CN109377079A - 一种用于电力抱杆施工的安全监控系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，涉及电力系统安全技术领域。本发明是为了解决现有电力系统抱杆施工过程中，不能够实时进行安全检测、远程监控、信号传递与保存、超限报警等的问题。本发明是一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，其优点在采用分层架构对于多个抱杆并行施工进行在线实时安全监控，该系统校准方便，通信距离远，检测单元功耗低；既可以满足现场人员进行现场安全检测，方便应急处理，又可以将数据上传到云端，供远端管理人员查询历史数据，查找事故原因，预防事故发生。本发明能够应用在架空输电线路施工过程中，对多抱杆并行工作时进行安全检测、远程监控、数据分析、超限报警。

Description

一种用于电力抱杆施工的安全监控系统
技术领域
本发明属于电力系统安全技术领域，尤其涉及电力抱杆的安全监控。
背景技术
电力在保障中国能源安全中具有特别重要的地位，电网建设是电力建设的重要组成部分。近几年是中国特高压输变电工程建设的关键时期，工程建设任务重、施工难度高、施工机具多，在影响工程施工质量及安全的五个主要因素“人、机、料、法、环”中，施工机具是仅次于施工人员的重要方面。随着国家对于安全生产工作的日益重视，一旦发生安全事故将造成极大的经济损失和负面的社会影响。
施工机具特别是架空输电线路施工抱杆(简称抱杆)的安全性与可靠性对保障工程建设质量和施工人员安全具有重要作用。一般在架空输电线路施工过程中，为了保障施工进度，通常多个输电塔进行同时施工，对输电线路施工过程中多抱杆并行工作施工过程进行安全监测日益受到广泛关注。
架空输电线路施工抱杆运行于高空中，由施工人员进行高空操作，如何对抱杆施工过程进行实时安全检测、远程监控、信号传递与保存、超限报警等方面存在很多困难。目前国内用于架空输电线路施工抱杆运行的无线应力检测方面的专利比较少，已有的实用新型专利采用PLC方案，仅能进行节点的应力检测，而无法构建完整的检测系统，没有解决这一领域的技术痛点，即实时安全检测、远程监控、信号传递与保存、超限报警等问题。
发明内容
本发明是为了解决现有电力系统抱杆施工过程中，不能够实时进行安全检测、远程监控、信号传递与保存、超限报警等问题，现提供一种用于电力抱杆施工的安全监控系统。
一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，所述系统包括数据采集层、数据计算层、数据传输层和人机交互层，待测抱杆划分为n个区域，每个区域含有m个位置点，其中n和m均为正整数；
数据采集层：用于采集待测抱杆每个位置点的应变和抱杆姿态数据；
数据计算层：用于根据同一区域中所有位置点的应变计算获得待测抱杆各区域的应力值，并将所获得的应力值和抱杆姿态数据分别与各自对应的预设阈值进行比较，所述预设阈值通过现场监控人员根据被测抱杆参数而设定，
当任一数据超出其所对应的预设阈值范围时，向人机交互层发送报警信号，当所有数据均未超出其所对应的预设阈值范围时，将应力值和抱杆姿态数据上传至人机交互层；
人机交互层：用于在设备初启时供现场监控人员设定预设阈值和抱杆参数，还用于采集数据传输层发送的应力值和抱杆姿态数据、并将应力值和抱杆姿态数据与各自对应的标准阈值进行比较，当任一数据超出其标准阈值时，进行报警并显示应力值和抱杆姿态数据，否则将应力值和抱杆姿态数据直接显示出来，所述标准阈值为抱杆正常工作状态下各参数的标准范围；
数据传输层：用于对数据计算层与人机交互层之间的数据进行无线交互。
上述数据采集层包括n组测量模块，n组测量模块分别设置在被测抱杆的n个区域，每组测量模块包括m个测量单元，m个测量单元分别设置在所区域内的m个位置点上，测量单元用于采集所在位置点的应变和抱杆姿态数据。
上述数据计算层包括n个计算分析单元，n个计算分析单元分别与n组测量模块一一对应，计算分析单元用于采集所对应测量模块的应变和抱杆姿态数据，根据所在区域中所有位置点的应变计算获得所在区域的应力值，预设阈值包括预设应力阈值和预设姿态阈值，将应力值与预设应力阈值进行比较，将抱杆姿态数据与预设姿态阈值进行比较，并获得比较结果。
上述每个计算分析单元对应设有一个能耗管理单元，能耗管理单元用于实时判断计算分析单元当前时刻获得数据与上一时刻获得数据的变化量，当变化量小于5％时，关闭对应的计算分析单元和测量模块、且自身进入到掉电工作模式，否则保持当前工作状态。
上述数据传输层包括n个计算层通讯单元和1个监控层通讯单元，n个计算层通讯单元同时与1个监控层通讯单元实现无线通信；n个计算层通讯单元分别与n个计算分析单元一一对应，每个计算层通讯单元与其对应的计算分析单元实现数据交互，监控层通讯单元用于与人机交互层实现数据交互。
本发明是一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，其优点在采用分层架构对于多个抱杆并行施工进行在线实时安全监控，该系统校准方便，通信距离远，检测单元功耗低；既可以满足现场人员进行现场安全检测，方便应急处理，又可以将数据上传到云端，供远端管理人员查询历史数据，查找事故原因，预防事故发生。本发明涉及一种安全检测、远程监控、数据分析、超限报警系统，具体能够应用在架空输电线路施工过程中，对多抱杆并行工作时进行安全检测、远程监控、数据分析、超限报警。
附图说明
图1为一种用于电力抱杆施工的安全监控系统的层级结构示意图；
图2为系统在抱杆上分布时的示意图，其中，1抱杆主干、2抱杆承托绳、3抱杆拉线、4无线应力节点、5起吊绳、51起吊滑轮组、6铁塔主材、7地滑车、71绞磨连接绳、8被吊构件、81控制绳；
图3为无线应力节点与人机交互单元的工作流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，包括数据采集层、数据计算层、数据传输层、人机交互层和数据存储分析层；将待测抱杆划分为上、中、下3个区域，每个区域含有4个位置点。
数据采集层包括3组测量模块，3组测量模块分别设置在被测抱杆的3个区域内，每组测量模块包括4个测量单元，4个测量单元分别设置在所在测量模块所在区域的4个位置点上，每个测量单元用于采集所在位置点的应变和姿态数据。
数据计算层包括3个计算分析单元，每个计算分析单元配备有一个能耗管理单元和EEPROM，3个计算分析单元分别与3组测量模块一一对应并实现数据传输。
EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，带电可擦可编程只读存储器)具有掉电保持的特点，内部存储有现场工作人员通过在人机交互层设置的抱杆参数、基准信息、校准结果和预设阈值等内容，预设阈值包括预设应力阈值和预设姿态阈值；所述抱杆参数包括：抱杆的材料、尺寸、安全姿态范围等。当测量模块被放置在抱杆上后，开机后首先清空EEPROM的内容，保证前一个抱杆测量结果不会影响之后的测量数据。
计算分析单元接收对应测量模块获得的应变数据，并根据所有应变数据计算获得所在区域所受应力值，将该应力值与预设应力阈值进行比较，判断当前应力值是否超出预设应力阈值范围；同时还要将抱杆姿态数据与预设姿态阈值进行比较，判断当前抱杆姿态数据是否超出预设姿态阈值范围。当任何一个数据超出其预设阈值范围时，通过数据传输层将向人机交互层发送无线报警信号，以供现场人员进行处理；当所有数据均未超出其预设阈值范围时，数据传输层将数据计算层获得的应力值和抱杆姿态全部通过无线方式上传至人机交互层。
所述预设阈值通过人机交互层内嵌的人机交互单元实现设定操作，具体为：由现场的监控人员根据当前抱杆参数进行设置，然后通过数据传输层发送至数据计算层中的EEPROM进行存储。
能耗管理单元实时采集其对应的计算分析单元中获得数据的变化量，当变化量小于5％时，关闭对应的计算分析单元和测量模块、且自身进入到掉电工作模式(即avr单片机掉电模式)，否则保持当前工作状态。能耗管理单元根据预设的掉电时间，定时启动计算分析单元电源开始工作，将使整个无线应力节点的待机时间延长至一个月。
人机交互层将获得的应力值和姿态数据再次与标准阈值进行比较，该标准阈值为抱杆正常工作状态下各参数的标准范围。若其中任一数据超出标准，则进行报警并将所有数据显示出来，若所有数据均在正常范围内，则直接将所有数据显示出来，同时还将数据上传至数据存储分析层。实际应用时，人机交互层可采用433Mhz频段无线通讯方式接收无线应力节点传来的数据。
数据存储分析层包括云端存储器和远程分析处理单元，云端存储器先对获得的数据进行存储，然后再将数据发送至远程分析处理单元，远程分析处理单元用于将获得的应力值和抱杆姿态数据显示出来，以供后续分析处理。
人机交互层将数据上传至数据存储分析层时，采用Wifi/Wan/3G/4G等方式上传，远程分析处理单元为电脑或手机。
本实施方式中，相互对应的计算层通讯单元、计算分析单元和测量模块共同构成一个无线应力节点，共3个无线应力节点。3个无线应力节点分布在被测抱杆的上、中、下3个区域中。3个无线应力节点的计算层通讯单元均位于数据传输层中，3个无线应力节点的计算分析单元均位于数据计算层中，3个无线应力节点的测量模块均位于数据传输层中。
具体实施方式二：本实施方式所述的一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，依照图2所示，实际应用时可采用以下布置方式来设置无线应力节点和测量模块的位置。具体的，3个无线应力节点4分别设置在被测抱杆的顶部、中部、底部区域。
位于被测抱杆顶部的无线应力节点包括5个测量单元41，其中四个测量单元41分别设置在四根抱杆拉线3上，用于测量四根抱杆拉线3的温度、应变和姿态，剩余的一个设置在起吊绳5上，用于测量起吊绳5的温度、应变和姿态。
位于被测抱杆中部的无线应力节点包括4个测量单元41，四个测量单元41均设置在抱杆主干1中部的不同位置上，用于测量抱杆主干1中部不同位置的应变、温度和姿态。
位于被测抱杆底部的无线应力节点包括4个测量单元41，四个测量单元41分别设置在四根抱杆承托绳2上，用于测量四根抱杆承托绳2的温度、应变和姿态。
在上述设备设置好之后，开始启动系统工作，如图2所示。
无线应力节点开机，节点的EEPROM清空所有数据，然后用于获取数据采集层中新的应变数据、温度数据和姿态信息，并存入EEPROM中。现场监控人员利用人机交互层中的人机交互单元设置抱杆参数，并通过数据传输层发送至EEPROM中。然后再根据已知的抱杆参数设置校准信号，即预设阈值，也发送至EEPROM中。
在上述工作过程中，为了降低节点对电能的消耗，利用能耗管理单元对节点的能耗进行控制。具体的，正常工作情况下，即数据变化稳定，变化量不超过5％，此时采用的是定时休眠的低功耗工作模式，即关闭对应的计算分析单元和测量模块、且自身进入到掉电工作模式。因此这种工作模式下，需要判断计算分析单元是否正在休眠并需要被唤醒，当到达被唤醒时间时，唤醒计算分析单元，计算分析单元根据采集到的新的数据计算获得当前节点所在区域的应力值。若数据变化不稳定，变化量超过5％，此时系统不休眠，当EEPROM得到新采集的数据时，直接进行计算获得应力值。
得到应力值后，将所有数据与各自对应的预设阈值进行比较判断是否超出预设阈值的范围，若超出，则发出报警信号并将所有数据全部显示出来，供给现场监控人员进行分析或调整修复。若未超出，则直接将获得的应力值、温度和姿态数据全部发送给现场人机交互层即可。
现场人机交互层接收到当前获得的应力值、温度和姿态数据之后，则代表当前系统运作正常，抱杆工作状态正常，即可控制计算分析单元进入节能模式。同时，现场人机交互层中再次对接收到的应力值、温度和姿态数据进行二次验证，将各个数据与标准阈值再次进行比较，若有超出范围的，则进行报警，若均在正常范围内，则将所有数据上传至云端进行存储，并供给远程监控端进行分析处理。此时，进行下一轮的数据采集。

Claims (10)

1.一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，其特征在于，所述系统包括数据采集层、数据计算层、数据传输层和人机交互层，待测抱杆划分为n个区域，每个区域含有m个位置点，其中n和m均为正整数；
数据采集层：用于采集待测抱杆每个位置点的应变和抱杆姿态数据；
数据计算层：用于根据同一区域中所有位置点的应变计算获得待测抱杆各区域的应力值，并将所获得的应力值和抱杆姿态数据分别与各自对应的预设阈值进行比较，所述预设阈值通过现场监控人员根据被测抱杆参数而设定，
当任一数据超出其所对应的预设阈值范围时，向人机交互层发送报警信号，当所有数据均未超出其所对应的预设阈值范围时，将应力值和抱杆姿态数据上传至人机交互层；
人机交互层：用于在设备初启时供现场监控人员设定预设阈值和抱杆参数，还用于采集数据传输层发送的应力值和抱杆姿态数据、并将应力值和抱杆姿态数据与各自对应的标准阈值进行比较，当任一数据超出其标准阈值时，进行报警并显示应力值和抱杆姿态数据，否则将应力值和抱杆姿态数据直接显示出来，所述标准阈值为抱杆正常工作状态下各参数的标准范围；
数据传输层：用于对数据计算层与人机交互层之间的数据进行无线交互。
2.根据权利要求1所述的一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，其特征在于，数据采集层包括n组测量模块，n组测量模块分别设置在被测抱杆的n个区域，每组测量模块包括m个测量单元，m个测量单元分别设置在所区域内的m个位置点上，测量单元用于采集所在位置点的应变和抱杆姿态数据。
3.根据权利要求2所述的一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，其特征在于，n取值为3，m取值为4。
4.根据权利要求2或3所述的一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，其特征在于，数据计算层包括n个计算分析单元，n个计算分析单元分别与n组测量模块一一对应，
计算分析单元用于采集所对应测量模块的应变和抱杆姿态数据，根据所在区域中所有位置点的应变计算获得所在区域的应力值，
预设阈值包括预设应力阈值和预设姿态阈值，将应力值与预设应力阈值进行比较，将抱杆姿态数据与预设姿态阈值进行比较，并获得比较结果。
5.根据权利要求4所述的一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，其特征在于，每个计算分析单元对应设有一个能耗管理单元，能耗管理单元用于实时判断计算分析单元当前时刻获得数据与上一时刻获得数据的变化量，当变化量小于5％时，关闭对应的计算分析单元和测量模块、且自身进入到掉电工作模式，否则保持当前工作状态。
6.根据权利要求4所述的一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，其特征在于，数据传输层包括n个计算层通讯单元和1个监控层通讯单元，n个计算层通讯单元同时与1个监控层通讯单元实现无线通信；
n个计算层通讯单元分别与n个计算分析单元一一对应，每个计算层通讯单元与其对应的计算分析单元实现数据交互，
监控层通讯单元用于与人机交互层实现数据交互。
7.根据权利要求6所述的一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，其特征在于，相互对应的计算层通讯单元、计算分析单元和测量模块共同构成一个无线应力节点，共n个无线应力节点。
8.根据权利要求1至7任一权利要求所述的一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，其特征在于，所述系统还包括数据存储分析层，数据存储分析层包括云端存储器和远程分析处理单元，
云端存储器用于采集人机交互层获得的应力值和抱杆姿态数据并存储，然后将该应力值和抱杆姿态数据发送至远程分析处理单元，
远程分析处理单元用于将获得的应力值和抱杆姿态数据显示出来，以供后续分析处理。
9.根据权利要求2至7任一权利要求所述的一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，其特征在于，所述测量单元还用于检测所在位置点的温度。
10.根据权利要求2至7任一权利要求所述的一种用于电力抱杆施工的安全监控系统，其特征在于，数据计算层还包括EEPROM，EEPROM用于存储被测抱杆参数和预设阈值。
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