CN112880631A - 基于天通链路和4g网络双模通信的杆塔状态监测终端 - Google Patents

基于天通链路和4g网络双模通信的杆塔状态监测终端 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，包括：主处理器、倾角传感器、高精度定位模块、4G通信模块、天通模块、北斗天线、4G天线、天通天线和供能模块。本发明既兼容了常用的公众网络通信形式，又增加了基于卫星移动通信系统的天通链路通信方式，可以根据信号情况智能切换最佳链路，提高突发灾害期间应急通信能力，解决了监测终端依赖于地面通信网络，不适用于自然灾害易发频发、公众网络信号不稳定的地区的问题。

Description

基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端
技术领域
本发明涉及基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，属于电力设备监测技术领域。
背景技术
杆塔是电力系统输电线路的重要基础结构，实时了解杆塔的状态，对于保障电力系统安全稳定运行具有重要意义。近年来，杆塔智能监测技术得到了大量推广应用，不同线路的杆塔根据不同应用环境，提出不同监测要求，其中杆塔倾斜和位置变化是表征输电线路杆塔状态的主要特征参数。
目前杆塔倾斜监测一般选用高精度倾角传感器，位置监测一般采用高精度差分定位技术，通信方式则普遍采用GSM、GPRS等公众网络无线通信方式，适用于公众网络覆盖全面的地区，可以解决光纤有线通信必须铺设网络的弊端，实时有效的完成数据采集及传输工作。但是对于自然灾害易发频发、公众网络信号不稳定的地区，则具有较大的局限性。如世臣、贾蕾提出的《基于北斗的电力杆塔形变监测方案设计》，通过在电力杆塔关键位置设置北斗高精度基准站点,利用实时动态差分技术计算得到监测点位置坐标信息,再通过北斗短报文或无线专网通信方式将结果数据发送至监控平台,完成对杆塔状态的全天候监测。此方案的传输方式在地面通信网络基础上增加了北斗短报文，然而其高精度位置信息的获取依然依赖地面通信网络实现动态差分技术，因此依然不适用于自然灾害易发频发、公众网络信号不稳定的地区，具有较大的局限性。
综上，现有技术中杆塔倾斜监测终端依赖于地面通信网络，不适用于自然灾害易发频发、公众网络信号不稳定的地区。
CN108508469A《一种基于北斗前置解算的电力铁塔形变监测系统及其监测方法》包括基准站单元子系统，用于获取基准站的卫星观测数据，并将所述基准站的卫星观测数据发送到监测点单元子系统；监测点单元子系统，用于获取监测点的卫星观测数据，将获取的监测点的卫星观测数据与基准站的卫星观测数据进行差分解算处理，得到基准点与监测点的相对精确坐标；预警监测平台子系统，用于获取被监测铁塔的位置及倾斜信息，依据历史数据分析并预测各电力铁塔的形变趋势，实现对每座电力铁塔的形变及倾斜状态可视化监视。该发明减少了向后台传输的数据量，克服北斗短报文数据传输频率低、数据传输量少等缺陷，提高了监测效率和预警能力。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，采用4G和天通双模通信方式，可自由切换4G和天通模块，在公网弱信号覆盖或无信号地区，可通过天通模块完成高精度北斗差分定位和发送倾斜角度数据，扩展了本发明适用范围。
本发明的技术方案如下：
基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，包括：主处理器、倾角传感器、高精度定位模块、4G通信模块、天通模块、北斗天线、4G天线、天通天线和供能模块；
所述倾角传感器与主处理器电连接，用于实时获取杆塔的倾斜角度数据，并将倾斜角度数据发送至主处理器；
所述4G通信模块和天通模块均与所述主处理器电连接，用于获取差分位置基站服务并发送至所述主处理器；
所述高精度定位模块分别与北斗天线和主处理器电连接，所述高精度定位模块通过北斗天线获取北斗卫星信号并通过主处理器接收差分位置基站服务，通过差分位置基站服务对北斗卫星信号进行差分处理，得到高精度位置数据，并将高精度位置数据发送至主处理器；
所述主处理器用于根据倾斜角度数据、高精度位置数据，分析杆塔状态，并定时发送倾斜角度数据和高精度位置数据至4G通信模块或天通模块，且根据所述杆塔状态调整数据发送周期；
所述4G通信模块与4G天线电连接，用于通过所述4G天线发送倾斜角度数据和高精度位置数据至远程监控平台；
所述天通模块与天通天线电连接，用于通过所述天通天线发送倾斜角度数据和高精度位置数据至远程监控平台；
所述供能模块为监测终端内部用电器件提供电能。
进一步的，主处理器根据倾斜角度数据和高精度位置数据，按下列公式分析杆塔状态：
T3＝(A＞A3)||(B＞B3)；
T2＝(！T3)&&((A＞A2)||(B＞B2))；
T1＝((！T2)||(！T3))&&((A＞A1)||(B＞B1))；
T0＝(0＜A＜A1)&&(0＜B＜B1)；
其中，A为杆塔倾斜角度值，A1、A2、A3为预设的三个倾斜角度阈值；B为杆塔位移值，B1、B2、B3为预设的三个位移阈值；T0＝1时，杆塔状态为安全状态；T1＝1时，杆塔状态为一般状态；T2＝1时，杆塔状态为严重状态；T3＝1时，杆塔状态为紧急状态。
进一步的，若杆塔状态不是所述安全状态，，则主处理器通过4G通信模块或天通模块，立即发送告警信息至远程监控平台。
进一步的，在数据发送周期内，天通模块连续n次发送同一数据至远程监控平台；远程监控平台收到i次后，回传握手报文，i<n；若天通模块收到握手报文，则停止此周期的数据发送，否则间隔一段时间后，天通模块继续发送数据。
进一步的，主处理器获取4G通信模块的信号强度值，预设一强度阈值，若信号强度值高于强度阈值，则主处理器通过4G通信模块进行数据通信，否则通过天通模块进行数据通信。
进一步的，所述天通模块通过天通天线将数据发送至远程监控平台，数据经天通模块、天通天线、天通卫星、运营商、公网服务器到达远程监控平台，所述公网服务器将所述数据的格式转换为公网通信协议规定的格式。
进一步的，还包括安全芯片，用于加密4G通信模块和天通模块发送的数据。
进一步的，所述供能模块包括电源转换模块、太阳能板和锂电池，所述电源转换模块用于将太阳能板和锂电池的电压转换为用电器件所需电压。
进一步的，所述4G通信模块为双通道通信，用于同时获取差分位置基站服务和发送数据至远程监控平台。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用4G和天通双模通信方式，在地面通信网络弱信号或无信号的地区，通过天通模块完成高精度北斗差分定位和发送倾斜角度数据的任务，不依赖于地面通信网络，从而使终端适用范围得到了极大扩展。
2、本发明中具有多个模块，终端的功耗较大，本发明采用太阳能板结合锂电池的供电方案，能保证终端的正常运行，尤其是设置在偏远地区，不便更换电池的终端。
3、本发明通过高精度定位模块、北斗天线、4G通信模块和天通模块进行高精度北斗差分定位，可以实现实时定位精度由米级提升到厘米级。利用高精度位置数据和倾斜角度数据，分析得到更加准确的杆塔状态；同时，根据杆塔状态，可以调整得到更加恰当的数据发送周期，以及时告知远程监控平台，并降低正常状态下的网络带宽压力和数据通信费用。
4、本发明通过设置握手机制，远程监控平台能及时知道数据是否成功送达。同时，天通模块连续5次发送倾斜角度数据，远程监控平台收到3次后，再发送握手报文，可以防止数据丢包产生误差，提高天通模块与远程监控平台的通信效率和正确率。
5、本发明通过电信运营商和公网服务器，转换天通模块发送的数据格式为公网标准协议的格式，在不对电网部门现有的监控平台做任何修改的情况下，实现正常通讯无法覆盖的区域的杆塔信息采集和处理的工作。
附图说明
图1为本发明示意图；
图2为本发明结构示意图；
图3为本发明数据交换示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
实施例一
如图1至图3所示，基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，包括：集成在主控板上的主处理器、倾角传感器、电源转换模块，与主控板电连接的高精度定位模块、4G通信模块、天通模块、锂电池、太阳能板(锂电池、太阳能板均通过供电接口与主控板电连接)，与高精度定位模块电连接的北斗天线，与4G通信模块电连接的4G天线，与天通模块电连接的天通天线。主控板上还设有一调试接口。
在本实施例中主控板、高精度定位模块、4G通信模块、天通模块和锂电池设置在一壳体内部，太阳能板、北斗天线、天通天线设置在壳体外部。
所述倾角传感器用于实时获取杆塔的倾斜角度数据，并将倾斜角度数据发送至主处理器。
所述高精度定位模块用于通过差分位置基站服务，对北斗卫星信号进行差分处理，得到高精度位置数据，并将高精度位置数据发送至主处理器。其中，高精度定位模块通过主处理器接收4G通信模块或天通模块获取的差分位置基站服务；高精度定位模块通过北斗天线获取北斗卫星信号。
所述主处理器用于根据倾斜角度数据、高精度位置数据，分析杆塔状态，并定时发送倾斜角度数据和高精度位置数据至4G通信模块或天通模块，且根据所述杆塔状态调整数据发送周期。
所述4G通信模块用于通过4G天线发送发送倾斜角度数据和高精度位置数据至远程监控平台。
所述天通模块用于通过天通天线发送发送倾斜角度数据和高精度位置数据至远程监控平台。
本实施例的有益效果在于：
1、本发明采用4G和天通双模通信方式，在地面通信网络(3/4/5G网络等)弱信号或无信号的地区，通过天通模块完成高精度北斗差分定位和发送倾斜角度数据的任务，不依赖于地面通信网络，从而使终端适用范围得到了极大扩展。
2、本发明中具有多个模块，终端的功耗较大，本发明采用太阳能板结合锂电池的供电方案，能保证终端的正常运行，尤其是设置在偏远地区，不便更换电池的终端。
实施例二
进一步的，主处理器根据倾斜角度数据和高精度位置数据，按下列公式分析杆塔状态：
T3＝(A＞A3)||(B＞B3)；
T2＝(！T3)&&((A＞A2)||(B＞B2))；
T1＝((！T2)||(！T3))&&(A＞A1)||(B＞B1)；
T0＝(0＜A＜A1)&&(0＜B＜B1)；
其中，A为杆塔倾斜角度正切值，A1、A2、A3为预设的三个倾斜角度阈值；B为杆塔位移值，B1、B2、B3为预设的三个位移阈值；T0＝1时，杆塔状态为安全状态；T1＝1时，杆塔状态为一般状态；T2＝1时，杆塔状态为严重状态；T3＝1时，杆塔状态为紧急状态。
在本实施例中：A1＝0.02；A2＝0.06；A3＝0.1；B1＝12.7mm；B2＝19.05mm；B3＝25.4mm。
假设，当前杆塔状态为安全状态，主处理器内设置数据回传周期为1h。若杆塔状态由安全状态转变为一般状态时，调整数据回传周期为10min。若杆塔状态由安全状态转变为严重状态时，调整数据回传周期为5min。若杆塔状态由安全状态转变为紧急状态时，调整数据回传周期为1min。
若T1＝1或T2＝1或T3＝1，则主处理器通过4G通信模块或天通模块，立即发送告警信息至远程监控平台。告警信息包括倾斜角度数据、高精度位置数据、杆塔状态等。
目前市面上的杆塔状态监测终端产品对状态数据的回传方式普遍采用定时回传或人员根据监控状态远程改变频率，少部分装置可以根据状态阈值进行回传频次调整，但仅设定为单一状态阈值，未考虑多状态阈值判断，整体智能化水平不高，容易造成数据回传不及时或者数据通信费用的浪费。
本实施例的进步之处在于，通过高精度定位模块、北斗天线、4G通信模块和天通模块进行高精度北斗差分定位，可以实现实时定位精度由米级提升到厘米级。利用高精度位置数据和倾斜角度数据，分析得到更加准确的杆塔状态；同时，根据杆塔状态，可以调整得到更加恰当的数据发送周期，以及时告知远程监控平台，并降低正常状态下的网络带宽压力和数据通信费用。
实施例三
进一步的，在数据发送周期内，天通模块连续5次发送倾斜角度数据至远程监控平台；远程监控平台收到3次及以上后，回传握手报文；若天通模块收到握手报文，则停止此周期的数据发送，否则间隔30s后，天通模块继续发送数据。
天通卫星传输数据时，存在数据传输延迟、数据丢包等问题。本实施例的进步之处在于，通过设置握手机制，远程监控平台能及时知道数据是否成功送达。同时，天通模块连续5次发送倾斜角度数据，远程监控平台收到3次后，再发送握手报文，可以防止数据丢包产生误差，提高天通模块与远程监控平台的通信效率和正确率。
实施例四
参照图3，终端中的主处理器获取4G通信模块的信号强度值，预设一强度阈值，若信号强度值高于强度阈值(在本实施例中为-110，信号强度值为负数，越接近零，表示信号越好)，则主处理器通过4G通信模块进行数据通信，否则通过天通模块进行数据通信。
4G通信模块为双通道通信，则4G通信模块可以同时从千寻位置基站获取差分位置基站服务和发送倾斜角度数据至远程监控平台。
天通模块发送数据，数据经天通模块、天通天线、天通卫星、电信运营商、公网服务器到达远程监控平台，所述公网服务器将所述数据的格式转换为公网通信协议规定的格式。同理，天通模块通过天通卫星和公网服务器，从千寻位置基站获取差分位置基站服务。
其中，天通卫星移动通信系统是我国自主建设的首个卫星移动通信系统，具有资源和设备自主可控、资费亲民、传输安全保密、服务渠道完备、运营专业、终端丰富、与公共网络互联互通等显著优势，填补了国内自主卫星移动通信系统的空白。
在地面系统方面，中国电信是我国基础电信运营商中唯一拥有卫星移动通信牌照的运营商，因此它承担天通卫星移动通信业务运营。
本实施例的有益之处在于，通过电信运营商和公网服务器，转换天通模块发送的数据格式为公网标准协议的格式，在不对电网部门现有的监控平台做任何修改的情况下，实现正常通讯无法覆盖的区域的杆塔信息采集和处理的工作。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，其特征在于，包括：主处理器、倾角传感器、高精度定位模块、4G通信模块、天通模块、北斗天线、4G天线、天通天线和供能模块；
所述倾角传感器与主处理器电连接，用于实时获取杆塔的倾斜角度数据，并将倾斜角度数据发送至主处理器；
所述4G通信模块和天通模块均与所述主处理器电连接，用于获取差分位置基站服务并发送至所述主处理器；
所述高精度定位模块分别与北斗天线和主处理器电连接，所述高精度定位模块通过北斗天线获取北斗卫星信号并通过主处理器接收差分位置基站服务，通过差分位置基站服务对北斗卫星信号进行差分处理，得到高精度位置数据，并将高精度位置数据发送至主处理器；
所述主处理器用于根据倾斜角度数据、高精度位置数据，分析杆塔状态，并定时发送倾斜角度数据和高精度位置数据至4G通信模块或天通模块，且根据所述杆塔状态调整数据发送周期；
所述4G通信模块与4G天线电连接，通过所述4G天线发送倾斜角度数据和高精度位置数据至远程监控平台；
所述天通模块与天通天线电连接，通过所述天通天线发送倾斜角度数据和高精度位置数据至远程监控平台；
所述供能模块用于为监测终端内部用电器件提供电能。
2.根据权利要求1所述的基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，其特征在于，主处理器根据倾斜角度数据和高精度位置数据，按下列公式分析杆塔状态：
T3＝(A＞A3)||(B＞B3)；
T2＝(！T3)&&((A＞A2)||(B＞B2))；
T1＝((！T2)||(！T3))&&((A＞A1)||(B＞B1))；
T0＝(0＜A＜A1)&&(0＜B＜B1)；
其中，A为杆塔倾斜角度值，A1、A2、A3为预设的三个倾斜角度阈值；B为杆塔位移值，B1、B2、B3为预设的三个位移阈值；T0＝1时，杆塔状态为安全状态；T1＝1时，杆塔状态为一般状态；T2＝1时，杆塔状态为严重状态；T3＝1时，杆塔状态为紧急状态。
3.根据权利要求2所述的基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，其特征在于，若杆塔状态不是所述安全状态，则主处理器通过4G通信模块或天通模块，立即发送告警信息至远程监控平台。
4.根据权利要求1所述的基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，其特征在于，在数据发送周期内，天通模块连续n次发送同一数据至远程监控平台；远程监控平台收到i次后，回传握手报文，i<n；若天通模块收到握手报文，则停止此周期的数据发送，否则间隔一段时间后，天通模块继续发送数据。
5.根据权利要求1所述的基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，其特征在于，主处理器获取4G通信模块的信号强度值，预设一强度阈值，若信号强度值高于强度阈值，则主处理器通过4G通信模块进行数据通信，否则通过天通模块进行数据通信。
6.根据权利要求1所述的基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，其特征在于，所述天通模块通过天通天线将数据发送至远程监控平台，数据经天通模块、天通天线、天通卫星、运营商、公网服务器到达远程监控平台，所述公网服务器将所述数据的格式转换为公网通信协议规定的格式。
7.根据权利要求1所述的基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，其特征在于，还包括安全芯片，用于加密4G通信模块和天通模块发送的数据。
8.根据权利要求1所述的基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，其特征在于，所述供能模块包括电源转换模块、太阳能板和锂电池，所述电源转换模块用于将太阳能板和锂电池的电压转换为用电器件所需电压。
9.根据权利要求1所述的基于天通链路和4G网络双模通信的杆塔状态监测终端，其特征在于，所述4G通信模块为双通道通信，用于同时获取差分位置基站服务和发送数据至远程监控平台。
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