CN106841827A - 基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统及方法，其中该监测系统，包括全天候电磁环境监测系统、数据采集发布端和后台服务端；全天候电磁环境监测系统，其用于全天候监测输变电工程敏感点周围的电磁环境信息并传送至数据采集发布端；数据采集发布端，其用于处理并发布输变电工程敏感点周围的电磁环境信息；后台服务端，其与数据采集发布端相互通信，用于对输变电工程敏感点周围的电磁环境信息的实时监测、显示及用户权限进行维护。本发明实现了现场数据的存储、远程调阅等功能，向公众展示电磁环境实时数据，协助解决潜在电磁环境纠纷。

Description

基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统及方法
技术领域
本发明属于变电站检测领域，尤其涉及一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统及方法。
背景技术
随着电网建设步伐的不断加快、人们生活水平的不断提高，人们对电网环境保护提出了更高的要求，电网建设也不断受到环境保护方面问题的困扰。一方面，在全国各地不时发生因输电线路临近、跨越民房，变电站、换流站噪声扰民等电网环保问题引发投诉和纠纷。近几年电网环保信访事件数量不断上升，群众阻挠输变电工程施工的事件时有发生，这不仅给电网的建设带来困难，严重影响了电网的安全运行，也给输变电工程环保监管带来诸多问题和压力。另一方面，目前市场上已有的电磁测量仪器通常用于现场测量，无法进行长时间监测和数据存储，需要人工记录数据，操作不方便，且监测受气候条件制约性较大，很难实现多监测点数据同时监测和数据共享，无法与现有电网环保管理子系统形成数据的无缝对接，致使数据零散。
科学宣传输变电工程的电磁环境影响、公示输变电工程电磁环境参数水平、合理解释民众遇到的与输变电工程相关的困惑、实现广域全天候电磁环境参数的监测、和数据的智能化集成与应用，是解决问题的根本途径。
现有的电磁环境监测系统存在以下不足之处：不能实现电磁环境现场数据的存储以及远程来向公众展示电磁环境实时数据，进而无法协助解决潜在电磁环境纠纷的问题；现有的电磁环境信息获取渠道窄，只有部分人能获取电磁环境监测信息，国网环保管理子系统缺乏数据的有效支撑，无法实现监测数据的统一化管理和应用，使得输变电工程电磁环境管理复杂而且分散。
发明内容
为了解决现有技术的缺点，本发明的第一目的是提供一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统。
本发明的一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统，包括全天候电磁环境监测系统、数据采集发布端和后台服务端；
全天候电磁环境监测系统，其用于全天候监测输变电工程敏感点周围的电磁环境信息并传送至数据采集发布端；
数据采集发布端，其用于处理并发布输变电工程敏感点周围的电磁环境信息；
后台服务端，其与数据采集发布端相互通信，用于对输变电工程敏感点周围的电磁环境信息的实时监测、显示及用户权限进行维护。
进一步地，所述全天候电磁环境监测系统包括金属固定支架，所述金属固定支架一端接地，另一端连接有三维地参考型电场传感器探头、三维磁场传感器和驻极体电容传声器；
所述三维地参考型电场传感器探头，其用于将检测到电场强度信号依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述三维磁场传感器，其用于将检测到磁场强度信号转换成电压信号，再依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述驻极体电容传声器，其用于将采集到噪声转换成电压信号，再依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述微控制器与数据发送与接收模块相连；该基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统还包括电源模块，所述电源模块为市电或蓄电池。
该全天候电磁环境监测系统实现了工频电场、工频磁场、可听噪声、环境温度、环境湿度、气压等参数的集成监测，为电磁环境信息影响因素的关联分析、设计验证提供数据依据，能够进行全天候24小时持续监测。
进一步地，所述三维地参考型电场传感器探头，其由三对平行板和一个接地电极组成，每对平行板与一个接地电极之间均由绝缘层填充连接，每对平行板中间也由绝缘层隔开。因为探头是由平板组成的，它使用局限于平坦的地面，对界面上电荷分布的畸变通常是不大的。
该系统还包括外置的数字式温湿度集成传感器，所述数字式温湿度集成传感器与微控制器相连。为提高全天候监测过程中温湿度数据的监测精度，特别配置了外置的数字式温湿度集成传感器。数字式温湿度集成传感器外置的好处，一是可以避免元器件长期工作发热使温度数据偏高，二是可以避免内置式使湿度监测不准确。
进一步地，该系统还包括数字式气压传感器，所述数字式气压传感器与微控制器相连。本发明还利用数字式气压传感器检测输电线路周围的气压信息并传送至微控制器进行存储。
进一步地，所述驻极体电容传声器外部还设置有噪声防风罩。为了保证噪声探头测量的稳定，在驻极体电容传声器外部还设置有噪声防风罩后进行噪声测量。
进一步地，所述微控制器与无线数据发送模块相连；
所述微控制器利用光纤或蓝牙将监测的实时数据传输至实时数据采集发布端。
这样用来保证数据传输的实时性以及抗干扰性。
本发明的第二目的是提供一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统的数据共享方法。
本发明的基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统的数据共享方法，包括：
全天候电磁环境监测系统全天候监测输变电工程敏感点周围的电磁环境信息并传送至数据采集发布端；
数据采集发布端处理并发布输变电工程敏感点周围的电磁环境信息；
后台服务端对数据采集发布端的输变电工程敏感点周围的电磁环境信息的实时监测、显示及用户权限进行维护。
进一步地，全天候电磁环境监测系统采用WebService的形式向数据采集发布端提供数据访问的接口。广域全态电磁环境智能监测系统制定标准的数据接口规范，预留成形的接口，实现全过程、全天候电磁环境监测数据与外界系统的无缝对接技术，避免出现信息丢失、窃取。
进一步地，服务接口函数名采用字符串拼接式命名规则，以及驼峰法和下划线法结合的命名方法，以便于服务函数名的理解和后期维护。
进一步地，全天候电磁环境监测系统还将监测的数据通过打包将加密为二进制字节流传送至数据采集发布端。通过加密的数据传输方式保证了数据传输的安全性。
本发明的有益效果为：
本发明的基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统，实现了现场数据的存储、远程调阅等功能，向公众展示电磁环境实时数据，协助解决潜在电磁环境纠纷。同时由于国网环保管理子系统缺乏数据的有效支撑，迫切需要丰富的数据支撑，以提高系统的利用率和功能的有效发挥，本系统数据接入环境保护管理子系统，实现监测数据的统一化管理和应用，使输变电工程电磁环境管理便捷化、集成化，为国网环保管理子系统提供数据、信息和决策支持。
附图说明
图1是本发明的一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统结构示意图。
图2是本发明的全天候电磁环境监测系统结构示意图。
图3是三维地参考型电场传感器探头结构示意图。
图4是驻极体电容传声器电转换原理图。
图5是场复位置位电路图。
图6是温湿度测量电路图。
图7是气压测量电路图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
图1是本发明的一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统结构示意图。如图1所示的基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统，包括全天候电磁环境监测系统、数据采集发布端和后台服务端；
全天候电磁环境监测系统，其用于全天候监测输变电工程敏感点周围的电磁环境信息并传送至数据采集发布端；
数据采集发布端，其用于处理并发布输变电工程敏感点周围的电磁环境信息；
后台服务端，其与数据采集发布端相互通信，用于对输变电工程敏感点周围的电磁环境信息的实时监测、显示及用户权限进行维护。
其中，数据采集发布端包括实时数据采集发布设备，其安装在监测站附近，且在公众视觉范围内，内含LCD显示屏、控制计算机和通信模块，实现电磁环境监测数据的采集、数据处理，以直观、形象的方式展示现场实时监测数据与电磁环境相关宣传信息。
后台服务端包括后台服务器，后台服务器与监控终端和显示屏相连，监控终端包括PC机和移动终端，比如手机。
其中，全天候电磁环境监测系统结构如图2所示，全天候电磁环境监测系统包括金属固定支架，所述金属固定支架一端接地，另一端连接有三维地参考型电场传感器探头、三维磁场传感器和驻极体电容传声器；
所述三维地参考型电场传感器探头，其用于将检测到电场强度信号依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述三维磁场传感器，其用于将检测到磁场强度信号转换成电压信号，再依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述驻极体电容传声器，其用于将采集到噪声转换成电压信号，再依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述微控制器与数据发送与接收模块相连；该基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统还包括电源模块，所述电源模块为市电或蓄电池。
其中，为了提高全天候监测过程中电场监测数据的准确度，本发明的金属固定支架，可以保证全天候电磁环境监测系统处于一个稳定的工频电场环境中，这样就大大降低环境湿度对电场监测的影响。
金属固定支架全高1.5m，在顶部安装全天候电磁环境监测系统，并根据噪声测量规范和经验，在1.2m位置设置45°斜向上安装管，用于安装噪声探头。底部集成设备箱，可将电源通讯服务器埋入式安装，起到防风防雨防晒的作用。
需要特别注意的是，进行现场部署时，需要将金属固定支架可靠接地。
如图3所示，三维地参考型电场传感器探头，其由三对平行板和一个接地电极组成，每对平行板与一个接地电极之间均由绝缘层填充连接，每对平行板中间也由绝缘层隔开。因为探头是由平板组成的，它使用局限于平坦的地面，对界面上电荷分布的畸变通常是不大的。上下极经屏蔽电缆和电流表连接进行测量。假定没有电场的边缘效应，在传感电极中的感应电荷Q由公式1给出：
Q＝Sε0E (1)
式中：S——传感平板的面积；E是电场强度；ε0是介电系数。
微分感应电荷得到关系：
I＝Sωε0E (2)
式中：S——传感平板的面积；E是电场强度；ε0是介电系数；ω为电流频率。
因为探头是由平板组成的，它使用局限于平坦的地面，对界面上电荷分布的畸变通常是不大的。当探头用于非均匀电场中时，应注意所测场强是在探头表面上的平均场强。地参考型场强仪可以有电池或交流电源来供电，但要求有一参考地点位。
其中，驻极体电容传声器由两部分组成：声电转换电路和阻抗变换电路。传声器上的振动膜是一种非常薄的塑料薄片，在薄片上使用特殊技术涂上一层金属薄膜，并通过一定的技术使得薄膜上具有一定的电荷量，有金属的那一面称为驻极体面，驻极体面和被电极相对，他们之间有很小的空气气隙，如图4所示，这样驻极体和背极体形成一个平板电容，当有声音通过空气媒介传播引起振动膜发生偏移了原来的位置，电容两极板之间的距离也发生了变化，由于电容大小与极板间距离有关，因此电容大小发生改变，由于在驻极体上的电荷不变，根据U＝Q/C，电压发生变化，这样就实现了声电信号转换，然后进过场效应管电路实现阻抗变换。
其中，驻极体电容传声器外部还设置有噪声防风罩。为了保证噪声探头测量的稳定，在驻极体电容传声器外部还设置有噪声防风罩后进行噪声测量。
本发明的三维磁场传感器还与场复位置位电路相连。
当传感器处在过强的磁场干扰时，磁阻传感器铁磁薄膜材料中的磁畴会出现随机排列的状态，从而导致其输出受到影响，导致传感器出现非永久性的失效；环境温度的变化也会使输出发生漂移，而置位复位SET/RESET电路可以消除此类影响，使磁阻传感器处于精度高、灵敏度高的工作状态。HONEYWELL公司的HMC1001和HMC1002芯片内部都自带置位/复位电流带，通过单片机STM32的I/O接口产生置位/复位脉冲作用在磁阻传感器的电流带上，大电流产生一个强大磁场，将随机排列的磁畴重新排列，校正到同一个方向上。具体实现电路如图5所示，三路并行置位复位电路，CPU芯片STM32通过控制IO口产生置位复位信号S/R，实现同步产生置位/复位脉冲。
在图2中，该系统还包括外置的数字式温湿度集成传感器，所述数字式温湿度集成传感器与微控制器相连。为提高全天候监测过程中温湿度数据的监测精度，特别配置了外置的数字式温湿度集成传感器。数字式温湿度集成传感器外置的好处，一是可以避免元器件长期工作发热使温度数据偏高，二是可以避免内置式使湿度监测不准确。
例如：温湿度集成传感器可以采用瑞士Sensirion公司的SHT15，该芯片为数字量输出，功耗低、具有卓越的长期稳定性，采用IIC通讯接口，SMD封装，体积小，相对湿度测量范围为0～100％，分辨率达0.03％，温度测量范围-40～123℃，分辨率为0.1℃，工作电压：2.2V～3.6V，能够测量相对湿度、温度数据。根据其数据手册，DATA引脚需要接10kΩ上拉电阻接至电源DV33，其连接电路如图6所示。
温湿度集成传感器也可以采用其他型号的温湿度传感器。
在图2中，该系统还包括数字式气压传感器，所述数字式气压传感器与微控制器相连。本发明还利用数字式气压传感器检测输电线路周围的气压信息并传送至微控制器进行存储。
在具体实施例中，气压采集采用德国BOSCH公司的BMP085气压传感器，数字量输出，采用IIC总线接口串行通信，BMP085是一款高精度超低功耗气压传感器，采用SMD500封装，具有尺寸小、精度高及稳定性精良等优点，广泛应用于气压测量设备，压力测量范围为300-1100mbar,工作电压：1.8V～3.6V，根据其公司对BMP085的相关文献，对SDA引脚、SCL引脚都需要接2.2kΩ～10kΩ上拉电阻，建议上拉电阻取4.7kΩ，其连接电路如图7所示。
数字式气压传感器也可以采用其他型号的气压传感器来实现。
本发明中的微控制器可以采用多种系列的单片机来实现。经过综合考虑对比，与其他系列单片机相比，可以选用STM32处理器。
在地参考型监测方法的基础上，供电方式选择就可以灵活多变。全天候电磁环境监测系统有全天候长时间连续工作的性能要求，因此不考虑太阳能供电(由天气左右，不稳定)、激光供电(技术不成熟)，而选择最可靠的蓄电池供电和市电电源供电。
其中，本发明的全天候电磁环境监测系统还包括外壳，外壳选用高强度工程塑料，采用倒扣方式拼装，并使用橡胶螺丝固定，所有接口均处于下端，满足全天候户外使用要求。
在具体实施过程中，所述微控制器与无线数据发送模块相连；
所述微控制器利用光纤或蓝牙将监测的实时数据传输至实时数据采集发布端。这样用来保证数据传输的实时性以及抗干扰性。
本发明的基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统的数据共享方法，包括：
全天候电磁环境监测系统全天候监测输变电工程敏感点周围的电磁环境信息并传送至数据采集发布端；
数据采集发布端处理并发布输变电工程敏感点周围的电磁环境信息；
后台服务端对数据采集发布端的输变电工程敏感点周围的电磁环境信息的实时监测、显示及用户权限进行维护。
在一个实施例中，全天候电磁环境监测系统采用WebService的形式向数据采集发布端提供数据访问的接口。广域全态电磁环境智能监测系统制定标准的数据接口规范，预留成形的接口，实现全过程、全天候电磁环境监测数据与外界系统的无缝对接技术，避免出现信息丢失、窃取。
例如：WebService命名空间：http://info.nari-china.com/eme
服务地址：http://172.17.57.226:8080/eme/services/envService？wsdl，其中202.114.104.30是服务器的外网访问IP。
其中，服务接口函数名采用字符串拼接式命名规则，以及驼峰法和下划线法结合的命名方法，以便于服务函数名的理解和后期维护。
函数名称采用每一级对象英文名称的拼接，通过下划线法用来进行对象层级以及动作的划分，驼峰法用来标示每一个逻辑断点信息，首字母小写标示为函数名称含义，且属性在前，动作在后。具体举例如下。
表1函数命名示例
其中，全天候电磁环境监测系统还将监测的数据通过打包将加密为二进制字节流传送至数据采集发布端。通过加密的数据传输方式保证了数据传输的安全性。
为了进一步保证数据传输的安全性，通过CRC校验防止外网人员对于传输数据的篡改。加密和CRC校验的引入保证了数据传输的安全性。
本发明的基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统，实现了现场数据的存储、远程调阅等功能，向公众展示电磁环境实时数据，协助解决潜在电磁环境纠纷。同时由于国网环保管理子系统缺乏数据的有效支撑，迫切需要丰富的数据支撑，以提高系统的利用率和功能的有效发挥，本系统数据接入环境保护管理子系统，实现监测数据的统一化管理和应用，使输变电工程电磁环境管理便捷化、集成化，为国网环保管理子系统提供数据、信息和决策支持。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统，其特征在于，包括全天候电磁环境监测系统、数据采集发布端和后台服务端；
全天候电磁环境监测系统，其用于全天候监测输变电工程敏感点周围的电磁环境信息并传送至数据采集发布端；
数据采集发布端，其用于处理并发布输变电工程敏感点周围的电磁环境信息；
后台服务端，其与数据采集发布端相互通信，用于对输变电工程敏感点周围的电磁环境信息的实时监测、显示及用户权限进行维护。
2.如权利要求1所述的一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统，其特征在于，所述全天候电磁环境监测系统包括金属固定支架，所述金属固定支架一端接地，另一端连接有三维地参考型电场传感器探头、三维磁场传感器和驻极体电容传声器；
所述三维地参考型电场传感器探头，其用于将检测到电场强度信号依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述三维磁场传感器，其用于将检测到磁场强度信号转换成电压信号，再依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述驻极体电容传声器，其用于将采集到噪声转换成电压信号，再依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述微控制器与数据发送与接收模块相连；该基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统还包括电源模块，所述电源模块为市电或蓄电池。
3.如权利要求2所述的一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统，其特征在于，所述三维地参考型电场传感器探头，其由三对平行板和一个接地电极组成，每对平行板与一个接地电极之间均由绝缘层填充连接，每对平行板中间也由绝缘层隔开。
4.如权利要求2所述的一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统，其特征在于，该系统还包括外置的数字式温湿度集成传感器，所述数字式温湿度集成传感器与微控制器相连；
或该系统还包括数字式气压传感器，所述数字式气压传感器与微控制器相连。
5.如权利要求2所述的一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统，其特征在于，所述驻极体电容传声器外部还设置有噪声防风罩。
6.如权利要求2所述的一种基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统，其特征在于，所述微控制器与无线数据发送模块相连；
或所述微控制器利用光纤或蓝牙将监测的实时数据传输至实时数据采集发布端。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的基于环保数据共享的广域全态电磁环境监测系统的数据共享方法，其特征在于，包括：
全天候电磁环境监测系统全天候监测输变电工程敏感点周围的电磁环境信息并传送至数据采集发布端；
数据采集发布端处理并发布输变电工程敏感点周围的电磁环境信息；
后台服务端对数据采集发布端的输变电工程敏感点周围的电磁环境信息的实时监测、显示及用户权限进行维护。
8.如权利要求7所述的数据共享方法，其特征在于，全天候电磁环境监测系统采用WebService的形式向数据采集发布端提供数据访问的接口。
9.如权利要求8所述的数据共享方法，其特征在于，服务接口函数名采用字符串拼接式命名规则，以及驼峰法和下划线法结合的命名方法，以便于服务函数名的理解和后期维护。
10.如权利要求7所述的数据共享方法，其特征在于，全天候电磁环境监测系统还将监测的数据通过打包将加密为二进制字节流传送至数据采集发布端。
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