CN109061679A - 基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置涉及的是一种位移检测装置，特别适用于偏远地区高压电力铁塔的监测。包括电池管理模块和北斗模块；电池管理模块包括锂电池和充电控制子模块；所述北斗模块包括天线、射频子模块、控制子模块、RDSS功能子模块和RNSS/GPS子模块，本装置采用太阳能充电，不要更换电池，北斗模块实现了RDSS算法和控制单元及GPS和北斗算法解算的集成；采用RTK载波相位差分技术，可以实现厘米级的定位精度；检测间隔时间及其阈值均可由用户设定。
Description
技术领域
本发明基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置涉及的是一种位移检测装置，特别适用于偏远地区高压电力铁塔的监测。
背景技术
输电线路是电网运行的主动脉,高压电力铁塔是输电线路的骨架结构,我国高压输电线路大多分布在山地和丘陵地区,近年来因自然灾害和人为(如采矿生产、工程施工)等因素,造成电力铁塔倾倒和损坏的事故时有发生,造成重大的经济损失,是电网安全的重要隐患之一。
在自然环境恶劣、地形复杂、通信条件差的偏远地区的高压电力铁塔，一旦发生覆冰、山林火灾、地表沉降、山体滑坡、地震等自然灾害，会造成高压电力铁塔的位移、变形损坏甚至倒塌，造成严重电网事故和不可弥补的经济损失。
因此偏远地区和发生自然灾害时，通过对铁塔的位移数据的监测并及时传输到相关部门，对及时掌握输电线路安全至关重要。目前市面上虽然有电力铁塔位移检测装置，但是没有提到检测装置的精度，而且算法较为复杂，基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移监测装置能实现厘米级的监测，来实现隐患及时预警，灾患及时播报。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处提供一种基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置，采用北斗卫星定位技术和北斗短报文通信技术,对电力杆塔姿态进行全天候的监测及数据分析,实现对电力铁塔的全天候实时的塔形姿态数据自动化采集和监控,有效提升电网安全运行预警和应急处置能力。
本发明是采取以下技术方案实现的：
基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置，包括电池管理模块和北斗模块；
电池管理模块包括锂电池和充电控制子模块，所述充电控制子模块采用充电管理芯片，是具有太阳能电池供电的PWM降压模式充电管理集成电路的芯片，具备太阳能电池最大功率点跟踪功能，非常适合对单节或多节锂电池的充电管理；充电控制子模块具有恒流和恒压充电模式；
所述北斗模块包括天线、射频子模块、控制子模块、RDSS功能子模块和RNSS/GPS子模块，天线与射频子模块通过射频同轴线缆链接；控制子模块与射频子模块、RDSS功能子模块和RNSS/GPS子模块之间通过SPI总线链接；其中天线用于接受和发送无线信号，射频子模块用于处理天线接收到的无线信号，从天线接收的来自北斗卫星系统的无线信号通过射频子模块进行下变频处理、A/D转换、经过时间基准对入站信号进行捕获、抽样判决、入站信号解析等一系列处理后，送RDSS功能子模块或者RNSS/GPS功能子模块；从RDSS功能子模块或者RNSS/GPS功能模块出来的信号经过出站信息生成、扩频、通道合路、通过时间基准对出站信号调整、QPSK调制、D/A转换、上变频处理经过发送天线发送给北斗卫星系统；控制子模块用于控制射频模块、RDSS功能模块和RNSS/GPS模块的时序、工作模式等。
本发明所采用的北斗模块具有休眠模式，模块功耗效率达到50%以上，并且外接太阳能板，同时采用太阳能板充电，更持久耐用。
基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置中的北斗模块（除天线以外的其他部分）采用双层密封金属盒，可通过采用两层洋白铜的金属外壳密封，具有良好的抗电磁干扰能力、封闭、防雷、防尘等功能。
本发明使用时，用户可以预先设定时间间隔及偏移量阈值等参数，启动装置开始检测，等待设点时间间隔1后采集偏移值，检测偏移量是否大于设定阈值，若是否，等待设点时间间隔1后继续采集新的偏移值，若是是，则记录偏移值出现的时间，设定时间间隔2后再次检测（时间间隔2可以与时间间隔1相同，一般建议时间间隔2小于时间间隔1，因为出现问题缩短检测时间间隔更符合实际需要），若检测值还是大于设定阈值，则发送报警信号，然后重复上述检测流程，若是偏移值不大于设定阈值，则同样重复上述检测流程，这一设置主要是为了防止有大风或者是冬天由积雪覆盖时造成检测值骤然变化，影响最终判断。
本发明的优点：
1、基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置中的北斗模块（除天线以外的其他部分）采用双层高品质密封金属盒，具有良好的抗电磁干扰能力、封闭、防雷、防尘等功能；
2、基于高精度北斗系统的高压电力铁塔采用太阳能充电，不要更换电池，工作方便高效、节能、环保；
3、基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置的北斗模块实现了RDSS算法和控制单元及GPS和北斗算法解算的集成；
4、基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置的北斗模块采用RTK载波相位差分技术，可以实现厘米级的定位精度；
5、基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置的检测间隔时间及其阈值均可由用户设定。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明的组成模块框图；
图2是本发明检测控制流程图；
图3是本发明的电池管理模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作出更进一步的说明。
图1所示，基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置，包括电池管理模块和北斗模块；
北斗模块包括天线、射频子模块、控制子模块、RDSS功能子模块和RNSS/GPS子模块，天线与射频子模块通过射频同轴线缆链接；控制子模块与射频子模块、RDSS功能子模块和RNSS/GPS子模块之间通过SPI总线链接；其中天线用于接受和发送无线信号，射频子模块用于处理天线接收到的无线信号，从天线接收的来自北斗卫星系统的无线信号通过射频子模块进行下变频处理、A/D转换、经过时间基准对入站信号进行捕获、抽样判决、入站信号解析等一系列处理后，送RDSS功能子模块或者RNSS/GPS功能子模块；从RDSS功能子模块或者RNSS/GPS功能模块出来的信号经过出站信息生成、扩频、通道合路、通过时间基准对出站信号调整、QPSK调制、D/A转换、上变频处理经过发送天线发送给北斗卫星系统；控制子模块用于控制射频模块、RDSS功能模块和RNSS/GPS模块的时序、工作模式等。
图2显示了本发明的检测方法流程，包括如下步骤：
1）用户预先设定第一时间间隔即正常检测时间间隔、第二时间间隔即出现大于设定阈值的检测时间间隔、偏移量阈值等参数后，启动装置开始检测；
2）装置等待第一时间间隔后采集偏移量，将该偏移量与预设偏移量阈值比较，该偏移量是否大于偏移量阈值；
如果检测到的偏移量不大于偏移量阈值，则回到步骤2）经过第一时间间隔后再次检测；
如果检测到的偏移量大于偏移量阈值，则记录偏移量出现的时间，进入步骤3）；
3）装置等待第二时间间隔后再次检测，采集第二次偏移量，将该第二次偏移量与预设偏移量阈值比较，看该第二次偏移量是否大于偏移量阈值；
如果检测到的偏移量不大于偏移量阈值，则回到步骤2）按第一时间间隔再次检测；
如果检测到的偏移量大于偏移量阈值，北斗模块则发送报警信号给监控中心，回到步骤2），继续检测。
所述第二时间间隔不大于第一时间间隔，因为如果检测结果发现被测物出现问题，缩短检测时间间隔更符合实际需要。
装置的往复检测这一设置主要是为了防止有大风或者是冬天由积雪覆盖时造成检测值骤然变化，影响最终判断。
电池管理模块包括锂电池和充电控制子模块，其中标准锂离子电池选型较多，其电压范围基本2.7V-4.2V，电池容量大小不等，因为北斗模块需要5V供电，本实施例中选用锂电池组型号为：SHKS-5V-4000mAH，此锂电池组不需要外部升压电路，电池容量为4000mAH；
所述充电管理芯片采用市售的CN3722芯片，其中CN3722是一款可使用太阳能电池供电的PWM降压模式充电管理集成电路芯片，具有太阳能电池最大功率点跟踪功能，非常适合对单节或多节锂电池的充电管理，具有封装外形小，外围电路元器件少和使用简单等优点；CN3722具有恒流和恒压充电模式，恒压充电电压由外部电阻分压网络设置，恒流充电的充电电流通过一个外部电阻设置；
此外CN3722还具有软启动、电池温度监测、电池端过压保护及充电状态和充电结束状态的指示等功能。电池管理模块的电路如图3所示。
太阳能电池板根据需要选择电池板数量，此处预选择常用的12V，10W太阳能电池板，CN3722的充电电压范围广，7.5V-28V均可，采用常用的典型电路即可实现，在内部电压调制输出管脚（1脚）和VCC外部电源输入端管脚（15脚）之间连接一个100nF的贴片陶瓷电容C5，为内部驱动电路提供电源；在太阳能电池板与地之间串连一个贴片陶瓷电容C1，用于吸收在输入电源上产生的纹波电流，以达到滤波稳压；VCC外部电源输入端管脚与地之间接输出10uF贴片电容C6，用于降低输出端的纹波电压和改善瞬态特性；CHRG 管脚（4脚），充电状态指示管脚。在涓流充电状态，恒流充电状态和恒压充电状态，内部晶体管将此管脚拉到低电平；否则，此管脚为高阻状态，通过贴片电阻R1接电源输入端管脚实现。DONE管脚（5脚），充电结束指示管脚。在充电结束状态，内部晶体管将此管脚拉到低电平；否则，此管脚为高阻状态，通过贴片电阻R5接电源输入端管脚实现；TEMP管脚（6脚）电池温度监测输入端。在此管脚到地之间连接一个负温度系数阻值为10K的热敏电阻R2；MPPT管脚（7脚）太阳能电池最大功率点跟踪端。在正常工作时，此管脚电压被调制到1.04V(25℃)，温度系数为－0.4%/℃，符合太阳能电池最大功率点电压的温度系数。此管脚需要接贴片电阻R3和R8分压网络以检测太阳能电池的电压，以12V,10W太阳能电池为例，若R3选择为2K，R8电阻选择为17.5K；COM1管脚（8脚）为回路补偿输入端 1，在此管脚到地之间接一个470pF的贴片陶瓷电容C3；COM2管脚（9脚）为回路补偿输入端 2，在此管脚到地之间串联连接一个120Ω的贴片电阻和一个220nF的陶瓷贴片电容C3；COM3管脚（11脚）为回路补偿输入端 3，在此管脚到地之间接一个100nF的陶瓷贴片电容C2；FB管脚（10脚）为电池电压反馈端，外接贴片电阻R6和R7分压网络以检测电池电压，本专利选用的锂电池电压为5V，此时若R6阻值为3.3K，R7阻值为3.6K；CSP管脚（13脚）充电电流检测正输入端，BAT管脚（14脚）充电电流检测负输入端，CSP管脚和BAT管脚测量充电电流检测电阻RCS两端的电压，并将此电压信号反馈给芯片进行电流调制；DRV管脚（15脚）驱动芯片外P沟道MOS场效应晶体管M1的栅极。
CN3722内部还有一个过压比较器，当BAT管脚电压由于负载变化或者突然移走电池等原因而上升时，如果BAT管脚电压上升到恒压充电电压的1.08倍时，过压比较器动作，关断片外的P沟道MOS场效应晶体管M1，充电器暂时停止，直到BAT管脚电压回复到恒压充电电压以下。在某些情况下，比如在电池没有连接到充电器上，或者电池突然断开，BAT管脚的电压可能会达到过压保护阈值。此为正常现象。
适配器和太阳能电池都可以用来为CN3722供电，因为适配器通常有比较大的电流输出能力，可以对电池快速充电。在这种情况下，CN3722的充电电流可以根据适配器的输出电流能力设置，当使用太阳能电池 供电时，即使太阳能电池的输出功率很小，CN3722也能自动跟踪太阳能电池的最大功率点，将充电电流 调整到最大功率点的电流。需要注意的是适配器的输出电压应该大于所设置的太阳能电池的最大功率点电压，否则适配器不能为电池正常充电。
采用RTK载波相位差分技术的北斗模块在可实现厘米级的定位精度。通过高精度北斗监测模块，可实现厘米位移检测，当铁塔塔身发生倾斜、偏移或倒塌时，系统软件会根据预先设定检测间隔时间和位移量及时进行判断，如果达到预警限值则通过北斗卫星短报文通信方式自动发布告警信息。北斗卫星短报文通信方式有着其它通信方式不可比拟的优点，实时性高、覆盖范围广、传输安全可靠，可实现输电线路现场与主站间信息的实时传递，因此将北斗短报文通信方式应用于传感器类在线监测数据的传输，不仅可解决在线监测布点受制于无线公网覆盖盲区、发生自然灾害无线公网中断等问题，也大大提高了数据传输的安全性。本发明装置经过多次试验证明了其定位精度能到达厘米级别，本发明即可采用市电充电，也可采用太阳能充电，使其应用范围不仅局限于高压电力铁塔，还可应用在其他领域，如贵重或危险物品的跟踪，海上救援等。
Claims (5)
1.一种基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置，其特征在于：包括电池管理模块和北斗模块；
电池管理模块包括锂电池和充电控制子模块，所述充电控制子模块采用充电管理芯片，是具有太阳能电池供电的PWM降压模式充电管理集成电路的芯片；充电控制子模块具有恒流和恒压充电模式；
所述北斗模块包括天线、射频子模块、控制子模块、RDSS功能子模块和RNSS/GPS子模块，天线与射频子模块通过射频同轴线缆链接；控制子模块与射频子模块、RDSS功能子模块和RNSS/GPS子模块之间通过SPI总线链接；其中天线用于接受和发送无线信号，射频子模块用于处理天线接收到的无线信号，从天线接收的来自北斗卫星系统的无线信号通过射频子模块后，送RDSS功能子模块或者RNSS/GPS功能子模块；从RDSS功能子模块或者RNSS/GPS功能模块出来的信号经过发送天线发送给北斗卫星系统；控制子模块用于控制射频模块、RDSS功能模块和RNSS/GPS模块的时序以及工作模式。
2.根据权利要求1所述的基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置，其特征在于：所述北斗模块具有休眠模式，模块功耗效率达到50%以上，并且外接太阳能板。
3.根据权利要求1所述的基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置，其特征在于：装置中的北斗模块,除天线以外的其他部分外套有双层高品质密封金属盒。
4.权利要求1所述的基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置的检测方法流程，其特征在于，包括如下步骤：
1）用户预先设定第一时间间隔即正常检测时间间隔、第二时间间隔即出现大于设定阈值的检测时间间隔和偏移量阈值等参数，启动装置开始检测；
2）装置等待第一时间间隔后采集偏移量，将该偏移量与预设偏移量阈值比较，该偏移量是否大于偏移量阈值；
如果检测到的偏移量不大于偏移量阈值，则回到步骤2）经过第一时间间隔后再次检测；
如果检测到的偏移量大于偏移量阈值，则记录偏移量出现的时间，进入步骤3）；
3）装置等待第二时间间隔后再次检测，采集第二次偏移量，将该第二次偏移量与预设偏移量阈值比较，看该第二次偏移量是否大于偏移量阈值；
如果检测到的偏移量不大于偏移量阈值，则回到步骤2）按第一时间间隔再次检测；
如果检测到的偏移量大于偏移量阈值，北斗模块则发送报警信号给监控中心，回到步骤2），继续检测。
5.根据权利要求4所述的基于高精度北斗系统的高压电力铁塔位移检测装置的检测方法流程，其特征在于，所述第二时间间隔不大于第一时间间隔，如果检测结果发现被测物出现问题，缩短检测时间间隔更符合实际需要。
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