CN108917842A - 一种输电线路风向风速实时测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种输电线路风向风速实时测量系统及测量方法，涉及输电线路环境监测领域，本发明的目的是提供一种输电线路风向风速实时测量系统及测量方法，具有较高的测量精度且使用方便灵活，减轻了工作人员的工作量，减低了测量成本，提高输电线路的安全。本发明的一种输电线路风向风速实时测量系统，包括风向风速传感模块，测量风向风速数据；模数转换模块，将风向风速传感模块测量的风向风速数据进行模数转换；微处理器，对经过模数转换后的风向风速数据进行处理；与微处理器相连的无线通信模块；上位机，通过无线通信模块将微处理器输出的数据以无线通信方式传输给上位机；与风向风速传感模块、模数转换模块、微处理器和无线通信模块相连的电源模块。

Description

一种输电线路风向风速实时测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及输电线路环境监测技术领域，具体涉及一种输电线路风向风速实时测量系统及测量方法。

背景技术

风与人类的生活、生产等密切相关，风向风速的测量一直是目前国内外气象仪器研究的热点之一，在风力发电、航空航天、交通、气象、农业、公路、桥梁、环境检测等领域中应用广泛。

在输电线路安全领域中，存在各种各样的安全隐患，例如温度、湿度、风向、风速等。这些因素会导致输电线路出现覆冰、导线温度过高、风偏等严重问题。因为，对于这些数据的监测可以有效避免输电线路出现安全隐患。

现有技术中，对于温度和湿度侧测量技术上较为成熟，然而对于风向风速的检测由于检测仪器外形庞大和笨重，安装不便，而且需要进行人工监测和标定等工作，增加了人力，也导致了测量时容易出现误差。

因此，为了实现对输电线路风向风速的有效监测，需要开发出一种测量精度高、测量灵活方便的风向风速测量系统和测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种输电线路风向风速实时测量系统及测量方法，具有较高的测量精度且使用方便灵活，减轻了工作人员的工作量，减低了测量成本，提高输电线路的安全。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种输电线路风向风速实时测量系统，包括：

风向风速传感模块，用于测量风向风速数据；

与风向风速传感模块相连的模数转换模块，用于将风向风速传感模块测量的风向风速数据进行模数转换；

与模数转换模块相连的微处理器，用于对经过模数转换后的风向风速数据进行处理；

与微处理器相连的无线通信模块；

与无线通信模块相连的上位机，通过无线通信模块将微处理器输出的数据以无线通信方式传输给上位机；

与风向风速传感模块、模数转换模块、微处理器和无线通信模块相连的电源模块，用于给上述模块供电。

进一步的，还包括：与微处理器相连寄存器，所述寄存器用于存储风向风速传感模块测量的风向风速数据以及经过微处理器处理后的数据。

进一步的，所述风向风速传感模块采用风向风速传感器EC21B。

进一步的，所述模数转换模块采用ADS1256芯片。

进一步的，所述微处理器采用ST制造的STM32F103xC芯片。

本发明的一种输电线路风向风速实时测量系统的测量方法，包括以下步骤：

通过风向风速传感模块实时测量风向风速数据，经模数转换模块转换为数字信号输出，经模数转换后的信号先被寄存器接收并存储，再被微处理器读取；微处理器读取储存在寄存器中的风向风速数据，并对其进行非线性校正处理：

首先，微处理器读取压差值，采用多项式拟合算法中的最小二乘法进行非线性校正：

令压差P为自变量，风速的变化值V为因变量，取有限项：

V＝a₀+a₁P+a₂P²+……+a_nPⁿ (1)

其中，a₀、a₁、a₂…，a_n为多项式系数；

利用最小二乘法进行曲线拟合，求解出多项式系数a₀、a₁、a₂…，a_n；

求解出多项式V，当输入压差P时，计算出的V值作为风速的真实值，完成校正；

通过无线通信模块与上位机建立无线通信，将微处理器输出的数据通过无线传输协议发送出去，实现信息交互；

通过上位机对所接收到的信息进行实时显示，实现输电线路中风向风速实时测量和监测。

本发明的有益效果是：

本发明通过大量试验数据进行了统计分析，提出一种输电线路风向风速实时测量系统和方法。测量系统包括风向风速传感模块、模数转换模块、微处理器、电源模块、无线通信模块、上位机、寄存器，结构设计接单，测量过程简便，不复杂，减少了人为测量，测量精度且使用方便灵活，减轻了工作人员的工作量，减低了测量成本，提高输电线路的安全。

本发明的一种输电线路风向风速实时测量方法，由于在微处理器中使用了非线性校正方法，即多项式最小二乘法进行计算，校正由于测量所产生的误差，提高测量精度，测量过程无干扰，测量精度高，动态响应快，灵敏度高。

附图说明

图1为本发明的一种输电线路风向风速实时测量系统的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种输电线路风向风速实时测量系统，主要采用模块化设计，包括风向风速传感模块、模数转换模块、微处理器、电源模块、无线通信模块、上位机、寄存器。

风向风速传感模块与模数转换模块相连。模数转换模块与微处理器相连。微处理器分别与寄存器、无线通信模块相连。无线通信模块与上位机相连。电源模块分别与风向风速传感模块、模数转换模块、微处理器、无线通信模块相连。

利用风向风速传感模块完成对风向信号的采集，风向风速传感模块将采集到的风向信号发送给模数转换模块，由于风向风速传感模块所采集的风向信号为模拟量，需要利用模数转换模块将模拟量转换为数字量，通过模数转换模块转换后将其发送给微处理器进行下一步处理。

利用风向风速传感模块完成对风速信号的采集，风向风速传感模块将采集到的风速信号发送给模数转换模块，由于风向风速传感模块所采集的风向信号为模拟量，需要利用模数转换模块将模拟量转换为数字量，通过模数转换模块转换后将其发送给微处理器进行下一步处理。

微处理器对采集到的数据进行处理，包括对数据的校正和存储，完成风向数据和风速数据的转换和输出。寄存器用于存储原始的风向数据和原始的风速数据以及经过微处理器处理后的数据。

微处理器对风向数据和风速数据进行处理后，通过无线通信模块与上位机建立无线通信连接，通过无线通信模块将经微处理器输出的数据以无线网络发送给上位机，实现无线网络传输功能，通过上位机显示相关数据，实现对数据的实时监测。

电源模块主要用于给风向风速传感模块、模数转换模块、微处理器、无线通信模块供电。

本实施方式中，风向风速传感模块为机械转动式传感器，具体采用风向风速传感器EC21B，能够感应距离地面10m左右的空气流动，针对感应到的空气流动方向和速度进行测量，同时对检测的数据进行光电转换。EC21B型高动态性能测风传感器系三杯式，单尾翼型测风传感器，为提高测风传感器的动态特性及耐腐蚀性等，风杯和风向标采用新一代新颖材料制成，风杯为一体式。风向风速传感器EC21B是一种三杯式风速传感器，可连续监测上述地点的风速、风向大小，能够对输电线路所处巷道的风速风向进行实时显示。其传感器组件由风速传感器、风向传感器、传感器支架组成。其具有性能特点如下：

风速检测部分：测量范围：0～40m/s；分辨率：0.1m/s；准确度：±(0.5+0.03V)V-实际风速；起动风速：≤0.5m/s；距离常数：2.7m；抗风强度：50m/s；输出信号：RS485。风向检测部分：测量范围：0～360°；分辨率：5°；准确度：±5°或±3°两种；起动风速：≤0.5m/s；距离常数：1.0m；阻尼比：0.4；抗风强度：50m/s；输出信号：RS485。电源和工作环境：电源：DC.5V；工作环境：-40～+60℃；100％RH。

本实施方式中，模数转换模块具体采用ADS1256芯片，ADS1256芯片是TI公司Burr-Brown产品线推出的一款低噪声、高分辨率、微功耗、高精度、8通道、24位△-∑型高性能模数转换器(ADC)。∑-△ADC与传统的逐次逼近型和积分型ADC相比有转换误差小而价格低廉的优点。该芯片提供高达23比特的无噪声精度、数据速率高达30kSPS(次采样/秒)、0.0010％非线性特性(最大值)以及众多的板上外设(输入模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器和可编程数字滤波器等)，有完善的自校正和系统校正系统，SPI串行数据传输接口，可为设计人员带来完整而高分辨率的量测解决方案。ADS1256采用SSOP-2封装。

本实施方式中，微处理器采用ST(意法半导体)制造的STM32F103xC芯片。在微处理器中通过使用C语言在单片机集成开发环境WinAVR下进行程序编写和空间模型建立，WinAVR包含有GNU Binutils中与AVR相关的部分，有AVR汇编器、连接器以及与其他指令相关的一些工具。另外，还包括软件调试器、器件编程软件、文件格式转换工具等。通过在微处理器中编写一些处理程序能够实现对信号的处理和对测量误差的校正。

本发明的一种输电线路风向风速实时测量方法，主要是采用上述的测量系统实现的，其具体测量过程如下：

1、信号采集

由风向风速传感模块测量风向信号和风速信号，经过模数转换模块转换后输出数字量，数字量输出给微处理器进行下一步处理。

2、模数转换

风向风速信号由风向风速传感模块测量并输出，由于输出的信号是模拟量，系统上电后即开始工作，输出的电压值与风向风速信号成线性关系，需要经过模数转换模块才转换为数字量后才能输送至微处理器中。

3、信号处理

由模数转换模块转换后的信号先被寄存器接收并存储，然后准备好被微处理器读取；微处理器读取储存在寄存器中的风向和风速数据，并对其进行处理。

风场中，由于所使用的风向风速传感模块是一种三杯式风速传感器，三杯式风速传感器的压差变化原理：在流动方向上设置一个固定的障碍物(孔板、喷嘴等)，这样根据流速不同便会产生一个压差。通过测量压差，可以转换成风速的测量。但是若三杯的因为流速而产生的倾斜会导致测量结果有误差，因此，在向上位机输出最终数据前，需要微处理器对读取的风向风速数据进行校正，输出接近真实值的测量数据，减小误差影响。

本发明中采用非线性校正方法对测量误差进行校正，具体通过以下步骤实现：

微处理器读取压差值；采用多项式拟合算法中的最小二乘法进行非线性校正：

令压差P为自变量，风速的变化值V为因变量，在满足精度的条件下，取有限项：

V＝a₀+a₁P+a₂P²+……+a_nPⁿ (1)

其中，a₀、a₁、a₂…，a_n为多项式系数。

利用最小二乘法进行曲线拟合，求解出多项式系数a₀、a₁、a₂…，a_n。

求解出多项式V，当输入压差P时，计算出的V值作为风速的真实值。

表1未补偿和补偿的误差比较

其中，未校正误差＝(实际风速风向值-未校正测量值)/实际风速风向值；

校正后误差＝(实际风速风向值-校正后测量值)/实际风速风向值。

4、信号输出

通过无线通信模块与上位机建立无线通信，将微处理器输出的数据通过无线传输协议发送出去，实现信息交互。

5、数据的实时显示

通过上位机对所接收到的信息进行实时显示，实现输电线路中风向风速实时测量和监测的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种输电线路风向风速实时测量系统，其特征在于，包括：

风向风速传感模块，用于测量风向风速数据；

与风向风速传感模块相连的模数转换模块，用于将风向风速传感模块测量的风向风速数据进行模数转换；

与模数转换模块相连的微处理器，用于对经过模数转换后的风向风速数据进行处理；

与微处理器相连的无线通信模块；

与无线通信模块相连的上位机，通过无线通信模块将微处理器输出的数据以无线通信方式传输给上位机；

与风向风速传感模块、模数转换模块、微处理器和无线通信模块相连的电源模块，用于给上述模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路风向风速实时测量系统，其特征在于，还包括：与微处理器相连寄存器，所述寄存器用于存储风向风速传感模块测量的风向风速数据以及经过微处理器处理后的数据。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路风向风速实时测量系统，其特征在于，所述风向风速传感模块采用风向风速传感器EC21B。

4.根据权利要求1所述的一种输电线路风向风速实时测量系统，其特征在于，所述模数转换模块采用ADS1256芯片。

5.根据权利要求1所述的一种输电线路风向风速实时测量系统，其特征在于，所述微处理器采用ST制造的STM32F103xC芯片。

6.采用权利要求1至5中任意一项所述的一种输电线路风向风速实时测量系统实现的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过风向风速传感模块实时测量风向风速数据，经模数转换模块转换为数字信号输出，经模数转换后的信号先被寄存器接收并存储，再被微处理器读取；微处理器读取储存在寄存器中的风向风速数据，并对其进行非线性校正处理：

首先，微处理器读取压差值，采用多项式拟合算法中的最小二乘法进行非线性校正：

令压差P为自变量，风速的变化值V为因变量，取有限项：

V＝a₀+a₁P+a₂P²+……+a_nPⁿ (1)

其中，a₀、a₁、a₂…，a_n为多项式系数；

利用最小二乘法进行曲线拟合，求解出多项式系数a₀、a₁、a₂…，a_n；

求解出多项式V，当输入压差P时，计算出的V值作为风速的真实值，完成校正；

通过无线通信模块与上位机建立无线通信，将微处理器输出的数据通过无线传输协议发送出去，实现信息交互；

通过上位机对所接收到的信息进行实时显示，实现输电线路中风向风速实时测量和监测。