CN112200990A - 一种电力线路计量仪表装置防盗设备 - Google Patents

一种电力线路计量仪表装置防盗设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力线路计量仪表装置防盗设备，属于电力仪表防盗领域，所述的防盗设备采用STM32微处理器为核心，搭载uCOSII嵌入式操作系统，实时采集安装在电力塔杆拉线上的振动传感器、倾角加速度传感器和拉力传感器的相关数据，数据集通过Adaboost分类算法实时处理，判断拉线的状态，以GSM消息方式将预警、报警信息传递给运行维护人员。系统采用太阳能—锂电池供电方式，通过光照传感器和锂电池充电管理芯片，可判断出系统供电状态。

Description

一种电力线路计量仪表装置防盗设备
技术领域
本发明属于电力线路防盗领域，更具体的说涉及一种电力线路计量仪表装置防盗设备。
背景技术
随着我国经济的不断发展，钢铁等原材料价格不断上涨。盗窃、破坏电力设施的现象愈演愈烈，给国家造成了严重经济损失。电力塔上的电力计量仪表是很重要的仪器仪表，关系到整个电力线路的正常工作。以为的电力线路仪表防盗均是直接在仪表上安装防盗设备，这样安装导致防盗设备功能单一，只能对一部分仪表进行防盗，不能够在保护电力仪表的同时保护电力线路以及铁塔拉线。电力塔杆拉线是保持杆塔稳定的重要部件，一般由铸铁做成，成为盗窃分子窃取的重要部件，给电网运行带来了极大的安全隐患。
犯罪分子偷到电路线路上的计量仪表同时一定会触碰到电力线缆以及电力拉线，我们只需要在电力线缆及电力拉线上安装防盗设备，即可达到一举三得的目的。针对上述问题，提出了一种基于Adaboost识别算法的防盗报警系统。
发明内容
本发明对电电力线缆的状态信息进行实时的监测，通过对拉线以及电力线缆盗窃做出准确的预警、报警。来判断电力线缆以及仪器仪表有没有被盗窃。大大降低了拉线盗窃事件的发生率，减少了因拉线被盗引起的经济损失，保证电网的安全运行，具有较高的工程实践意义。
1.为了实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：所述的防盗设备包括传感器模块、微处理器、供电模块、无线模块；所述的传感器模块包括振动传感器模块、倾角加速传感器模块、拉力传感器模块，供电模块采用光伏供电模块，无线模块采用GSM无线模块；所述的传传感器模块与微处理器输入端连接，微处理输出端与无线模块连接，无线模块通过无线网络与后端监控设备连接，供电模块为整个设备提供电力。
优选的，所述微处理器STM32微处理器为核心，搭载uCOSII嵌入式操作系统，实时采集安装在电力塔杆拉线上的振动传感器、倾角加速度传感器和拉力传感器的相关数据，数据集通过Adaboost分类算法实时处理，判断拉线的状态，以GSM消息方式将预警、报警信息传递给运行维护人员。
优选的，所述的拉力传感器输出差分信号，运算放大器将信号转换为0V～3.3V直流电压信号输入到STM32微处理器中。
优选的，所述的倾角传感器模块选用MPU6050三轴加速度模块，通过USART串口与STM32微处理器通讯，直接输出航向、俯仰、横滚三个方向角度；振动传感器采用SW—200振动传感器，检测拉线的振动频率的变化。
优选的，所述的GSM模块通过USART串口与STM32微处理器进行通讯，完成预警、报警以及状态信息的传递；系统供电模块采用太阳能—锂电池供电方式，通过光照传感器和锂电池充电管理芯片，可实时监测系统供电运行状态。
优选的，所述的供电模块多晶硅太阳能光伏板通过充电管理芯片为锂电池充电，锂电池经DC－DC变换为5V和3.3V直流电压给系统供电；其中，充电管理芯片可实时监测锂电池的电量，并将检测信号上传至STM32微处理器；当STM32微处理器监测到锂电池电量较低，且光照传感器监测到的光照强度较弱时，STM32微处理器判断当前供电状态为“异常”，通过GSM消息告知运行维护人员及时维护检修，保证系统的持续可靠运行。
优选的，所述的STM32处理器在移植uCOSII操作系统时，系统移植时，选用STM32自带的SysTick滴答定时器作为系统的时钟频率，滴答定时器的中断设置为2ms，中断后执行系统的调度任务，运行就绪表中优先级最高的任务，保证系统的实时性；uCOS II系统运行时，首先完成全局变量、数据结构等系统变量的初始化，接着完成创建任务，进入到多任务管理阶段，查找最高任务优先级，实现任务切换，完成用户任务的调度。
优选的，所述的防盗设备在实际运行过程中，系统经常受到一些外部因素的影响，为了提高系统预警、报警的准确率，采用Adaboost识别算法对系统进行改善。
本发明有益效果：
本发明对电电力线缆的状态信息进行实时的监测，通过对拉线以及电力线缆盗窃做出准确的预警、报警。来判断电力线缆以及仪器仪表有没有被盗窃。大大降低了拉线盗窃事件的发生率，减少了因拉线被盗引起的经济损失，保证电网的安全运行，具有较高的工程实践意义。
附图说明
图1为本系统总体设计框图；
图2本发明硬件结构图；
图3为智能供电模块结构图；
图4为本系统软件运行结构图；
图5为本系统算法模型结构图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
电力塔杆拉线防盗报警系统的硬件结构如图2所示，采用STM32F103ZET6作为系统微处理器芯片，工作频率达72MHz，保证程序运行速度。芯片内部集成USART串口、AD转换等功能，外部模块可直接调用，大大降低了开发难度。拉力传感器输出差分信号，运算放大器将信号转换为0V～3.3V直流电压信号输入到STM32微处理器中。所述的倾角传感器模块选用MPU6050三轴加速度模块，通过USART串口与STM32微处理器通讯，直接输出航向、俯仰、横滚三个方向角度；振动传感器采用SW—200振动传感器，检测拉线的振动频率的变化。所述的GSM模块通过USART串口与STM32微处理器进行通讯，完成预警、报警以及状态信息的传递；系统供电模块采用太阳能—锂电池供电方式，通过光照传感器和锂电池充电管理芯片，可实时监测系统供电运行状态。
所述的供电模块多晶硅太阳能光伏板通过充电管理芯片为锂电池充电，锂电池经DC－DC变换为5V和3.3V直流电压给系统供电；其中，充电管理芯片可实时监测锂电池的电量，并将检测信号上传至STM32微处理器；当STM32微处理器监测到锂电池电量较低，且光照传感器监测到的光照强度较弱时，STM32微处理器判断当前供电状态为“异常”，通过GSM消息告知运行维护人员及时维护检修，保证系统的持续可靠运行。
所述的STM32处理器在移植uCOSII操作系统时，系统移植时，选用STM32自带的SysTick滴答定时器作为系统的时钟频率，滴答定时器的中断设置为2ms，中断后执行系统的调度任务，运行就绪表中优先级最高的任务，保证系统的实时性；uCOS II系统运行时，首先完成全局变量、数据结构等系统变量的初始化，接着完成创建任务，进入到多任务管理阶段，查找最高任务优先级，实现任务切换，完成用户任务的调度。
系统的软件结构如图4所示，该系统划分为七个任务。拉力测量任务、倾角加速度测量任务和振动测量任务完成对电力塔杆拉线状态数据的采集；Adaboost训练任务和Adaboost分类任务完成对采集数据集的识别，实现对电力塔杆拉线状态的判断；系统供电监测任务完成供电系统状态的监测、判断；GSM消息接、发任务完成预警、报警信息以及供电信息的发送，接收运行维护人员的查询信息。
电力塔杆拉线较长，容易振动。盗贼在卸掉电力塔杆拉线的UT线夹螺栓、锯断拉线棒或拉线的过程中，拉线的振动会更加明显，将SW－200振动传感器固定于拉线的中上部，用来测量拉线的振动频率。
基于拉线倾角加速度的测量方法：电力塔杆拉线正常状态下与地面呈45°左右的角度。盗贼在卸掉电力塔杆拉线的UT线夹螺栓、锯断拉线棒或拉线的过程中，拉线的角度会发生变化，拉线的角加速度会随着动作的快慢而变化；拉线被盗后，拉线自然下垂，与大地呈90°大小的角度，将MPU6050倾角加速度模块固定于拉线顶端，用来测量拉线多方向的倾角和加速度的变化情况。
基于拉线拉力的测量方法：电力塔杆拉线正常状态下会承受包括塔杆张力、拉线自身重量在内的一定大小的拉力。盗贼在剪断电力塔杆拉线的过程中，剪线钳的重量会使得拉线承受的拉力增加；拉线被盗后，拉线上的拉力会大幅度的减小。将拉力传感器连接于拉线之间，用来测量拉线上承受拉力的大小。
依据上述测量方法，可以按照采集的拉线状态数据特征对拉线被盗做出预警、报警，但在实际运行过程中，系统经常受到一些外部因素的影响。例如，风吹、雨雪等恶劣天气会引起电力塔杆拉线的振动频率的增加、加速度的变化；雨雪结冰会使拉线的拉力、角度发生相应的变化。上述情况的发生都会引起系统的误报、漏报。为了提高系统预警、报警的准确率，本文采用Adaboost识别算法对系统进行改善。
传统的神经网络等单一分类器，算法结构较为复杂，在单片机上实现较困难，且分类速度较慢。本文使用Adaboost集成学习的方式，其算法分类模型结构如图5所示，将k个由决策树组成的弱分类器(M1，M2，…，Mk)集成为一个强分类器，使得该强分类器比弱分类器Mi(i＝0，1，…，k)有着更好的分类效果，其主要思想就是在训练集上迭代出一套权重分布。首先进行样本权重的初始化，使得每个训练样本具有相等的权重(D1(i)＝1N)。进而，由决策树组成的弱分类器进行t次迭代，每次迭代运算后，按分类结果来调整训练集上的权重分布，不断的提高被错误分类的训练样本的权重，使弱分类器在后面的迭代运算中更加关注这些训练样本。
当这k个决策树组成的弱分类器训练t次之后，得到相应的分类函数序列h1，h2，…，ht，为了衡量该弱分类器的分类效果，将权重α1，α2，…αt赋予分类函数序列h1，h2，…，ht，函数分类效果越好，赋予的权重越大。最后，采用有权重的投票机制产生最终的分类函数H(x)。Adaboost分类识别算法步骤如下：
(1)输入训练集：G＝((x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn))，其中xi∈X，yi∈Y＝{1，－1}
(2)权重初始化：D1(i)＝1N，i＝1，2，…，N
(3)迭代循环t＝1，2，…，N
(a)弱分类器根据权重Dt进行训练，得到弱的分类结果ht：X→{1，-1}；
(b)计算ht的误差率：
Figure BDA0002175288220000085
(c)计算
Figure BDA0002175288220000081
(d)权值更新：
Figure BDA0002175288220000082
其中，
Figure BDA0002175288220000083
为归一化算子，
循环结束，输出最终分类函数，
H(x)＝sign(hf(x)),其中
Figure BDA0002175288220000084
GSM短消息收发实验验证
发送短消息内容“1”到指定号码，接收到系统发到用户的GSM消息，消息内容为：“当前塔杆拉线状态参数，振动次数：8次，角度：43.24°，加速度：0.12deg/s2，拉力相对值：1.02。系统供电系统正常，拉线状态正常。
用钢锯模拟盗窃拉线的过程，接收到系统发到用户的GSM消息，消息内容为：“当前塔杆拉线状态参数，振动次数：56次，角度47.35°，加速度：1.56deg/s2，拉力相对值：1.10。系统供电系统正常，拉线状态异常，盗窃正在发生在实验室内模拟正常、盗窃等各种情况下的拉线状态，采集数据100组，选取其中60组作为训练集，40组作为测试集，对Adaboost算法分类效果进行验证。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种电力线路计量仪表装置防盗设备，其特征在于：所述的防盗设备包括传感器模块、微处理器、供电模块、无线模块；所述的传感器模块包括振动传感器模块、倾角加速传感器模块、拉力传感器模块，供电模块采用光伏供电模块，无线模块采用GSM无线模块；所述的传传感器模块与微处理器输入端连接，微处理输出端与无线模块连接，无线模块通过无线网络与后端监控设备连接，供电模块为整个设备提供电力。
2.根据权利要求1所述的一种电力线路计量仪表装置防盗设备，其特征在于：所述微处理器STM32 微处理器为核心，搭载uCOSII嵌入式操作系统，实时采集安装在电力塔杆拉线上的振动传感器、倾角加速度传感器和拉力传感器的相关数据，数据集通过Adaboost分类算法实时处理，判断拉线的状态，以GSM消息方式将预警、报警信息传递给运行维护人员。
3.根据权利要求1所述的一种电力线路计量仪表装置防盗设备，其特征在于：所述的拉力传感器输出差分信号，运算放大器将信号转换为 0V～3.3V直流电压信号输入到STM32微处理器中。
4.根据权利要求1所述的一种电力线路计量仪表装置防盗设备，其特征在于：所述的倾角传感器模块选用MPU6050 三轴加速度模块，通过USART串口与 STM32 微处理器通讯，直接输出航向、俯仰、横滚三个方向角度；振动传感器采用SW—200振动传感器，检测拉线的振动频率的变化。
5.根据权利要求1所述的一种电力线路计量仪表装置防盗设备，其特征在于：所述的GSM 模块通过USART 串口与STM32 微处理器进行通讯，完成预警、报警以及状态信息的传递；系统供电模块采用太阳能—锂电池供电方式，通过光照传感器和锂电池充电管理芯片，可实时监测系统供电运行状态。
6.根据权利要求1所述的一种电力线路计量仪表装置防盗设备，其特征在于：所述的供电模块多晶硅太阳能光伏板通过充电管理芯片为锂电池充电，锂电池经DC－DC 变换为5 V和3.3V直流电压给系统供电；其中，充电管理芯片可实时监测锂电池的电量，并将检测信号上传至STM32 微处理器；当STM32 微处理器监测到锂电池电量较低，且光照传感器监测到的光照强度较弱时，STM32微处理器判断当前供电状态为“异常”，通过GSM消息告知运行维护人员及时维护检修，保证系统的持续可靠运行。
7.根据权利要求2所述的一种电力线路计量仪表装置防盗设备，其特征在于：所述的STM32处理器在移植uCOSII操作系统时，系统移植时，选用STM32 自带的 SysTick 滴答定时器作为系统的时钟频率，滴答定时器的中断设置为2ms，中断后执行系统的调度任务，运行就绪表中优先级最高的任务，保证系统的实时性；uCOS II系统运行时，首先完成全局变量、数据结构等系统变量的初始化，接着完成创建任务，进入到多任务管理阶段，查找最高任务优先级，实现任务切换，完成用户任务的调度。
8.根据权利要求1所述的一种电力线路计量仪表装置防盗设备，其特征在于：所述的防盗设备在实际运行过程中，系统经常受到一些外部因素的影响，为了提高系统预警、报警的准确率，采用 Adaboost 识别算法对系统进行改善。
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