CN115200545A - 一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，包括数据采集模块、数据传输模块、服务器模块、远程终端模块和电源模块，其中数据采集模块安装在变电站中需要进行沉降监测的设备处，用于实时采集各设备用于沉降监测的数据，而供电模块用于为每个数据采集模块持续供电，并且与远程终端模块无线连接，以便将电源情况发送至远程终端模块。本发明通过对每个变电站重要设备进行实时的数据采集并分析，可以解决定期监测的方法不能实时反应设备的情况的问题，避免过度倾斜导致严重事件发生。
Description
技术领域
本发明属于变电站环境监测技术领域，具体涉及一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置。
背景技术
变电站重要设备沉降主要有两个方面原因，第一是内因方面：区域构造基底受活动断裂影响产生沉降，松散地层的固结变形引起的相对地面沉降。第二是外因方面：从地下水开采范围及相邻区域的开采、城市建设等方面产生对地面沉降的影响。
选取对地面沉降影响范围大、作用明显、具有代表性的因素：如地下水开采、松散地层固结和新构造区域性沉降等。结合历年地面沉降监测数据以及地面沉降的特点，以某地巡维中心的110kV泮沙站户外端子箱及汇控箱在多次倾斜后的监测情况为例，其产生了监测滞后等多种问题，探究产生的原因是由于高压场地下情况复杂，尤其是水土流失均呈现非线性、无任何征兆的情况，若采取定期监测的方法不能实时反应端子箱、汇控箱的情况，若倾斜角度过大，容易造成二次电缆松动或者短接等多种严重事件(故)，容易造成电网巨大损失。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在解决采用定期监测的方式确定变电站重要设备沉降情况，导致不能实时反映设备倾斜情况，容易造成严重事件的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，包括：
数据采集模块，安装在变电站中需要进行沉降监测的设备处，用于实时采集各设备用于沉降监测的数据；
数据传输模块，用于将各设备处的用于沉降监测的数据无线传输至远方接收端；
服务器模块，用于作为远方接收端存储用于沉降监测的数据，并实时分析各设备的沉降情况；
远程终端模块，与服务器模块无线连接，用于从服务器模块获取各设备的沉降监测数据和沉降情况；
电源模块，用于为每个数据采集模块持续供电，并且与远程终端模块无线连接，以便将电源情况发送至远程终端模块。
作为优选的，电源模块具体包括：直流输出模块、控制器、充电器、超级电容和通信模块；
直流输出模块的输出端与数据采集模块相接，用于将交流输入转换为直流输出为数据采集模块进行供电，还通过充电器为超级电容充电以及为控制器进行供电；
控制器分别与直流输出模块和超级电容相接，用于获取直流输出模块的供电情况和超级电容的充电情况；
超级电容的输出端与直流输出模块的输出端相接，用于作为数据采集模块的后备电源；
通信模块与控制器相接，用于将直流输出模块的供电情况和超级电容的充电情况作为电源情况发送至远程终端模块。
作为优选的，直流输出模块具体包括：EMI抑制模块、PFC模块、LLC变换模块和整流滤波模块；
EMI抑制模块的一端接收交流输入，另一端分别与PFC模块和控制器相接；
PFC模块、LLC变换模块和整流滤波模块将经过EMI抑制模块处理后的交流信号转换为直流信号，以整流滤波模块的输出端作为直流输出模块的输出端进行直流输出，整流滤波模块的输出端还与充电器相接。
作为优选的，PFC模块具体包括：功率变换部分和控制部分；
功率变换部分是由整流桥、电感、功率MOSFET管、二极管和电容组成的升压变换电路；
控制部分包括集成电路以及外围元件。
作为优选的，超级电容还通过太阳能进行充电。
作为优选的，通信模块采用433MHZ数字传输技术进行无线传输。
作为优选的，服务器模块实时分析各设备的沉降情况具体根据如下计算式进行：
xt＝φ1xt-1+φ2xt-2+…+φpxt-p+ut-θ1ut-1-…-θqut-q
式中，xt为时间序列值，即采集的随时间t变化的沉降监测数据，p和φi(i＝1,2,…,p)分别是自回归阶数和系数，q和θj(j＝1,2,…,q)分别是移动平均的阶数和系数，u表示随机干扰项。
作为优选的，数据采集模块具体包括：扩展模块、应变片传感器和倾角传感器；
应变片传感器和倾角传感器用于实时采集用于沉降监测的数据；
扩展模块用于将采集的数据传输至数据传输模块。
作为优选的，数据传输模块具体包括：DTU和集中控制器；
DTU与扩展模块相接且DTU与集中控制器无线连接，集中控制器与服务器单元相接，DTU实时将采集的数据通过集中控制器无线传输至服务器模块。
作为优选的，服务器模块采用援用动态网页技术与远程终端模块进行人机交互。
综上，本发明提供了一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，包括数据采集模块、数据传输模块、服务器模块、远程终端模块和电源模块，其中数据采集模块安装在变电站中需要进行沉降监测的设备处，用于实时采集各设备用于沉降监测的数据，而供电模块用于为每个数据采集模块持续供电，并且与远程终端模块无线连接，以便将电源情况发送至远程终端模块。本发明通过对每个变电站重要设备进行实时的数据采集并分析，可以解决定期监测的方法不能实时反应设备的情况的问题，避免过度倾斜导致严重事件发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的电源模块的结构框图；
图3为本发明实施例提供的PFC模块的电路原理图；
图4为本发明实施例提供的LLC模块的电路原理图；
图5为本发明实施例提供的LLC控制电路原理图。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
变电站重要设备沉降主要有两个方面原因，第一是内因方面：区域构造基底受活动断裂影响产生沉降，松散地层的固结变形引起的相对地面沉降。第二是外因方面：从地下水开采范围及相邻区域的开采、城市建设等方面产生对地面沉降的影响。
选取对地面沉降影响范围大、作用明显、具有代表性的因素：如地下水开采、松散地层固结和新构造区域性沉降等。结合历年地面沉降监测数据以及地面沉降的特点，以某地巡维中心的110kV泮沙站户外端子箱及汇控箱在多次倾斜后的监测情况为例，其产生了监测滞后等多种问题，探究产生的原因是由于高压场地下情况复杂，尤其是水土流失均呈现非线性、无任何征兆的情况，若采取定期监测的方法不能实时反应端子箱、汇控箱的情况，若倾斜角度过大，容易造成二次电缆松动或者短接等多种严重事件(故)，容易造成电网巨大损失。
基于此，本发明提供了一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置。
以下对本发明的一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置的实施例进行详细的介绍。
请参阅图1，本实施例提供一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，包括：数据采集模块、数据传输模块、服务器模块、远程终端模块和电源模块。
在本实施例中，数据采集模块被安装在变电站中需要进行沉降监测的设备处，用于实时采集各设备用于沉降监测的数据。
具体的，在变电站各类需要进行沉降监测的设备(包括汇控箱和端子箱)处布设数据采集模块(其可以应变片传感器和倾角传感器，即图中传感器1-n)，分别采集由于地质变形产生电阻值的变化数据以及各设备前后或者左右倾斜的角度数据。通过扩展模块将数据传输到数据传输模块。
在本实施例中，数据传输模块用于将各设备处的用于沉降监测的数据无线传输至远方接收端。
具体的，数据传输模块包括若干个DTU和一台集中控制器。其中各DTU与集中控制器之间均无线通信连接，集中控制器则与服务器单元通过网线连接。各DTU通过无线传输的方式将各设备处监测的数据通过集中控制器无线传输至服务器单元。
在本实施例中，服务器模块用于作为远方接收端存储用于沉降监测的数据，并实时分析各设备的沉降情况。
具体的，服务器可以在远端安装一台或者多台，每台服务器配置沉降情况分析功能，其采用时间序列模型对监测的数据进行实时分析处理。对于变电站的设备沉降监测，基于多模序列分析，基本思想是将数据序列看作随时间t变化的随机变量，即使此序列中单个数据构成的序列值不确定，但整个序列会呈现出一定的变化规律，从而用数学模型去近似模拟表现出来。具体来说是通过通过应变片+双轴传感器相结合的手段对户外重要电力设备、汇控箱双轴倾斜的数据进行有效收集，并在此基础上对数据进行分析和处理。
多模分析的基本思想是将多模数据序列看作随时间t变化的随机变量，即使此序列中单个数据构成的序列值不确定，但整个序列会呈现出一定的变化规律，从而用数学模型去近似模拟表现出来。具体来说，对于平稳、正态、零均值的时间序列{xt}，xt的值不仅与前n步的值xt－1，xt－2，…，xt－n有关，而且还与前m步的随机干扰项ut－1，ut－2，…，ut－m有关(n，m＝1，2，…)。多模序列建模要求样本数据是平稳、正态、零均值的时间序列，所以在建模之前要对数据进行平稳性检验，对不符合要求的序列要进行平稳化处理。本实施例的多模序列模型采用自回归移动平均(Auto Regressive－Moving Average，ARMA)模型。表达式如下：
xt＝φ1xt-1+φ2xt-2+…+φpxt-p+ut-θ1ut-1-…-θqut-q
式中，xt为时间序列估计值，即采集的随时间t变化的沉降监测数据，p和φi(i＝1,2,…,p)分别是自回归阶数和系数，q和θj(j＝1,2,…,q)分别是移动平均的阶数和系数，u表示随机干扰项。
对原始数据序列前N个数据进行拟合，参数估计之后，再对模型的适用性进行检验，本质上是对模型残差序列进行白噪声检验。若残差序列是白噪声，则说明建立的模型已经包含了原始时间序列的所有趋势，可以进行预测；否则说明还有一些重要信息没被提取，应重新进行模型识别和定阶。
另外，通过应变片采集由于地质变形产生电阻值的变化数据和双轴传感器监测汇控箱前后或者左右倾斜的角度，通过传输实时数据来实现监测，具有投入少、重量轻、体积小、使用方便、维护简单等优点，能对变电站沉降数据形成有效数据采集，有效提高人员工作效率及降低由于沈降造成二次线松或者拉扯造成的二次端子断线或者短路的风险，也防止由于沉降造成CT开路等高风险的事件发生。
另外，为了方便服务器与远程终端设备的数据交互，服务器端采用B/S结构，即援用动态网页技术，加入办公自动化的开发理念，完全适应网络办公和移动办公需求，也是现代办公自动化系统的首选技术。B/S结构则不需要在客户本地安装，而应用程序和数据库全部安装在服务器上。
远程终端模块，与服务器模块无线连接，用于从服务器模块获取各设备的沉降监测数据和沉降情况。
远程客户端就是工作人员在远方实现与服务器进行数据交互的设备，包括手机、远程客户端等设备。
电源模块，用于为每个数据采集模块持续供电，并且与远程终端模块无线连接，以便将电源情况发送至远程终端模块。
由于本实施例的变电站沉降监测装置需要实现对数据的实时采集和传输，因此需要保证整个装置具有良好的供电稳定性，避免因供电中断而导致监测工作停滞。
在一个优选的实施例中，如图2所示，电源模块包括直流输出模块、控制器、充电器、超级电容和通信模块。
其中，直流输出模块的输出端与数据采集模块相接，用于将交流输入转换为直流输出为数据采集模块进行供电，还通过充电器为超级电容充电以及为控制器进行供电。
具体的，直流输出模块包括EMI抑制模块、PFC模块、LLC变换模块和整流滤波模块。其中EMI抑制模块的一端接收交流输入，另一端分别与PFC模块和控制器相接；PFC模块、LLC变换模块和整流滤波模块将经过EMI抑制模块处理后的交流信号转换为直流信号，以整流滤波模块的输出端作为直流输出模块的输出端进行直流输出，整流滤波模块的输出端还与充电器相接。
控制器分别与直流输出模块和超级电容相接，用于获取直流输出模块的供电情况和超级电容的充电情况；超级电容的输出端与直流输出模块的输出端相接，用于作为数据采集模块的后备电源；通信模块与控制器相接，用于将直流输出模块的供电情况和超级电容的充电情况作为电源情况发送至远程终端模块。
该电源模块的工作原理是输入AC信号，对信号进行EMI抑制(EMI就是电磁干扰。其实所有的电器设备，都会有电磁干扰。只不过严重程度各有不同。电磁干扰会影响各种电器设备的正常工作，会干扰通信数据的正常传递，虽然对人体的伤害尚无定论，但是普遍认为对人体不利。然后一部分信号进行PFC(功率因数校正),如不需要则进入控制器模块进行通信(通信模块)和状态输出；通过PFC的信号则接着进行LLC变换(谐振变换)，再通过整流滤波模块输出直流信号，该直流信号一部分进入充电器，充电器一部分对控制器进行供电，一部分进入超级电容，防止某一时刻断电后仍然保持有输出。超级电容作为备用储能器件，改变了常用铅酸电池的运维复杂等缺点，而由于超级电容理论上循环次数多，使用寿命长运行维护简单。
在一个优选的实施例中，如图3所示(图中部分元件为本领域常规设置，在此不做介绍)，PFC模块具体由功率变换和控制部分构成，功率变换部分是由整流桥BD、电感EER3019N、功率MOSFET管SW、二极管DOUT和电容COUT组成的升压变换电路。在一个开关周期内，当SW开关导通时，电感电流从0开始增加，达到设定的开通时间后，开关SW关断，此时，电感EER3019N的电流开始减小，并经DOUT二极管到输出电容COUT。当电感电流下降到0时，二极管DOUT关断，开关SW再次导通，开始另一个开关周期。因此，电感电流在一个开关周期内为三角波，其平均值与输入电压成正比，对于正弦输入电压，变换器的输入电流能非常精确地跟踪输入电压，实现功率因数校正功能。
控制部分由集成电路FAN7930及其外围元件组成，驱动脉冲由7脚输出经RON到SW的栅极，驱动SW导通或关断。RCS为电流采样电阻，检测开关SW电流，实现过流保护。RFB1-4为分压电阻，检测输出电压到FAN7930内部误差放大器反相引出端1脚，实现输出电压稳定。与3脚相连的RCOMP和CCOMP为补偿电阻电容，实现闭环回路稳定。5脚ZCD与电感附加线圈相连，完成电感电流过零检测功能，当电感电流为0时，7脚输出开关脉冲，驱动SW导通。8脚为芯片的电源输入，4脚接地。2脚为电路正常信号输出。
在一个优选的实施例中，如图4所示(图中部分元件为本领域常规设置，在此不做介绍)，LLC模块就是LLC功率变换电路，其完成将VIN直流转换为VO直流输出，Cr和Lr组成串联谐振网络，Q1，Q2构成半桥电路，通过Q1，Q2交替导通，在谐振网络输入产生高频方波电压Vd，施加在谐振电路上，产生谐振现象，使正弦电流流过谐振电路。从而实现开关Q1，Q2零电压开通，降低开关损耗。经变压器降压后再由全桥整流变为直流输出。
图5是LLC控制电路的原理图。LLC变换控制电路以半桥谐振控制芯片FAN7621S为核心，产生相位相差180度的两路驱动脉冲信号,分别从HO和LO输出，驱动半桥开关管交替导通。死区时间固定，通过调频方式实现开关器件的零电压开通(ZVS)。CS引脚检测MOSFET电流，RT通过外围阻容网络RSS,CSS决定开关频率，与光耦相连，用于校正输出电压。CON为控制保护端子，用于控制IC驱动输出。控制器以单片机STM32F103为中心，实现电源模块直流输出电压、电流、交流输入电压、温度等参数的检测、显示和上传。
在电源模块处配置发光二极管及数码管，用于显示故障和输出电压。另外，超级电容还可以外接太阳能充电模块，利用太阳能转化为电能进行存储。利用太阳能对超级电容充电作为后备储能电源，提高设备的可靠性和稳定性，降低由于电源维修或者损坏时，造成的运维难度增加的风险。通信模块可以采用433MHZ数字传输技术，无需另外敷设电缆。
除此之外，本装置可以采用导轨安装，防护等级高，容易拆卸、方便安装及维护。
本实施例提供一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，包括数据采集模块、数据传输模块、服务器模块、远程终端模块和电源模块，其中数据采集模块安装在变电站中需要进行沉降监测的设备处，用于实时采集各设备用于沉降监测的数据，而供电模块用于为每个数据采集模块持续供电，并且与远程终端模块无线连接，以便将电源情况发送至远程终端模块。本发明通过对每个变电站重要设备进行实时的数据采集并分析，可以解决定期监测的方法不能实时反应设备的情况的问题，避免过度倾斜导致严重事件发生。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，其特征在于，包括：
数据采集模块，安装在变电站中需要进行沉降监测的设备处，用于实时采集各设备用于沉降监测的数据；
数据传输模块，用于将各设备处的所述用于沉降监测的数据无线传输至远方接收端；
服务器模块，用于作为所述远方接收端存储所述用于沉降监测的数据，并实时分析各设备的沉降情况；
远程终端模块，与所述服务器模块无线连接，用于从所述服务器模块获取各设备的沉降监测数据和沉降情况；
电源模块，用于为每个所述数据采集模块持续供电，并且与所述远程终端模块无线连接，以便将电源情况发送至所述远程终端模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，其特征在于，所述电源模块具体包括：直流输出模块、控制器、充电器、超级电容和通信模块；
所述直流输出模块的输出端与所述数据采集模块相接，用于将交流输入转换为直流输出为所述数据采集模块进行供电，还通过所述充电器为所述超级电容充电以及为所述控制器进行供电；
所述控制器分别与所述直流输出模块和所述超级电容相接，用于获取所述直流输出模块的供电情况和所述超级电容的充电情况；
所述超级电容的输出端与所述直流输出模块的输出端相接，用于作为所述数据采集模块的后备电源；
所述通信模块与所述控制器相接，用于将所述直流输出模块的供电情况和所述超级电容的充电情况作为电源情况发送至所述远程终端模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，其特征在于，所述直流输出模块具体包括：EMI抑制模块、PFC模块、LLC变换模块和整流滤波模块；
所述EMI抑制模块的一端接收所述交流输入，另一端分别与所述PFC模块和所述控制器相接；
所述PFC模块、LLC变换模块和整流滤波模块将经过所述EMI抑制模块处理后的交流信号转换为直流信号，以所述整流滤波模块的输出端作为所述直流输出模块的输出端进行直流输出，所述整流滤波模块的输出端还与所述充电器相接。
4.根据权利要求3所述的一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，其特征在于，所述PFC模块具体包括：功率变换部分和控制部分；
所述功率变换部分是由整流桥、电感、功率MOSFET管、二极管和电容组成的升压变换电路；
所述控制部分包括集成电路以及外围元件。
5.根据权利要求2所述的一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，其特征在于，所述超级电容还通过太阳能进行充电。
6.根据权利要求2所述的一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，其特征在于，所述通信模块采用433MHZ数字传输技术进行无线传输。
7.根据权利要求1所述的一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，其特征在于，所述服务器模块实时分析各设备的沉降情况具体根据如下计算式进行：
xt＝φ1xt-1+φ2xt-2+…+φpxt-p+ut-θ1ut-1-…-θqut-q
式中，xt为时间序列值，即采集的随时间t变化的沉降监测数据，p和φi(i＝1,2,…,p)分别是自回归阶数和系数，q和θj(j＝1,2,…,q)分别是移动平均的阶数和系数，u表示随机干扰项。
8.根据权利要求1所述的一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，其特征在于，所述数据采集模块具体包括：扩展模块、应变片传感器和倾角传感器；
所述应变片传感器和倾角传感器用于实时采集所述用于沉降监测的数据；
所述扩展模块用于将采集的数据传输至所述数据传输模块。
9.根据权利要求8所述的一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，其特征在于，所述数据传输模块具体包括：DTU和集中控制器；
所述DTU与所述扩展模块相接且所述DTU与所述集中控制器无线连接，所述集中控制器与所述服务器单元相接，所述DTU实时将采集的数据通过所述集中控制器无线传输至所述服务器模块。
10.根据权利要求1所述的一种基于无线数字传输技术的变电站沉降监测装置，其特征在于，所述服务器模块采用援用动态网页技术与所述远程终端模块进行人机交互。
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