CN108039774A - 一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统及方法 - Google Patents

一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统及方法。它包括LORA数据采集节点、LORA数据网关、服务器、管理端和监控端。服务器是本系统各功能数据交互处理的中心设备，负责储存、汇总、分析和处理监测系统的数据；LORA数据采集节点主要负责将业务数据采集后发送至LORA数据网关；LORA数据网关主要负责将节点回传的数据上传到服务器；管理端用于管理设定各个监测点的相关参数，浏览查看各个补偿装置当前运行状态，并根据安全值范围对各坠砣实时以图形方式展示A/B曲线图、承力索接触线张力曲线图；监控端包括PC web、手机APP等多个端口，用于监控各补偿装置坠砣状态。本发明具有低功耗和耐低温的优点，使得系统在‑50℃严寒环境下可正常运行。

Description

一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统及方法
技术领域
本发明涉及监测系统领域，特别是一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统及方法。
背景技术
中国铁路总公司《高速铁路接触网运行维修规则》（铁总运〔2015〕362号）和中国铁路总公司《普速铁路接触网运行维修规则》（铁总运[2017]9号）均要求依靠“接触网设备应充分利用铁路供电安全检测监测系统（6C 系统）等手段，定期进行检测，开展即时、定期分析诊断，按照标准值、警示值、限界值界定设备状态，划分缺陷等级（两级缺陷），为设备维修提供依据”。
随着铁路运行速度的不断提高，对接触网的可靠性要求越来越高及电气化铁路里程越来越长，高速道路巡检、接触网巡检工作量也日益繁重；补偿器运行状态和接触线张力振动变化范围都是直接影响接触网正常运行的重要因素；棘轮补偿器很容易出现补偿绳偏磨、平衡轮偏斜、坠砣卡滞等问题；并且当高速运行列车与接触网接触时，由于接触网具有一定弹力，在列车受电弓作用下，就使用接触网有一定抬升力，随之锚段内的接触线张力、振动均会发生变化，当变化量超过设定范围时，就会引起受电弓与接触线间产生电弧,危害行车安全。目前监测以上问题是通人工巡检或者专业检测车，但两者均达不到实时监测效果，并且需要特定的天窗期施行巡检。
随着物联网技术的发展，也出现了部分远程监测系统，但现有监测系统存在监测设备分散、功耗高、成本投入较高和误差大等问题。例如，现有监测系统在监测接触网补偿装置的A/B值时，通常采用激光与超声波，但激光和超声波在测量过程中有很多不足：对环境要求很高，两者一般在-20℃上才能正常工作，在低温或者条件恶劣的地区，就无法使用；超声波在下雪暴雨时，其能量会被折射和吸收，采集数据的精度不够；激光在强光下，激光线也难以反馈，数据误差较大；在下雪时，激光、超声波的能量口都被会覆盖，导致无法监测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统及方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：它包括LORA数据采集节点、LORA数据网关和服务器；
所述LORA数据采集节点包含位移采集节点、张力采集节点、温度采集节点、振动抬升量采集节点或绝缘性能采集节点；所述位移采集节点采集补偿装置A/B值，所述张力采集节点采集承力索张力，所述温度采集节点采集接触网定位线夹处各部件的温度，所述振动抬升量采集节点采集接触网正定位器或反定位器处的振动速度和抬升量，所述绝缘性能采集节点采集位于牵引变电所与接触网之间的牵引网馈线的漏电情况；
牵引网馈电线是牵引变电所与接触网之间的连接线，是由牵引变电所牵引母线和接触网之间的导线；
补偿装置A值是指坠砣9侧补偿绳5回头端至定滑轮或断线制动装置的距离；补偿装置B值是指坠砣串最下面一块坠砣9的底面至地面或基础面的距离；
所述LORA数据网关将所述LORA数据采集节点采集的数据上传到所述服务器；
所述服务器是本系统各功能数据交互处理的中心设备，负责储存、汇总、分析和处理所述LORA数据采集节点采集的接触网数据，所述服务器采用数据校准技术，经过大数据积累和机器自主学习技术建立数学模型，并在存储所述LORA数据采集节点采集的接触网数据时，使用该模型进行对数据进行进一步校准。
需要说明的是，接触网补偿装置在运行过程中会遇到如下问题，其一，补偿绳磨损问题，其主要表现为：棘轮本体不垂直，小轮补偿绳磨大轮的齿轮边缘；棘轮本体不垂直，大轮补偿绳磨大轮轮槽边缘；大轮补偿绳排列不规整，与大轮轮齿偏磨。其二，平衡轮不水平问题，其主要表现为：当平衡轮不水平时，会导致补偿绳扭绞问题，影响补偿装置的力补偿效果。其三，坠砣卡滞问题，其主要表现为：限制架出现不垂直，坠砣串与限制杆不平行，坠砣发生卡滞，将影响补偿装置的补偿效果，严重时还会导致接触线发生故障。
因此，在前期我们需要监测补偿装置，并收集大量的A/B值监测数据，以找出A/B值与温度的关系。计算出监测的A/B值是否有异常，如果有异常就记录缺陷库，并由安全监测车间的相关工作人员根据数值与现场施工人员反馈，标记缺陷问题与缺陷等级，形成一个缺陷数据库。
当收集一定量的缺陷数据与历史数据后，我们就作数据的深度学习与对比分析,优选的，可采用python pandas、numpy等工具，分析给出当前异常数据的问题所在，提前出整改意见，进一步的，可不需要施工人员亲自去到现场后再确认。
在后期就可给出每个车间管辖的补偿装置的补偿缺陷数据分析报告，以提供安装施工工艺数据参考，比如每一个问题所占的比例。例如：棘轮安装中是否垂直，大轮补偿绳排列是否规整等等。这样，以便在后续安装中重视这些问题，提高施工工艺。综上，本发明中所述服务器对数据的处理包括两个阶段：
阶段一，在监测前期，对所述LORA数据采集节点采集到的接触网数据进行大数据积累和机器自主学习技术建立缺陷数据库，步骤如下：
S1:所述服务器收到所述LORA数据采集节点采集的接触网数据；
S2:所述服务器判断所述接触网数据是否异常，是，则转到S3，否，则转到S4；
S3:记录异常，并对缺陷问题与缺陷等级做标记，形成缺陷数据库；
S4:将正常和异常的接触网数据形成数据报表输出；
阶段二，在监测后期，对所述LORA数据采集节点采集的接触网数据使用该缺陷数据库进行对数据的进一步校准，步骤如下：
S1: 所述服务器收到所述LORA数据采集节点采集的接触网数据；
S2: 所述服务器判断所述接触网数据是否异常，是，则转到S3，否，则转到S8；
S3: 记录异常数据；
S4:将所述异常数据和前期已形成的所述缺陷数据库进行对比分析；
S5:输出和异常数据对应的缺陷问题和缺陷等级；
S6:现场检修人员将所述对应的缺陷问题和缺陷等级和现场实际情况做确认，和实际情况相同，则转到S8，和实际情况不一致，则进入S7；
S7:将所述异常数据记录新增到所述数据缺陷库，并转入S4；
S8: 将正常和异常的接触网数据形成数据报表输出。
优选的，所述服务器将对铁路局、供电线路、供电段和供电车间的异常数据做对比分析，也可进行按地区、时间异常数据对比分析，可定期生成数据分析报告、缺陷分析报告，并以图形化或表格形式导出数据。
所述LORA数据采集节点分别与LORA数据网关连接，LORA数据网关与服务器连接。
进一步的，所述位移采集节点包含第一MCU、第一LORA模块和拉绳位移传感器8，所述第一MCU和第一LORA模块1相连且集成于第一电路板，所述拉绳位移传感器8和所述第一电路板有线连接；
所述拉绳位移传感器8为电阻式传感器，其出线端与坠砣9相连接，感应端固定于靠近地面铁轨的角钢上，实时监测坠砣9上下位移，从而监测计算出所述A/B值。
优选的，所述拉绳位移传感器8具有8级 抗风结构，采用直径 0.8mm 钢丝绳，钢丝绳内部为 304 不锈钢，所述不锈钢结构采用垂直安装，保持重心垂直向下；所述拉绳位移传感器8还包含大弹力发条，发条可调整拉力为 600-800G，所述发条与所述钢丝绳拉拽连接；
进一步的，所述张力采集节点包含第二MCU、第二LORA模块和旁压式压力传感器，所述第二MCU、第二LORA模块相连且集成于第二电路板，所述第二电路板和所述旁压式压力传感器电连接；所述旁压式压力传感器安装于承力索终端的锚段末端补偿装置之外的部分。
优选的，所述旁压式压力传感器内部采用超低温应变计；所述旁压式压力传感器的弹性体采用低温弹性体材料；所述旁压式压力传感器电缆采用耐低温屏蔽电缆。
进一步的，所述温度采集节点包含第三MCU、第三LORA模块和温度传感器，所述第三MCU、第三LORA模块相连且集成于第三电路板，所述第三电路板和所述温度传感器电连接，所述温度传感器安装于接触网定位线夹上。
进一步的，所述振动抬升量采集节点包含振动传感器、角位移度传感器、第四MCU和第四LORA模块，所述第四MCU和第四LORA模块相连且集成于第四电路板，所述第四电路板和所述振动传感器、角位移度传感器有线连接，所述振动传感器、角位移度传感器安装于接触网正定位器或反定位器处。
进一步的，所述绝缘性能采集节点包含泄漏电流感应环、第五MCU和第五LORA模块，所述第五MCU和第五LORA模块相连且集成于第五电路板，所述第五电路板和所述泄漏电流感应环有线连接。
进一步的，所述LORA数据网关包含第六MCU、第六LORA模块和网络接口模块，第六MCU、第六LORA模块和网络接口模块依次连接，所述LORA数据网关将所述LORA数据采集节点回传的数据通过所述网络接口模块上传到所述服务器；
所述网络接口模块以固定频率发送数据到所述服务器；所述LORA数据采集节点和LORA数据网关的数据传输为主从模式，采用低功耗通讯协议，LORA网关以固定频率向各LORA节点发一次指令，各节点接收到指令后，按各自的次序将采集的数据发送到LORA网关；所述一个网关负责八个所述节点的数据传输。
作为优选，所述网络接口模块为4G或5G模块。
作为优选，可以按每6公里安装一个LORA网关，负责前后各4 个采集器。
本发明还提供了无网络地区或无网络状态下的数据传输方案，优选基于InmarsatI-4卫星通信协议的数据传输方式 ，能够提供速率为464kbps的数据传输；或者，作为优选方案二，也可以每个LORA数据网关作为数据中转站，将数据一层一层往外传输，当到达有4G或5G网络覆盖的区时，再通过该网络将数据传输到服务器。该方案使得即使在自然条件极其恶劣、信号条件极差的地区，接触网监测系统也能提供实时监控。
进一步的，该系统还包括管理端和监控端，所述管理端和监控端分别与所述服务器连接，所述管理端管理设定各个监测点的相关参数、浏览查看各个坠砣9装置的当前状态，并依据安全值范围对各坠砣9实时以图形方式展示A/B曲线图、承力索接触线张力曲线图；所述监控端包括PC 终端或智能终端。
进一步的，所述LORA数据采集节点或LORA数据网关均包括供电模块，所述供电模块包括太阳能模块和电池模块，所述太阳能模块和电池模块连接；所述太阳能模块包括光伏电板10和光伏控制器，所述光伏电板10和所述光伏控制器连接；所述电池模块包括钛酸锂电池和电量采集器，所述钛酸锂电池和电量采集器连接；所述供电模块和对应的LORA数据采集节点或LORA数据网关的MCU、LORA模块连接；所述供电模块为多个，每一个LORA数据采集节点或LORA数据网关处都设置一个供电模块。
所述各MCU均连接有所述电量采集器，方便维护和管理钛酸锂电池的电量。
本发明优选钛酸锂电池，因其具有超大容量、耐超低温和防爆阻燃安全性极高的特点，可在-45℃环境下正常工作。
优选的，所述旁压式压力传感器是高度集中化的设备，将所述光伏电板10、钛酸锂电池、第二MCU、第二LORA模块集成其上。在27.5kv的高压环境下，此种集成设计，减小了传输距离，可有效降低环境对数据传输的干扰。同时，此种集成设计，也可解决施工安装问题，由于接触网悬挂臂复杂，集成设计可解决走线问题，也可节约成本。
进一步的，所述系统还包括防冻保温结构，所述防冻保温结构包含防护箱14，所述防护箱14设置于所述LORA数据采集节点的MCU和LORA模块、所述钛酸锂电池和电量采集器、所述光伏控制器的外部；所述防护箱14还设置于所述LORA网关外部；所述防护箱14表面连接所述光伏电板10；所述防护箱14外部采用双层的ABS材质设计，所述防护箱14内部包含EPE隔热保温膜；所述防护箱14下部的开孔处设有所有物理传输接口，所述接口均采用IP67的航空插头与PG防水接头结合方式；所述防冻保温结构还包括防冻棉，所述防冻棉设置于所述防护箱14内壁与箱体内器件之间。
为增加防冻效果，作为优选，在防护箱14中设置发热膜结构，可在箱体内温度低过-45℃的临界值时，起到发热处理，以保证箱体内的电子元件正常工作。
优选的，所述防冻保温结构还包括铁路专用的传感器防护设计，所述设计包括使用于所述传感器的测试防冻胶和防冻油。考虑北方可能会有积雪覆盖、融化情况，雨水随钢丝绳渗入传感器拉绳机械内部，所以专门为传感器设计了特殊外部防护壳，能起到防雪、防冻的作用。并且该设计能让传感器是水平安装，钢丝绳拉出一段距离后，会经过导轮形成一个直角，钢丝绳直接向上安装，这种结构，即便有雨水渗入，也不至于进入传感器内部，另外防护壳底部还设有 M3 的渗水孔 2-3个，以便及时排除渗入的水。
以上防冻保温结构的设计，使得在夏季时，其能将高温天气阻挡在外；在冬季时，保温材料能防御外界寒冷空气，并让箱体保持一定温度，即使得防护箱14内部电子元件在恒温状态下工作，增加数据的精准性。
本发明具有以下优点：
1. 低功耗，主要体现在以下方面：
① 采用LORA无线传输，LORA无线传输技术具有低功耗、传输距离远、易于部署和成
本低等优点；
② 数据采集过程中，数据节点以固定频率采集，非工作时间各节点器件可处于休眠模
式，并且采用空中唤醒模式，可随时唤醒处于休眠中的设备，进行数据采集。
③ 数据传输时，由网关以固定频率向节点发送启动传输的指令，由网关控制数据上传
节奏，减少功耗；网络接口模块也采用以固定频率发送数据；
④ 一个网关可同时和前后四个节点通信。
2. 耐低温，保证系统在-50℃严寒环境下正常运行，主要体现在以下方面：
①采用ABS双层设计的防护箱将LORA采集节点和网关封装，防护箱内部设有发热膜
和保温层，提供恒温的工作环境；
②采用铁路专用传感器防护设计和耐低温传感器电缆。
3. 保证采集数据的精准性：本发明采用自主改良后的具有抗风系数的拉绳传感器和高度
集成的旁压式压力传感器，同时还采用防冻保温结构，有效降低了恶劣的自然环境对数据的采集和传输过程产生的干扰。
4. 稳定的电能提供：系统供电采用太阳能光伏加蓄电池供电方式，蓄电池部分使用高性能超大容量、耐超低温、防爆阻燃安全性极高的钛酸锂电池，保证整个系统能长期在户外正常工作而不需要额外增加有线供电线路。
5. 充分发挥物联网和大数据优势，通过对大量监测数据的存储运算和机器自主学习，可减少现场对技术人员的依赖，节约人工成本，同时，还可实现风险预警，防患于未然。
附图说明
图1 为本发明的系统拓扑图。
图2 为本发明的无线数据传输解决方案-组网节点示意图。
图3为本发明的无线数据传输解决方案-组网节点结构示意图。
图4为本发明的LORA数据网关安装方式的前视图。
图5为本发明的LORA数据网关安装方式的后视图。
图6为本发明的位移采集节点的安装方式。
图7为本发明的数据处理流程图-前期。
图8为本发明的数据处理流程图-后期。
图中：1-第一MCU和第一LORA模块，2-支柱，3-拉绳固定位，4-承锚角钢，5-补偿绳，6-位移传感器拉绳，7-固定架，8-拉绳位移传感器，9-坠砣，10-光伏电板，11-螺栓，12-螺帽，13-抱箍，14-防护箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统，它包括LORA数据采集节点、LORA数据网关和服务器；
所述LORA数据采集节点包含位移采集节点、张力采集节点、温度采集节点、振动抬升量采集节点或绝缘性能采集节点；所述位移采集节点采集补偿装置A/B值，所述张力采集节点采集承力索张力，所述温度采集节点采集接触网定位线夹处各部件的温度，所述振动抬升量采集节点采集接触网正定位器或反定位器处的振动速度和抬升量，所述绝缘性能采集节点采集位于牵引变电所与接触网之间的牵引网馈线的漏电情况；
牵引网馈电线是牵引变电所与接触网之间的连接线，是由牵引变电所牵引母线和接触网之间的导线；
补偿装置A值是指坠砣9侧补偿绳5回头端至定滑轮或断线制动装置的距离；补偿装置B值是指坠砣串最下面一块坠砣9的底面至地面或基础面的距离；
所述LORA数据网关将所述LORA数据采集节点采集的数据上传到所述服务器；
所述服务器是本系统各功能数据交互处理的中心设备，负责储存、汇总、分析和处理所述LORA数据采集节点采集的接触网数据，所述服务器采用数据校准技术，经过大数据积累和机器自主学习技术建立数学模型，并在存储所述LORA数据采集节点采集的接触网数据时，使用该模型进行对数据进行进一步校准；
优选的，所述服务器将对铁路局、供电线路、供电段和供电车间的异常数据做对比分析，也可进行按地区、时间（月）异常数据对比分析，还可定期生成数据(缺陷)分析报告，并以图形化或表格形式导出数据。
所述LORA数据采集节点分别与LORA数据网关连接，LORA数据网关与服务器连接。
进一步的，所述位移采集节点包含第一MCU、第一LORA模块和拉绳位移传感器8，所述第一MCU和第一LORA模块1相连且集成于第一电路板，所述拉绳位移传感器8和所述第一电路板有线连接；
所述拉绳位移传感器8为电阻式传感器，其出线端与坠砣9相连接，感应端固定于靠近地面铁轨的角钢上，实时监测坠砣9上下位移，从而监测计算出所述A/B值。
优选的，所述拉绳位移传感器8具有8级 抗风结构，采用直径 0.8mm 钢丝绳，钢丝绳内部为 304 不锈钢，所述不锈钢结构采用垂直安装，保持重心垂直向下；所述拉绳位移传感器8还包含大弹力发条，发条可调整拉力为 600-800G，所述发条与所述钢丝绳拉拽连接；
进一步的，所述张力采集节点包含第二MCU、第二LORA模块和旁压式压力传感器，所述第二MCU、第二LORA模块相连且集成于第二电路板，所述第二电路板和所述旁压式压力传感器电连接；
所述旁压式压力传感器安装于承力索终端的锚段末端补偿装置之外的部分。
优选的，所述旁压式压力传感器内部采用超低温应变计；所述旁压式压力传感器的弹性体采用低温弹性体材料；所述旁压式压力传感器电缆采用耐低温屏蔽电缆。
进一步的，所述温度采集节点包含第三MCU、第三LORA模块和温度传感器，所述第三MCU、第三LORA模块相连且集成于第三电路板，所述第三电路板和所述温度传感器电连接，所述温度传感器安装于接触网定位线夹上。
进一步的，所述振动抬升量采集节点包含振动传感器、角位移度传感器、第四MCU和第四LORA模块，所述第四MCU和第四LORA模块相连且集成于第四电路板，所述第四电路板和所述振动传感器、角位移度传感器有线连接，所述振动传感器、角位移度传感器安装于接触网正定位器或反定位器处。
进一步的，所述绝缘性能采集节点包含泄漏电流感应环、第五MCU和第五LORA模块，所述第五MCU和第五LORA模块相连且集成于第五电路板，所述第五电路板和所述泄漏电流感应环有线连接。
进一步的，所述LORA数据网关包含第六MCU、第六LORA模块和网络接口模块，第六MCU、第六LORA模块和网络接口模块依次连接，所述LORA数据网关将所述LORA数据采集节点回传的数据通过所述网络接口模块上传到所述服务器；
所述网络接口模块以固定频率发送数据到所述服务器；所述LORA数据采集节点和LORA数据网关的数据传输为主从模式，采用低功耗通讯协议，LORA网关以固定频率向各LORA节点发一次指令，各节点接收到指令后，按各自的次序将采集的数据发送到LORA网关；所述一个网关负责八个所述节点的数据传输。
作为优选，所述网络接口模块为4G或5G模块。
作为优选，可以按每6公里安装一个LORA网关，负责前后各4 个采集器。
本发明还提供了无网络地区或无网络状态下的数据传输方案，优选基于InmarsatI-4卫星通信协议的数据传输方式 ，能够提供速率为464kbps的数据传输；或者，作为优选方案二，也可以每个LORA数据网关作为数据中转站，将数据一层一层往外传输，当到达有4G或5G网络覆盖的区时，再通过该网络将数据传输到服务器。该方案使得即使在自然条件极其恶劣、信号条件极差的地区，接触网监测系统也能提供实时监控。
进一步的，该系统还包括管理端和监控端，所述管理端和监控端分别与所述服务器连接，所述管理端管理设定各个监测点的相关参数、浏览查看各个坠砣9装置的当前状态，并依据安全值范围对各坠砣9实时以图形方式展示A/B曲线图、承力索接触线张力曲线图；所述监控端包括PC 终端或智能终端。
进一步的，所述LORA数据采集节点或LORA数据网关均包括供电模块，所述供电模块包括太阳能模块和电池模块，所述太阳能模块和电池模块连接；所述太阳能模块包括光伏电板10和光伏控制器，所述光伏电板10和所述光伏控制器连接；所述电池模块包括钛酸锂电池和电量采集器，所述钛酸锂电池和电量采集器连接；所述供电模块和对应的LORA数据采集节点或LORA数据网关的MCU、LORA模块连接；所述供电模块为多个，每一个LORA数据采集节点或LORA数据网关处都设置一个供电模块。
所述各MCU均连接有所述电量采集器，方便维护和管理钛酸锂电池的电量。
本发明优选钛酸锂电池，因其具有超大容量、耐超低温和防爆阻燃安全性极高的特点，可在-45℃环境下正常工作。
优选的，所述旁压式压力传感器是高度集中化的设备，将所述光伏电板10、钛酸锂电池、第二MCU、第二LORA模块集成其上。在27.5kv的高压环境下，此种集成设计，减小了传输距离，可有效降低环境对数据传输的干扰。同时，此种集成设计，也可解决施工安装问题，由于接触网悬挂臂复杂，集成设计可解决走线问题，也可节约成本。
进一步的，所述系统还包括防冻保温结构，所述防冻保温结构包含防护箱14，所述防护箱14设置于所述LORA数据采集节点的MCU和LORA模块、所述钛酸锂电池和电量采集器、所述光伏控制器的外部；所述防护箱14还设置于所述LORA网关外部；所述防护箱14表面连接所述光伏电板10；所述防护箱14外部采用双层的ABS材质设计，所述防护箱14内部包含EPE隔热保温膜；所述防护箱14下部的开孔处设有所有物理传输接口，所述接口均采用IP67的航空插头与PG防水接头结合方式；所述防冻保温结构还包括防冻棉，所述防冻棉设置于所述防护箱14内壁与箱体内器件之间。
为增加防冻效果，作为优选，在防护箱14中设置发热膜结构，可在箱体内温度低过-45℃的临界值时，起到发热处理，以保证箱体内的电子元件正常工作。
优选的，所述防冻保温结构还包括铁路专用的传感器防护设计，所述设计包括使用于所述传感器的测试防冻胶和防冻油。考虑北方可能会有积雪覆盖、融化情况，雨水随钢丝绳渗入传感器拉绳机械内部，所以专门为传感器设计了特殊外部防护壳，能起到防雪、防冻的作用。并且该设计能让传感器是水平安装，钢丝绳拉出一段距离后，会经过导轮形成一个直角，钢丝绳直接向上安装，这种结构，即便有雨水渗入，也不至于进入传感器内部，另外防护壳底部还设有 M3 的渗水孔 2-3 个，以便及时排除渗入的水。
以上防冻保温结构的设计，使得在夏季时，其能将高温天气阻挡在外；在冬季时，保温材料能防御外界寒冷空气，并让箱体保持一定温度，即使得防护箱14内部电子元件在恒温状态下工作，增加数据的精准性。
以下结合附图说明本发明的工作流程：
如图1所示，一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统，它包括LORA数据采集节点、LORA数据网关、服务器、管理端和监控端；所述LORA数据采集节点、LORA数据网关、服务器依次连接，所述管理端和监控端与所述服务器连接。
服务器是本系统各功能数据交互处理的中心设备，负责储存、汇总、分析和处理坠砣9在线监测系统管理信息的数据中心；LORA数据采集节点主要负责将业务数据采集后发送到LORA网关，包含MCU、LORA模块和传感器；LORA数据网关主要负责将节点回传的数据，统一上传到云端服务，包含MCU、LORA模块、网络接口模块和温度传感器，网络接口模块此处优选4G模块；管理端用于管理设定各个监测点的相关参数，浏览查看各个坠砣9装置的当前状态，并根据安全值范围对各坠砣9实时以图形方式展示A/B曲线图、承力索接触线张力曲线图；监控端包括PC web、手机APP等多个端口，用于监控查看各补偿装置坠砣9状态。
所述LORA数据采集节点或LORA数据网关均包括供电模块，所述供电模块包括太阳能模块和电池模块，所述太阳能模块和电池模块连接；所述太阳能模块包括光伏电板10和光伏控制器，所述光伏电板10和所述光伏控制器连接；所述电池模块包括钛酸锂电池和电量采集器，所述钛酸锂电池和电量采集器连接；所述供电模块和所述MCU、LORA模块连接；所述供电模块为多个。
如图2和3所示，以位移采集节点和LORA数据网关的通讯为例（图3中LoRa数据采集仪表示MCU和LORA模块），系统通过LORA数据网关使多个采集节点数据集中上传到管理端和监控端，再通过LORA数据网关将管理端和监控端的命令回传到各LORA数据采集节点，LORA数据网关与LORA数据采集节点之间通过射频方式通讯，LORA数据网关和监控中心通过网络接口模块通讯。作为优选，网络接口模块为4G或5G模块。作为优选，一个网关可负责八个采集节点的数据传输，可以每六公里安装一个LORA网关，负责和前后各四个LORA数据采集节点通信。
以下是对无线数据传输解决方案的说明：
(1)LORA网关采用主动查询LORA节点方式通信，查询一个节点最多耗时5秒(LORA通信3秒左右)，当查询完一个LORA节点后，LORA节点进入休眠状态，等待下一次查询。LORA网关可按每5分钟（可以配置，也可以通过远程服务器配置）发送一次数据到服务器，每次工作时间持续2S-5S，数据发送完成后，模块进入休眠模式，等待下次采集并发送数据。优选的，网络接口模块发送数据的间隔时间可以在本地配置，也可以通过远程服务器配置。
(2)当网关接收到不某节点的数据时，则在节点数据后面跟上E标识，标记为异常，上报服务器。
(3)LORA网关与服务器通过MQTT协议通信，使用发布者与订阅者模式进行数据传输，采用此模式的好处在能更好的适应低带宽、不稳定网络环境，并且支持更稳定的双向数据传输。其中LORA网关为数据发布者，服务器数据处理端为数据订阅者。
(4)作为无网络地区或无网络状态下的数据传输方案，本发明优选基于InmarsatI-4卫星通信协议的数据传输方式 ，能够提供速率为464kbps的数据传输，使得即使在自然条件极其恶劣、信号条件极差的地区也能提供实时监控。
(5)当由于网络原因，网关模块暂时无法接入到网络时，网关模块会将接收到的各节点数据暂存到本地（可以保存30天的数据），优选的，待网络恢复时，再将数据发送到服务器。
（6）网关与节点组网时可通过配置软件修改通讯信道，相邻通信组网络配置不同信道，防止相邻信道要互干扰，同时网关与节点间的数据传输要有一个认证标识。
在以上传输过程中，本发明的低功耗的优点主要体现在以下几个方面：
(1)LORA模级自身的低功耗特性。目前，LORA 主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等,LORA技术具有远距离、低功耗、多节点特点。
(2)数据采集是以固定频率采集一次，每次工作2-3S，因此，非工作时间，可以让传感器、MCU、LORA模组处理休眠模式，这种模式下，各自的功耗处理最低状态，一般在几十uA水平。节点到网关的数据专输方式，为主从模式，LORA网关以固定频率向各LORA节点发一次指令，各节点接收到指令后，按各自的次序将采集的数据发送到LORA网关，此方式简单高效，由网关控制数据上传节奏，程序易于实现，减少耗电量。此外，对MCU选择上也使用低功耗芯片。
(3)通讯协议上按照低功耗的要求进行设计，在满足数据采集基本的功能上，尽可能减少LORA模组之间的通讯，因为LORA模组发送数据时功耗最大，在保障数据正常传输的前提下，尽量减少通讯节点和网关间次数，意味着功耗也会降低。
(4)对于网络接口模块，由于数据也是固定频率发送一次，即也可以采用休眠方式来降低功耗，并且对于处于休眠中的设备，采用空中唤醒模式，让其随时接受上位机命令采集数据。
(5)传感器部分不采用数字信号传输，而采用模拟信号，比如：电压、电阻信号。
以上低功耗传输的优良特性，大大降低整个接触网监测系统的成本。
如图4和5所示，本发明中LORA数据网关安装方式，采用抱箍安装，先将两组抱箍固定在支柱2距地面3米高的位置上，LORA数据网关安装在两组抱箍13上的防护箱14的内部，将光伏电板10安装在上抱箍13伸出的尾端。所有的连接螺栓11、螺帽12均采用止退垫圈进行防松处理。
如图6所示，本发明中的拉绳位移采集器8的安装方式，优选的，将位移采集器8安装在固定架7上，再将拉绳头固定到坠砣9端的拉绳固定位3，拉绳固定位3的设计有两种方式：第一种由薄铝片圆盘与圆环扣组成拉绳固定位3，薄铝片圆盘形状与坠砣9相似，可方便的嵌入坠砣9中；第二种，可使用抱箍方式将安装圆环扣组成拉绳固定位3。
如图7和8所示，本发明中所述服务器对数据的处理包括两个阶段：
阶段一，在监测前期，对所述LORA数据采集节点采集到的接触网数据进行大数据积累和机器自主学习技术建立缺陷数据库，步骤如下：
S1:所述服务器收到所述LORA数据采集节点采集的接触网数据；
S2:所述服务器判断所述接触网数据是否异常，是，则转到S3，否，则转到S4；
S3:记录异常，并对缺陷问题与缺陷等级做标记，形成缺陷数据库；
S4:将正常和异常的接触网数据形成数据报表输出；
阶段二，在监测后期，对所述LORA数据采集节点采集的接触网数据使用该缺陷数据库进行对数据的进一步校准，步骤如下：
S1: 所述服务器收到所述LORA数据采集节点采集的接触网数据；
S2: 所述服务器判断所述接触网数据是否异常，是，则转到S3，否，则转到S8；
S3: 记录异常数据；
S4:将所述异常数据和前期已形成的所述缺陷数据库进行对比分析；
S5:输出和异常数据对应的缺陷问题和缺陷等级；
S6:现场检修人员将所述对应的缺陷问题和缺陷等级和现场实际情况做确认，和实际情况相同，则转到S8，和实际情况不一致，则进入S7；
S7:将所述异常数据记录新增到所述数据缺陷库，并转入S4；
S8: 将正常和异常的接触网数据形成数据报表输出。
需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统，其特征在于：它包括LORA数据采集
节点、LORA数据网关和服务器；所述LORA数据采集节点包含位移采集节点、张力采集节点、温度采集节点、振动抬升量采集节点或绝缘性能采集节点；所述位移采集节点采集补偿装置A/B值，所述张力采集节点采集承力索张力，所述温度采集节点采集接触网定位线夹处各部件的温度，所述振动抬升量采集节点采集接触网正定位器或反定位器的振动速度和抬升量，所述绝缘性能采集节点采集位于牵引变电所与接触网之间的牵引网馈线的漏电情况；所述LORA数据网关将所述LORA数据采集节点采集的数据上传到所述服务器；所述服务器用于储存、汇总、分析和处理所述LORA数据采集节点采集的接触网数据；所述LORA数据采集节点分别与LORA数据网关连接，LORA数据网关与服务器连接。
2.根据权利要求1所述的一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统，其特征在于：所述位移采集节点包含第一MCU、第一LORA模块和拉绳位移传感器（8），所述第一MCU和第一LORA模块（1）相连且集成于第一电路板，所述拉绳位移传感器（8）和所述第一电路板连接；所述拉绳位移传感器（8）为电阻式传感器，其出线端与坠砣（9）相连接，实时监测坠砣（9）上下的位移。
3.根据权利要求1所述的一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统，其特征在于：所述张力采集节点包含第二MCU、第二LORA模块和旁压式压力传感器，所述第二MCU、第二LORA模块相连且集成于第二电路板，所述第二电路板和所述旁压式压力传感器连接；所述旁压式压力传感器位于补偿装置外。
4.根据权利要求1所述的一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统，其特征在于：所述温度采集节点包含第三MCU、第三LORA模块和温度传感器，所述第三MCU、第三LORA模块相连且集成于第三电路板，所述第三电路板和所述温度传感器连接，所述温度传感器安装于接触网定位线夹上。
5.根据权利要求1所述的一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统，其特征在于：所述振动抬升量采集节点包含振动传感器、角位移度传感器、第四MCU和第四LORA模块，所述第四MCU和第四LORA模块相连且集成于第四电路板，所述第四电路板和所述振动传感器、角位移度传感器连接，所述振动传感器、角位移度传感器安装于接触网正定位器或反定位器处。
6.根据权利要求1所述的一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统，其特征在于：所述绝缘性能采集节点包含泄漏电流感应环、第五MCU和第五LORA模块，所述第五MCU和第五LORA模块相连且集成于第五电路板，所述第五电路板和所述泄漏电流感应环连接。
7.根据权利要求1所述的一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统，其特征在于：所述LORA数据网关包含第六MCU、第六LORA模块和网络接口模块，第六MCU、第六LORA模块和网络接口模块依次连接，所述LORA数据网关将所述LORA数据采集节点回传的数据通过所述网络接口模块上传到所述服务器。
8.根据权利要求1所述的一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统，其特征在于：
所述LORA数据采集节点或LORA数据网关均包括供电模块，所述供电模块包括太阳能模块和电池模块，所述太阳能模块和电池模块连接；所述太阳能模块包括光伏电板（10）和光伏控制器，所述光伏电板（10）和所述光伏控制器连接；所述电池模块包括钛酸锂电池和电量采集器，所述钛酸锂电池和电量采集器连接；所述供电模块为多个；
该监测系统还包括管理端和监控端，所述管理端和监控端分别与所述服务器连接，所述管理端管理设定各个监测点的相关参数、浏览查看各个坠砣（9）装置的当前状态，并依据安全值范围对各坠砣（9）实时以图形方式展示A/B曲线图、承力索接触线张力曲线图；所述监控端包括PC 终端或智能终端。
9.根据权利要求1-8之一所述的一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测系统，其特征在于：所述监测系统还包括防冻保温的防护箱（14），所述防护箱（14）设置于所述LORA数据采集节点或LORA网关的外部；所述防护箱（14）外部采用双层的ABS材质设计，所述防护箱（14）内部包含EPE隔热保温膜；所述防护箱（14）的开孔处设有所有物理传输接口，所述接口均采用IP67的航空插头与PG防水接头结合方式；所述防护箱（14）内壁与箱体内器件之间设置有防冻棉；所述防护箱（14）为多个。
10.一种光伏供电低功耗接触网及供电设备监测方法，其特征在于：所述服务器对数据的汇总、分析、处理包括两个阶段，阶段一，在监测前期，对所述LORA数据采集节点采集到的接触网数据进行大数据积累和机器自主学习技术建立缺陷数据库，步骤如下：
S1:所述服务器收到所述LORA数据采集节点采集的接触网数据；
S2:所述服务器判断所述接触网数据是否异常，是，则转到S3，否，则转到S4；
S3:记录异常，并对缺陷问题与缺陷等级做标记，形成缺陷数据库；
S4:将正常和异常的接触网数据形成数据报表输出；
阶段二，在监测后期，对所述LORA数据采集节点采集的接触网数据使用该缺陷数据库进行对数据的进一步校准，步骤如下：
S1: 所述服务器收到所述LORA数据采集节点采集的接触网数据；
S2: 所述服务器判断所述接触网数据是否异常，是，则转到S3，否，则转到S8；
S3: 记录异常数据；
S4:将所述异常数据和前期已形成的所述缺陷数据库进行对比分析；
S5:输出和异常数据对应的缺陷问题和缺陷等级；
S6:现场检修人员将所述对应的缺陷问题和缺陷等级和现场实际情况做确认，和实际情况相同，则转到S8，和实际情况不一致，则进入S7；
S7:将所述异常数据记录新增到所述数据缺陷库，并转入S4；
S8: 将正常和异常的接触网数据形成数据报表输出。
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