CN112629591A - 一种环境气象观测装置、污秽等级的确定系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种环境气象观测装置、污秽等级的确定系统及方法，环境气象观测装置包括气象传感机构、颗粒物传感机构和集控机构。气象传感机构用于获取气象监测数据。颗粒物传感机构用于获取颗粒物浓度监测数据。集控机构用于采集、处理所述气象监测数据和所述颗粒物浓度监测数据。本申请的环境气象观测装置可以用于风沙干旱地区绝缘子污秽等级的预测，同时准确度较高，从而为外绝缘设计提供依据，防止绝缘子污闪发生。

Description

一种环境气象观测装置、污秽等级的确定系统及方法
技术领域
本申请涉及高电压污秽外绝缘领域，尤其涉及一种环境气象观测装置、污秽等级的确定系统及方法。
背景技术
沙漠戈壁地区地域辽阔，大部分为无人区，输电线路稀少，盐密监测范围难以覆盖，运行经验不足。目前主要依据Q/GDW 152—2006《高压架空线路和变电站污区分级与外绝缘选择标准》进行沙漠干旱地区的交流污秽等级确定。具体方法是通过对站址周围表层土壤选取一定数量的样本，送检测机构进行成份化验分析及含盐量测量，最后根据企标Q/GDW 152—2006关于盐碱等级划分及其与污秽等级对应关系进行污秽水平评定。
该方法需要采集一定数量的土壤样本化验分析含盐量等，而站址周围地表盐碱地分布并不均匀，选择的土壤样本含盐量测量结果分散性较大。植被覆盖程度等地表起尘(沙)条件不同，不同盐碱程度的尘土对绝缘子积污降尘量贡献权重系数难以确定，往往在污秽等级选择时采取直接求平均的方式，积污水平预测方法较为粗放。
申请内容
本申请提供一种环境气象观测装置、污秽等级的确定系统及方法，能够用于风沙干旱地区绝缘子污秽等级的预测。
第一方面，本申请的实施例提供了一种环境气象观测装置，包括气象传感机构、颗粒物传感机构和集控机构。气象传感机构用于获取气象监测数据。颗粒物传感机构用于获取颗粒物浓度监测数据。集控机构用于采集、处理气象监测数据和颗粒物浓度监测数据。
在其中一些实施例中，气象传感机构包括雨量传感器，雨量传感器用于获取雨量，雨量传感器具有雨量筒、可开关地覆盖雨量筒的开口的筒盖和控制筒盖的开关的控制结构。环境气象观测装置还包括降水现象传感机构，降水现象传感机构用于识别降水现象。控制结构和降水现象传感机构分别与集控机构连接，使得集控机构根据降水现象传感器的识别数据控制控制结构的运行。
在其中一些实施例中，集控机构包括电源模块，电源模块用于提供环境气象观测装置运行所需的电力。环境气象观测装置还包括太阳能机构，太阳能机构用于将太阳辐射能转换为电能，太阳能机构与电源模块连接，使得电源模块接收太阳能机构的电能。
在其中一些实施例中，集控机构还包括存储模块，存储模块用于存储处理的数据。
在其中一些实施例中，集控机构还包括加密模块和通信模块，加密模块用于加密处理的数据，通信模块用于发送加密的数据。
第二方面，本申请的实施例提供了一种污秽等级的确定系统，包括上述任一实施例中的环境气象观测装置和分析装置。分析装置用于接收气象监测数据和颗粒物浓监测数据，以及根据气象监测数据和颗粒物浓监测数据确定污秽等级。
在其中一些实施例中，分析装置具有解密模块，解密模块用于解密接收的数据。
第三方面，本申请的实施例提供了一种采用上述任一实施例中的确定系统的污秽等级的确定方法，包括如下步骤：分析装置根据环境气象观测装置发送的样本期内的气象监测数据和颗粒物浓度监测数据建立关系模型。根据积污期内的历史气象数据和关系模型获取积污期内的预测颗粒物浓度数据。据历史气象数据和预测颗粒物浓度数据获取积污量。根据盐类占比和积污量获取含盐量。根据绝缘子表面积和含盐量获取盐密。据盐密确定污秽等级。
在其中一些实施例中，积污量获取步骤中，获取积污量的公式如下：
W_sub＝k_c*1099*exp(-2.247/pow(V,2))*C_tsp-67.59*exp(-3.422/pow(V,6)*C_tsp*ln(C_tsp+1))；
其中，W_sub为绝缘子日沉积量，k_c为绝缘子外形修正系数，V为平均风速，C_tsp为预测颗粒物浓度数据。
在其中一些实施例中，获取盐密时，平均风速小于1.5m/s时，直流绝缘子和交流绝缘子的等值盐密比公式如下：
k1＝199d1 -2.06；
其中，d1为区域颗粒物50％概率粒径；
平均风速大于或等于1.5m/s时，直流绝缘子和交流绝缘子的等值盐密比公式如下：
k2＝8.98(v·d2)-0.476；
其中，d2为区域颗粒物50％概率粒径，v为平均风速。
根据本申请的实施例提供的一种环境气象观测装置，包括气象传感机构、颗粒物传感机构和集控机构。气象传感机构用于获取气象监测数据。颗粒物传感机构用于获取颗粒物浓度监测数据。集控机构用于采集、处理气象监测数据和颗粒物浓度监测数据。本申请的环境气象观测装置可以用于风沙干旱地区绝缘子污秽等级的预测，同时准确度较高，从而为外绝缘设计提供依据，防止绝缘子污闪发生。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中环境气象观测装置的整体结构示意图；
图2为本申请实施例中环境气象观测装置的连接结构示意图；
图3为本申请实施例中集控机构的结构示意图。
具部实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具部实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
参阅图1-3，本申请的实施例提供了一种环境气象观测装置10。环境气象观测装置10可以用于风沙干旱地区(如沙漠地区)。环境气象观测装置10包括气象传感机构11、颗粒物传感机构12和集控机构13。
参阅图1，气象传感机构11用于获取气象监测数据，包括风速、风向、降雨量、相对湿度、气温。气象传感机构11包括用于获取风速的风速传感器100。可选地，风速传感器100选用杯式风速传感器100，其感应部件随风旋转并带动风速码盘进行光电扫描，输出相应的电脉冲信号，同时采用迷宫式结构设计，有效抵御风沙等恶劣环境影响。风速传感器100主要技术参数可以如下：使用环境：-50℃～60℃，0％RH～100％RH，测量范围：0m/s～60m/s，启动风速：小于0.3m/s，分辨力：0.05m/s，抗风强度：75m/s。
气象传感机构11包括用于获取风向的风向传感器101。可选地，风向传感器101选择测量风的水平风向的专业气象仪器，其感应部件为风向标部件，经格雷码盘、光电器件等将风标的角位移转换成相应的雷格码，以电信号输出，同时采用迷宫式设计，可有效抵御风沙等恶劣环境影响，风向传感器101主要技术参数可以如下：测量范围：0°～360°，最大允许误差：±3°，分辨率：2.5°，响应灵敏度：0.3m/s(风向标偏转30°时)，风向输出：8位格码，抗风强度：75m/s。
气象传感机构11包括用于获取雨量的雨量传感器102。雨量传感器102可以具有雨量筒、可开关地覆盖雨量筒的开口的筒盖和控制筒盖的开关的控制结构1020，以防止风沙侵入雨量筒影响准确度。可选地，雨量传感器102采用翻斗式雨量器，其可以测量液体降水量、降水强度，输出机械触电信号(干黄继电器)，具体由承水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗等构成。雨量传感器102主要技术参数可以如下：测量降水强度：≥0mm/min，≤4mm/min，测量最小分度0.1mm，最大允许误差±4％mm，工作温度：-40～70℃。
气象传感机构11包括相对湿度和温度传感器103。可选地，相对湿度和温度传感器103采用维萨拉新一代的HUMICAP@180R传感器，其具有卓越的稳定性适用于恶劣环境。同时，探头结构牢固，传感器保护为烧结特氟龙过滤器，最大限度地保护传感器耐受于液态水、灰尘及脏污的环境，另外头部连续加热，内部湿度水平总低于周围环境的湿度降低探头结露的风险，所以可以可靠地测量湿度接近饱和的环境。相对湿度和温度传感器103主要技术参数可以如下：使用环境温度-50℃～60℃，湿度0％RH～100％RH。
颗粒物传感机构12用于获取颗粒物浓度监测数据，包括PM2.5、PM10、TSP浓度。可选地，颗粒物传感机构12采用集成三种传感功能、且基于激光散射原理的工业级粉尘传感器，其适用于工地扬尘、道路扬尘、环保的在线粉尘浓度监测，同时，能够自动除尘、自动除湿、自动湿度校准、自动监测传感器是否失效并报警。
参阅图2、3，集控机构13可以包括电源模块130、采集模块131、通信模块132、主控板133、存储模块134、加密模块135。电源模块130用于提供环境气象观测装置10运行所需的电力。可选地，电源模块130采用双电源模式，12V直流蓄电池可以通过下述外接的太阳能机构15实现蓄电，提供满足15天内的电量，同时，可以外接交流220V电源，接入后自动切换模式。
采集模块131用于采集处理气象监测数据和颗粒物浓度监测数据和处理采集的数据。可选地，采集模块131采用Arm架构高端处理器、标准Linux操作系统、工业级Flash存储、超大内存设计(至少可扩展至1GB)，其满足采集频率要求，响应速度要求。采集模块131主要功能可以如下：按照协议实现气象传感机构11(可以不包括雨量传感器)及颗粒物传感机构12的数据采集及处理，数据采集和处理需符合《地面气象观测规范》中的相关规定。
通信模块132用于发送处理的数据。可选地，通信模块132采用4g通信模块，主控板133将采集并处理(或者进一步经过下述加密)的数据通过RS232串口发往通信模块132，将数据远程传输至下述分析装置。
主控板133用于控制集控机构13的运行。
存储模块134用于存储处理的数据。此时，主控板133配备8GB以上CF卡接口，数据读写速度快，响应时延低，并可长期进行数据存储，满足数据本地存储备份的需要。
加密模块135用于加密处理的数据，使得通信模块132发送加密的数据。此时，主控板133配备加密芯片，在数据发送前进行加密，保证发送过程中数据安全性。
环境气象观测装置10可以还包括降水现象传感机构14，降水现象传感机构14用于识别降水现象。可选地，降水现象传感机构14选用降水现象仪，其通过激光技术的光学测量原理，测量通过测试区域降水粒子来自动观测和识别降水现象，其具有测量及识别速度快的特点，可快速感知判断降水现象。
上述条件下，控制结构1020和降水现象传感机构14可以分别与主控板133连接，使得主控板133根据降水现象传感器的识别数据控制控制结构1020的运行。降水现象传感机构14感知降水现象发生后给主控板133发送降雨发生信号，主控板133接收降雨发生信号后给控制结构1020发送筒盖打开信号，使得筒盖打开，启动降雨量测量。降水现象传感机构14感知降水现象消失后给主控板133发送降雨消失信号，主控板133接收降雨消失信号后给给控制结构1020发送筒盖关闭信号，使得筒盖关闭，以防止风沙干燥地区大量降尘对雨量筒的器件干扰，增加测量可靠度，降低人工维护量。
环境气象观测装置10还包括太阳能机构15，太阳能机构15用于将太阳辐射能转换为电能，太阳能机构15与电源模块130连接，使得电源模块130接收太阳能机构15的电能。
参阅图1，气象传感机构11、颗粒物传感机构12、集控机构13和太阳能机构15可以安装于同一固定基础上的支架上，降水现象传感机构14可以安装于另一固定基础上的支架上。降水现象传感机构14与集控机构13的连接线路(包括电源线和信号线)可以置于pvc管中。
本申请的实施例提供了一种污秽等级的确定系统，包括上述任一实施例中的环境气象观测装置10和分析装置。
分析装置用于根据气象监测数据和颗粒物浓度监测数据确定污秽等级。分析装置可以具有解密模块，解密模块用于解密接收的数据，使得解密模块对通信模块132的发送数据进行解密。分析装置作为服务器端通过TCP/IP协议接收作为远程采集终端的环境气象观测装置10的数据(包括气象数据和颗粒物浓度数据)，通过解密模块及密钥完成数据的解密，并存入数据库。
本申请的实施例提供了一种采用上述任一实施例中的确定系统的污秽等级的确定方法，包括如下步骤：模型建立步骤、浓度预测步骤、积污量获取步骤、含盐量获取步骤、盐密获取步骤和等级确定步骤。
模型建立步骤可以概括为：分析装置根据环境气象观测装置10发送的样本期内的气象监测数据和颗粒物浓度监测数据建立关系模型。可以具体为：当气象监测数据和颗粒物浓度监测数据达到一定数量(样本期一般为45天以上)，分析装置自动将气象监测数据和颗粒物浓度监测数据分为训练样本和测试样本两部分，样本划分方法采用K-fold CrossValidation(记为K-CV)交叉验证。通过支持向量回归SVR获取气象(包括风速、风向、气温、降雨、湿度)与颗粒物浓度非线性映射关系模型，并采用遗传算法进行超参数解空间的优化，最终模型预测值与实测值的相关系数必须大于0.7，三个时间点以上实测值与预测值误差一般不超过20％。
上述模型建立步骤的实现基础为：风沙干旱地区沙尘浓度不仅受气象条件如风速、降雨的影响，同时与地表粗糙度、地表植被覆盖状况、表层土壤湿度等地表起尘条件有关，但由于风沙干旱地区降雨较少，积污期内地表状况相对固定的情况下，因此地面扬尘(即颗粒物)主要与气象相关。由此可知，通过监测气象与颗粒物浓度，确定气象与颗粒物浓度的大致规律。
浓度预测步骤可以概括为：根据积污期内的历史气象数据和关系模型获取积污期内的预测颗粒物浓度数据。
积污量获取步骤可以概括为：根据历史气象数据和预测颗粒物浓度数据获取积污量。获取积污量的公式可以如下：
W_sub＝k_c*1099*exp(-2.247/pow(V,2))*C_tsp-67.59*exp(-3.422/pow(V,6)*C_tsp*ln(C_tsp+1))。其中，W_sub为绝缘子20日沉积量，k_c为绝缘子20外形修正系数，V为平均风速，C_tsp为预测颗粒物浓度数据。k_c一般通过当地不同外形的绝缘子20的长期测污结果获得。
含盐量获取步骤可以概括为：根据盐类占比和积污量获取含盐量。需要说明的是，由于同一地区的污秽成分基本不变，因此盐类占比基本不变，可以设为定值。
盐密获取步骤可以概括为：根据绝缘子20表面积和含盐量获取盐密。获取盐密时，平均风速小于1.5m/s时，直流绝缘子和交流绝缘子的等值盐密比公式如下：
k1＝199d1 -2.06。其中，d1为区域颗粒物50％概率粒径。
平均风速大于或等于1.5m/s时，直流绝缘子和交流绝缘子的等值盐密比公式如下：
k2＝8.98(v·d2)-0.476。其中，d2为区域颗粒物50％概率粒径，v为平均风速。
需要说明的是，在直流绝缘子和交流绝缘子之间进行换算时，需要采用上述等值盐密比，否则不需要。
等级确定步骤可以概括为：根据盐密确定污秽等级。
综上所述，通过样本期(属于短期)的环境气象观测，获得气象监测数据(包括风速、风向、气温、降雨、湿度)与颗粒物浓度监测数据(PM2.5、PM10、TSP)，从而建立关系模型。接着根据积污期(属于长期)的历史气象数据，利用关系模型计算积污期的预测颗粒物浓度，然后获取积污量、含盐量、盐密，最后确定污秽等级。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具部情况理解上述术语的具部含义。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环境气象观测装置，其特征在于，包括：
气象传感机构，用于获取气象监测数据；
颗粒物传感机构，用于获取颗粒物浓度监测数据；和
集控机构，用于采集、处理所述气象监测数据和所述颗粒物浓度监测数据。
2.如权利要求1所述的环境气象观测装置，其特征在于，
所述气象传感机构包括雨量传感器，所述雨量传感器用于获取雨量，所述雨量传感器具有雨量筒、可开关地覆盖所述雨量筒的开口的筒盖和控制所述筒盖的开关的控制结构；
所述环境气象观测装置还包括降水现象传感机构，所述降水现象传感机构用于识别降水现象；
所述控制结构和所述降水现象传感机构分别与所述集控机构连接，使得所述集控机构根据所述降水现象传感器的识别数据控制所述控制结构的运行。
3.如权利要求1所述的环境气象观测装置，其特征在于，
所述集控机构包括电源模块，所述电源模块用于提供所述环境气象观测装置运行所需的电力；
所述环境气象观测装置还包括太阳能机构，太阳能机构用于将太阳辐射能转换为电能，所述太阳能机构与所述电源模块连接，使得所述电源模块接收所述太阳能机构的电能。
4.如权利要求1所述的环境气象观测装置，其特征在于，
所述集控机构还包括存储模块，所述存储模块用于存储处理的数据。
5.如权利要求1所述的环境气象观测装置，其特征在于，
所述集控机构还包括加密模块和通信模块，所述加密模块用于加密处理的数据，所述通信模块用于发送加密的数据。
6.一种污秽等级的确定系统，其特征在于，包括：
权利要求1-5任一所述的环境气象观测装置；和
分析装置，用于接收气象监测数据和颗粒物浓监测数据，以及根据所述气象监测数据和所述颗粒物浓监测数据确定污秽等级。
7.如权利要求6所述的确定系统，其特征在于，
所述分析装置具有解密模块，所述解密模块用于解密接收的数据。
8.一种采用权利要求6或7所述的确定系统的污秽等级的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
分析装置根据环境气象观测装置发送的样本期内的气象监测数据和颗粒物浓度监测数据建立关系模型；
根据积污期内的历史气象数据和所述关系模型获取积污期内的预测颗粒物浓度数据；
据所述历史气象数据和所述预测颗粒物浓度数据获取积污量；
根据盐类占比和所述积污量获取含盐量；
根据绝缘子表面积和所述含盐量获取盐密；
据所述盐密确定污秽等级。
9.如权利要求8所述的确定方法，其特征在于，
所述积污量获取步骤中，获取所述积污量的公式如下：
W_sub＝k_c*1099*exp(-2.247/pow(V,2))*C_tsp-67.59*exp(-3.422/pow(V,6)*C_tsp*ln(C_tsp+1))；
其中，W_sub为绝缘子日沉积量，k_c为绝缘子外形修正系数，V为平均风速，C_tsp为预测颗粒物浓度数据。
10.如权利要求8所述的确定方法，其特征在于，
获取所述盐密时，平均风速小于1.5m/s时，直流绝缘子和交流绝缘子的等值盐密比公式如下：
k1＝199d1 -2.06；
其中，d1为区域颗粒物50％概率粒径；
平均风速大于或等于1.5m/s时，直流绝缘子和交流绝缘子的等值盐密比公式如下：
k2＝8.98(v·d2)-0.476；
其中，d2为区域颗粒物50％概率粒径，v为平均风速。
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