CN108088552A - 一种现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置，它包括所述采集模块、核查模块、电源模块、通信模块均与所述数据处理模块连接；所述采集模块包括有设置在待测输电导线上的悬臂梁传感器、一般应变片、固定卡环、传力梁。本发明提供的校准装置用于微风振动监测，该装置通过增加核查电路的方式对监测装置进行定期核查，确保监测装置测量数据的可靠性；同时采用低压差线性稳压器，不仅实现了开关电源输出端的有缘滤波，而且电源转换效率在LDO的高效率特征下仍能保持；保证了输电线路微风振动监测装置的长期工作模式。

Description

一种现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置

技术领域

本发明涉及电网现场监测装置技术领域，特别是一种现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置。

背景技术

在电力生产行业，所使用的通用测试设备均有标准的输入输出接口，有相应的计量检定规程或校准规范，相对来说比较容易实现检定或校准工作的自动化。而对于专用测试设备，要实现校准工作的自动化难度比较大，如在现场环境下输电线路微风振动监测过程中，往往采用弯曲振幅法作为测量地导线微风振动的标准方法；首先测取电线距线夹出口89mm处电线相对于线夹的弯曲振幅，并以此值大小来测算导线在线夹出口处的动弯应变，作为测量导线振动的标准方法。这个标准是采用相对振幅的测量方法，来衡量导线受微风振动的危害程度，实践证明是测量悬垂线夹处导线振动的实用方法。在实际测量中是通过安装在输电线路上来进行的，这种方式被称为倒装测振法，将监测装置本体固定在距离线夹89mm处，而传感导轮则被固定在线夹附件，这是由于在实际工程应用中，线夹本身往往塑料垫或者橡胶垫，这会对在线夹旁安装监测装置本体造成不便，因此倒装测振法目前被广泛采用。通过动弯应变结合振动频率即可用来评估导线的疲劳程度。因此，输电线路微风振动监测主要是监测导线振动的振幅和频率两个参数。

依据国家电网公司企业标准Q/GDW 245-2010《架空输电线路在线监测系统通用技术条件》，按照被测导地线的类型，微风振动采集单元的振幅测量范围为下列二种之一。(1)0～0.6mm(p－p)；(2)0～1.3mm(p－p)。频率测量范围至少为0～150Hz。综合误差应小于10％。根据Q/GDW 245-2010《输电线路微风振动监测装置技术规范》，微风振动在线监测装置按照JJG 676-2000《工作测振仪检定规程》中检定条件和方法进行校准：幅值非线性度的点应不少于6个，且均匀分布在整测量范围内(包括最大振动幅值)；频率响应的校准点不少7个，且分布在整个测量范围内(包括频响上限)。

同时，由于微风振动监测装置一般部署在大跨越的输电线路上，安装位置较高，而且安装后大多不会再定期拆除进行校准。因此，无法采用常规方法对输电线路微风振动监测装置进行现场校准。因此，需要一种现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置，通过增加核查电路的方式对监测装置进行定期核查，能实现现场环境下输电线路微风振动监测装置进行校准，确保监测装置测量数据的可靠性。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置，它包括有：采集模块、核查模块、数据处理模块、电源模块和通信模块；所述采集模块、核查模块、电源模块、通信模块均与所述数据处理模块连接；

所述采集模块包括有设置在待测输电导线上的悬臂梁传感器、一般应变片、固定卡环、传力梁；

所述悬臂梁传感器一端通过固定卡环与输电导线连接；

所述悬臂梁传感器另一端与传力梁连接；所述传力梁通过滚轮与导线接触；

所述一般应变片设置于悬臂梁传感器上；

所述设置于悬臂梁传感器设置于有通孔；所述一般应变片设置于通孔处。

进一步，所述核查模块包括核查应变片，所述核查应变片与一般应变片对称设置于悬臂梁传感器上；

所述核查应变片用于与一般应变片同时获取输电导线上的振动激励；

所述核查应变片与一般应变片分别与切换开关连接；所述切换开关与数据处理模块连接。

进一步，还包括电桥电路；

所述核查应变片与一般应变片分别与电桥电路连接；所述电桥电路用于将应变片将应变的变化信号转换成电阻相对变化信号。

进一步，还包括核查电阻；

所述核查电阻分别与电桥电路中的电阻并联；

所述核查电阻与电桥电路中的电阻的阻值相同；

所述应变片和核查电阻通过切换开关与电桥电路连接。

进一步，所述数据处理模块包括微控制器、工作模式选择单元与单元地址选择开关、稳压电源转换模块、无线通讯模块接口、负载开关、看门狗。

进一步，所述电源模块包括储能电池、电磁感应取能线圈、稳压芯片、开关电源。

进一步，所述数据处理模块按照以下步骤对输电线路微风振动监测装置进行定期核查：

进行初始化，确认ID号及各种功能单元正常；监测装置定时发出校时请求，确定当前时间、采样开始时间、采样点数、采样频率及采集时间间隔；

开启传感器及通信模块电源；

判断工作模式：当进行传感器核查时，首先把一般测量应变片接入电桥电路采集一组信号，然后通过开关切换把核查应变片接入电桥电路再采集一组信号，最后再把一般测量应变片接入电桥电路采集一组信号；当进行零点核查时，通过开关切换把核查电阻接入电桥电路采集一组信号；当进行一般测量时，则把一般应变片接入电桥电路；

对采样信号进行相关处理得到频率和振幅数据。

进一步，所述采样信号中的频率和振幅数据处理采用峰峰值法、曲线拟合后的峰峰值法或快速Fourier变换法进行。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明提供的现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置用于微风振动监测，该装置通过增加核查电路的方式对监测装置进行定期核查，确保监测装置测量数据的可靠性。增加核查电路后，微风振动监测装置具有三种测量模式：一般测量模式、传感器核查模式和零点核查模式。通过传感器核查模式，可以对微风振动监测装置采集传感器单元的测量可靠性进行评估。通过零点核查模式，可以对整个微风振动监测装置(不含采集传感器单元)的可靠性进行评估。

同时采用低压差线性稳压器连接在开关电源输出端，不仅实现了开关电源输出端的有缘滤波，而且电源转换效率在LDO的高效率特征下仍能保持；为了保证输电线路微风振动监测装置可以长期工作，在装置进行数据采集时打开传感器及通信模块电源，当完成数据采集处理和发送后，装置自动进入低功耗模式。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置的连接示意图。

图2为现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置中采集模块的结构示意图。

图3为现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置的核查电阻示意图。

图4为现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置的悬臂梁式位移传感器应变片的位置示意图。

图5为现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置的两臂差动电桥电路图。

图6为现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置的全桥电路图。

图7为现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置的直流不平衡电桥处理电路图。

图8为现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置的电源模块的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例：如图1至图8所示；一种现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置，它包括有：采集模块、核查模块、数据处理模块、电源模块和通信模块；所述采集模块、核查模块、电源模块、通信模块均与所述数据处理模块连接；

所述采集模块包括有设置在待测输电导线上的悬臂梁传感器、一般应变片、固定卡环、传力梁；

所述悬臂梁传感器一端通过固定卡环与输电导线连接；

所述悬臂梁传感器另一端与传力梁连接；所述传力梁通过滚轮与导线接触；

所述一般应变片设置于悬臂梁传感器上；

所述设置于悬臂梁传感器设置于有通孔；所述一般应变片设置于通孔处。

采集模块主要是一个悬臂梁式位移传感器。该位移传感器是测量导线振动振幅频率的关键，悬臂梁式位移传感器与导线紧密接触，位移传感器随导线弯曲而弯曲，用悬臂梁式位移传感器的挠度来等效导线振动的幅度，从而测量导线的振幅和频率。

悬臂梁式位移传感器是利用应变片阻值的变化量来确定悬臂梁的微小应变，从而利用力、受力面积及应变之间的关系来确定力的大小，进而求得悬臂梁传感器的挠度。应变片阻值的变化可以通过后续的处理电路求得。如图2所示，固定卡环为固定端，前端的滚轮与导线严密接触，滚轮受力后，传力梁发生形变，此时通过贴在后端两通孔外表面的金属电阻应变片测量悬臂梁的挠度。

所述核查模块包括核查应变片，所述核查应变片与一般应变片对称设置于悬臂梁传感器上；

所述核查应变片用于与一般应变片同时获取输电导线上的振动激励；

所述核查应变片与一般应变片分别与切换开关连接；所述切换开关与数据处理模块连接。

核查模块是保证输电线路微风振动监测装置数据可靠性的核心模块。输电线路微风振动监测装置监测单元的采集模块采用悬臂梁式位移传感器来进行振动幅度的测量。悬臂梁式位移传感器与导线紧密接触，传感器随导线弯曲而弯曲，用悬臂梁式位移传感器的挠度来等效导线振动的幅度，同时测量导线的振幅、频率。悬臂梁式位移传感器是利用应变片阻值的变化量来确定悬臂梁的微小应变，从而利用力、受力面积及应变之间的关系来确定力的大小，进而求得悬臂梁式位移传感器的挠度。

项目在监测装置的悬臂梁式位移传感器上设置了单独的核查应变片，与监测装置自身的一般应变片对称放置，如图3所示，核查应变片与一般应变片同时承受导线的振动激励。通过开关切换来确定核查应变片或一般应变片作为采集信号的来源。在天气稳定时，可以对核查应变片和一般应变片的测量数据进行比对，实现对悬臂梁式位移传感器进行核查的目的。

应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，通常采用电桥电路要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，以便于测量，如图4所示。项目在监测装置的电桥电路里设置四个阻值相同的核查电阻R_s，可以由开关切换选择应变片或者核查电阻接入电桥电路。当核查电阻接入电桥时，可以实现对监测装置(除悬臂梁传感器)的零位核查(此时装置的振幅和频率输出应均为0)。

还包括电桥电路；所述核查应变片与一般应变片分别与电桥电路连接；所述电桥电路用于将应变片将应变的变化信号转换成电阻相对变化信号。常用的有两臂差动电桥和全桥电路，如图5和图6所示。

一般电桥的输出电压由公式(1)得出。

两臂差动电桥电路的电压输出由公式(2)得出。

设初始时R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，工作时一片受拉一片受压，即ΔR₁＝-ΔR₂＝ΔR，可以简化为公式(3)。

差动电桥电压灵敏度由公式(4)得出

同理若采用四臂电桥，设初始时R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，工作时ΔR₁＝ΔR₄＝ΔR₃＝-ΔR₂＝ΔR时，输出由公式(5)得出

四臂电桥的电压灵敏度由公式(6)得出

K_U＝U_i (6)；

通过比较其电压灵敏度知四臂电桥(全桥)电路的灵敏度高，故选用四臂电桥电路。由于传感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理，为避免传感器输出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波。处理电路的设计如图7所示，电桥输出电压U₀作为差分放大电路的输入，初始时由电位器R₁₃调零，保证在量程范围内，输出U_A0为正电压。U_A0经过同相放大电路放大后进行AD采样，放大倍数由电位器R₁₄调节。

还包括核查电阻；

所述核查电阻分别与电桥电路中的电阻并联；

所述核查电阻与电桥电路中的电阻的阻值相同；

所述应变片和核查电阻通过切换开关与电桥电路连接。

所述数据处理模块包括微控制器、工作模式选择单元与单元地址选择开关、稳压电源转换模块、无线通讯模块接口、负载开关、看门狗。

由于导线监测单元安装于高压线路上，传感器受环境干扰影响较大，现场需要对数据做一些降噪滤波处理，数据处理模块承担着数据采集和数据处理转化的多重任务，同时考虑到低功耗和大容量存储两方面因素，本模块采用TI公司的16位芯片SP430F1611单片机作为微控制器。该芯片采用1.8V～3.6V的低电压供电，在RAM数据保持方式下电流仅为0.1μA，可以在低电压下以超低功耗状态工作。单片机集成了10KB的片内RAM和8KB的Flash，可以支持在线编程和仿真，并具有较强的处理能力和丰富的片内外设。

所述电源模块包括储能电池、电磁感应取能线圈、稳压芯片、开关电源。电源模块的设计是整个核查标准的核心模块，是系统长期、可靠、连续工作的保证。由于核查标准是安装在野外的架空输电线路导线上的，取电比较困难，因此核查标准采取何种方式供电是首先要解决的问题。目前导线上安装的各种监测设备一般采用高储能电池供电，由于电池更换复杂，有研究者提出采用电容分压器供电、激光供电等新型供电技术。激光供电在电流互感器和有源光学电流互感器上得到应用，但此类电源不适合在野外工作，太阳能供电收气候条件影响较大，并缺乏长期免维护能力，而导线取能的方式采用电磁感应原理，能够方便的实现隔离式供电。经过对上述几种供电方式优劣的比较，本核查标准采用锂电池的方式给导线监测单元模块供电，原理如图8所示。

在电源稳压芯片的选取上，开关电源和低压差线性稳压电源是常用的两种电源芯片。在对数字电路供电时，多采用效率较高的开关电源，但对于模拟电路，开关电源输出纹波大，电压调整率性能较差的特点是致命，会对电路的整体性能造成影响。若采用低压差线性稳压器连接在开关电源输出端，不仅实现了开关电源输出端的有缘滤波，而且电源转换效率在LDO的高效率特征下仍能保持。本课题选取TPS61130作为稳压电源模块，电池输入电压首先经过boost电路升压至5V，再将其作为LDO的输入，最后由电阻将LDO输出调节到稳定的3.3V。为了使TPS61130性能达到最佳，在设计PCB时对其布局进行了考虑，主要考虑主流路径和GND、PGND线宽要足够宽，输入电容、输出电容以及反馈分频器设计在TPS61130足够近的地方。

为了保证输电线路微风振动监测装置可以长期工作，在装置进行数据采集时打开传感器及通信模块电源，当完成数据采集处理和发送后，装置自动进入低功耗模式。

所述数据处理模块按照以下步骤对输电线路微风振动监测装置进行定期核查：

进行初始化，确认ID号及各种功能单元正常；监测装置定时发出校时请求，确定当前时间、采样开始时间、采样点数、采样频率及采集时间间隔；

开启传感器及通信模块电源；

判断工作模式：当进行传感器核查时，首先把一般测量应变片接入电桥电路采集一组信号，然后通过开关切换把核查应变片接入电桥电路再采集一组信号，最后再把一般测量应变片接入电桥电路采集一组信号；当进行零点核查时，通过开关切换把核查电阻接入电桥电路采集一组信号；当进行一般测量时，则把一般应变片接入电桥电路；

对采样信号进行相关处理得到频率和振幅数据。

所述采样信号中的频率和振幅数据处理采用峰峰值法、曲线拟合后的峰峰值法或快速Fourier变换法进行。

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，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置，其特征在于，所述校准装置包括：采集模块、核查模块、数据处理模块、电源模块和通信模块；所述采集模块、核查模块、电源模块、通信模块均与所述数据处理模块连接；

所述采集模块包括有设置在待测输电导线上的悬臂梁传感器、一般应变片、固定卡环、传力梁；

所述悬臂梁传感器一端通过固定卡环与输电导线连接；

所述悬臂梁传感器另一端与传力梁连接；所述传力梁通过滚轮与导线接触；

所述一般应变片设置于悬臂梁传感器上；

所述设置于悬臂梁传感器设置于有通孔；所述一般应变片设置于通孔处。

2.如权利要求1所述的现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置，其特征在于，所述核查模块包括核查应变片，所述核查应变片与一般应变片对称设置于悬臂梁传感器上；

所述核查应变片用于与一般应变片同时获取输电导线上的振动激励；

所述核查应变片与一般应变片分别与切换开关连接；所述切换开关与数据处理模块连接。

3.如权利要求1所述的现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置，其特征在于，还包括电桥电路；

所述核查应变片与一般应变片分别与电桥电路连接；所述电桥电路用于将应变片将应变的变化信号转换成电阻相对变化信号。

4.如权利要求1所述的现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置，其特征在于，还包括核查电阻；

所述核查电阻分别与电桥电路中的电阻并联；

所述核查电阻与电桥电路中的电阻的阻值相同；

所述应变片和核查电阻通过切换开关与电桥电路连接。

5.如权利要求1所述的现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置，其特征在于，所述数据处理模块包括微控制器、工作模式选择单元与单元地址选择开关、稳压电源转换模块、无线通讯模块接口、负载开关、看门狗。

6.如权利要求1所述的现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置，其特征在于，所述电源模块包括储能电池、电磁感应取能线圈、稳压芯片、开关电源。

7.如权利要求1所述的现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置，其特征在于，所述数据处理模块按照以下步骤对输电线路微风振动监测装置进行定期核查：

进行初始化，确认ID号及各种功能单元正常；监测装置定时发出校时请求，确定当前时间、采样开始时间、采样点数、采样频率及采集时间间隔；

开启传感器及通信模块电源；

判断工作模式：当进行传感器核查时，首先把一般测量应变片接入电桥电路采集一组信号，然后通过开关切换把核查应变片接入电桥电路再采集一组信号，最后再把一般测量应变片接入电桥电路采集一组信号；当进行零点核查时，通过开关切换把核查电阻接入电桥电路采集一组信号；当进行一般测量时，则把一般应变片接入电桥电路；

对采样信号进行相关处理得到频率和振幅数据。

8.如权利要求1所述的现场环境下输电线路微风振动监测装置校准装置，其特征在于，所述采样信号中的频率和振幅数据处理采用峰峰值法、曲线拟合后的峰峰值法或快速Fourier变换法进行。