输模块4采用光纤线缆。由此形成无线和光纤（有线）并存的通讯方式，由于监测点分布在输电线及变电站的多个位置，与信息接收主站（信息显示单元5）距离在无线传输的范围内的测点可采用无线通讯方式，范围之外的采用光纤通讯，两通道互补增加采集数据的上送速度。

信息显示单元5由数据库服务器和LCD显示屏组成，数据库服务器接收来自电磁场监测装置1的数据，解包并转存与数据库中，同时，解包后的数据使用LCD显示屏实时显示，同时还会显示视频，动态文字、图片以及广告等相关信息，实现信息的集成化显示。

如图3所示，一种集成噪声的电磁环境监测方法，包括如下步骤：

1）由三维电场传感器、三维磁场传感器采集监测点的交直流电磁场数据；

2）将采集到的交直流电磁场数据经过信号调理电路处理后进行量程切换；信号调理电路将三维电场传感器和三维磁场传感器提取到的电压经过放大、滤波和隔离后进行AD模数转换及处理，发出控制信号，驱动执行机构自动完成量程切换；然后将电磁场数据送入AD转换模块将采集到的模拟信号转换数字信号，转换后的数字信号传送至微处理器；

3）噪声及温湿度监测装置将采集到的噪声及温湿度信号传送至微处理器；

4）微处理器将接收到的电磁场、噪声及温湿度信号处理后，将电磁场、噪声及温湿度信号通过通讯模块传输至信息显示单元，在信息显示单元进行实时动态显示。

在一个实施例中，还包括判断步骤：

微处理器处理接收到的信息后，判断信号的通信距离，若通信距离在无线传输范围内则通过Zigbee无线通讯模块上传至信息显示单元，若通信距离超出Zigbee无线通讯模块的传输范围则将其切换为光纤传输。

电磁场以及噪声、温湿度信号通过通讯模块传输至信息显示单元由数据服务器进行解包存储，再通过液晶显示屏进行实时动态展示，以实时反映输变电工程现场测点的交直流电磁场现场状态。

电磁场监测装置和噪声及温湿度监控装置是本发明系统的关键部分，其充当下位机负责各种环境信息的采集，首先由三维电磁场传感器（包括三维电场传感器和三维磁场传感器）将环境中的电磁参数采集并输出一个跟其实际数值成线性关系的一个电压值，在传感器输出与接口电路之间引入程序控制增益放大器，通过自动改变放大器的增益使得从调理电路输出并输入ＡＤ芯片的值尽可能的达到满量程，整个下位机部分形成闭环反馈系统，可保证无论采集数值的大小，都可使其在满量程范围刻度内。电路最终获得高分辨率和高精度的电磁场测量值。再由通讯模块将数据传输至信息显示单元，主机数据服务器一方面进行储存，同时在LCD大屏进行实时展示。

在电磁场监测装置采集数据的同时，噪声及温湿度监控装置中的驻极体电容传声器将噪声转换成电压信号，经信号调理电路按人耳在高低频具有不同灵敏度的特性进行频率计权、对数检波，其后送入A/D转换模块实现AD转换，微处理器运行程序处理模块，将测量结果通过通讯模块进一步上送处理。

本发明系统的工作原理是：

1)本发明的集成噪声的电磁环境监测系统首先由安装在现场监测点的电磁场监测装置通过三维电场传感器、三维磁阻传感器采集测点的交直流电磁场数据；

2)然后经过信号调理电路进行处理，实现多量程平滑切换继而将数据送入AD转换电路将采集到的模拟信号转换数字信号、再将转换后的信号送入单片机；

3)同时噪声及温湿度监测装置也将采集到的信号（噪声经A/D转换后为数字量信号，温湿度传感器直接输出数字量信号）直接送入单片机；

4)所有采集到的信号经单片机运算后需进行一个判定，若通信距离在无线传输范围内则通过Zigbee无线通讯模块进行上送，若通信距离超出Zigbee无线通讯模块的传输范围则将其切换为光纤传输；

5)电磁场以及噪声、温湿度信号通过通讯模块传输至信息显示端有数据服务器进行解包存储，再通过液晶显示屏进行实时动态展示，以实时反映输变电工程现场测点的交直流电磁场现场状态。

电磁场监测装置的传感器输出与接口电路之间会引入程序控制增益放大器，可将传感器提取到的电压（该电压与环境中的测量量呈一定的数学变化关系）通过自动改变放大器的增益来进行适当放大、滤波、隔离，使其输出符合后级AD采样电路的输入电平要求，再通过MCU处理器对采样结果计算分析，进而发出控制信号，驱动执行机构自动完成量程切换。

本发明专利通过上述的实施方案，将现场监测点的交直流电磁场数据进行实时传输至信息显示端动态展示，功耗低、成本低、延时短、数据容量大、可靠性强，为电磁环境监测工作人员带来极大的便利。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种集成噪声的电磁环境监测系统，其特征在于：包括电磁场监测装置、噪声及温湿度检测装置、Zigbee无线通讯模块、光纤传输模块和信息显示单元；所述电磁场监测装置包括三维电场传感器、三维磁场传感器、信号调理电路、AD转换模块和微处理器，所述三维电场传感器、三维磁场传感器分别与所述信号调理电路连接，所述信号调理电路与AD转换模块连接，所述AD转换模块连接微处理器；所述噪声及温湿度监测装置包括噪声传感器和温湿度传感器，所述噪声及温湿度监测装置与所述电磁场监测装置连接；所述电磁场监测装置分别与Zigbee无线通讯模块和光纤传输模块连接，所述Zigbee无线通讯模块和光纤传输模块与所述信息显示单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种集成噪声的电磁环境监测系统，其特征在于：所述三维电场传感器和三维磁场传感器经程序控制增益放大器与接口电路连接，所述接口电路与所述信号调理电路连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种集成噪声的电磁环境监测系统，其特征在于：所述噪声传感器采用驻极体电容传声器。

4.根据权利要求1所述的一种集成噪声的电磁环境监测系统，其特征在于：

所述电磁场监测装置与Zigbee无线通讯模块和光纤传输模块为单相链路连接，所述Zigbee无线通讯模块和光纤传输模块与信息显示单元为双向链路连接。

5.根据权利要求1所述的一种集成噪声的电磁环境监测系统，其特征在于：所述电磁场监测装置还包括磁场复位电路，所述磁场复位电路连接三维磁场传感器。

6.一种集成噪声的电磁环境监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

由三维电场传感器、三维磁场传感器采集监测点的交直流电磁场数据；

将采集到的交直流电磁场数据经过信号调理电路处理后进行量程切换；然后将电磁场数据送入AD转换模块将采集到的模拟信号转换数字信号，转换后的数字信号传送至微处理器；

噪声及温湿度监测装置将采集到的噪声及温湿度信号传送至微处理器；

所述微处理器将接收到的电磁场、噪声及温湿度信号处理后，将电磁场、噪声及温湿度信号通过通讯模块传输至信息显示单元，在信息显示单元进行实时动态显示。

7.根据权利要求6所述的一种集成噪声的电磁环境监测方法，其特征在于：还包括判断步骤：

所述微处理器判断信号的通信距离，若通信距离在无线传输范围内则通过Zigbee无线通讯模块上传至信息显示单元，若通信距离超出Zigbee无线通讯模块的传输范围则将其切换为光纤传输。

8.根据权利要求6所述的一种集成噪声的电磁环境监测方法，其特征在于：所述将采集到的交直流电磁场数据经过信号调理电路处理后进行量程切换，包括：

所述信号调理电路将三维电场传感器和三维磁场传感器提取到的电压经过放大、滤波和隔离后进行AD模数转换及处理，发出控制信号，驱动执行机构自动完成量程切换。

9.根据权利要求6所述的一种集成噪声的电磁环境监测方法，其特征在于：所述噪声传感器采用驻极体电容传声器。