CN203605975U

CN203605975U - 一种无线通信电力输电线路的环境参数监测系统

Info

Publication number: CN203605975U
Application number: CN201320745341.2U
Authority: CN
Inventors: 张晓慧; 陈晓明; 李松松; 赵琰; 张东; 王刚; 郭靖; 马义
Original assignee: Shenyang Institute of Engineering
Current assignee: Shenyang Institute of Engineering
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2023-11-22

Abstract

本实用新型提供一种无线通信电力输电线路的环境参数监测系统，属于网络通信与电气技术领域，该系统包括管理终端主站、电力线路检测装置和无线通讯装置；电力线路检测装置包括太阳能供电单元、传感器单元和中央处理器单元；传感器单元包括温湿度传感器、大气压力传感器、风速传感器、拉力传感器和电压传感器，电力线路检测装置通过无线通讯装置与管理终端主站进行无线通讯。有益效果：本实用新型实时监测温度、湿度、风速、气压等气象要素及线路张力，并将采集到的各类气候参数及其变化状况实时传送到信息中心，准确地反映特定输电线路走廊的微气象环境，降低人工巡检强度，提高设备运行实时信息效率。

Description

一种无线通信电力输电线路的环境参数监测系统

技术领域

本实用新型属于网络通信与电气技术领域，具体是一种无线通信电力输电线路的环境参数监测系统。

背景技术

2008年春节期间发生在我国南方的冰雪天气，造成湖南、江西、贵州、湖北、广西、浙江及安徽等省的供电主网部分或全部中断，部分省市的电网甚至退出大电网独立运行。这次冰雪天气造成的大停电，给国民经济带来了巨大损失，其主要原因在于各省主要高压输电线路无法承载超过设计标准的结冰厚度，以至于输电线路重量大增，最终拉倒高压输电杆塔形成供电中断。同时，高压输电线路大都处于地理环境恶劣的野外，抢险工作难以展开，恢复性工作进度缓慢。

现有除冰技术主要就是中断对外输电，用超过正常强度的电流加热架空输电线路，使上面的覆冰融化，问题是要中断传输电力，导线加热温升不能准确控制。如果我们能过测量或者预测输电线的环境参数，及时采取措施，可以避免更大的损失。

成本较低的无线传感器网络技术的出现，使我们以较低成本检测线塔的环境参数成为可能。我们可以利用传感器进行数据的采集，使用工业用中央控制器进行数据的传递和处理，每隔几百米乃至数公里输电线塔都装上这样的装置，可以实时的得到有关输电线的各个点的环境参数，如温度、湿度、气压、线拉力等，通过对这些参数的测定来测量和预测线路的结冰情况，还可以保证操作员在远距离对输电线进行实时监控。国内现有相似产品都是通过GPRS来实现，但是受到GPRS的覆盖范围，同时还有每月固定的通讯成本限制，无法进行普及。我们要开发一种不依赖于GPRS信号，同时又是免费的能够实现上述功能的产品。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种无线通信电力输电线路的环境参数监测系统。

本实用新型的技术方案是：

一种无线通信电力输电线路的环境参数监测系统，包括有多个汇聚节点的管理终端主站，汇聚节点包括协调器、GPRS模块和上位机，协调器的输出端连接GPRS模块的输入端，GPRS模块的输出端连接上位机；

该系统还包括电力线路检测装置和无线通讯装置；

所述电力线路检测装置位于输电线塔塔顶的防雷装置下方，包括太阳能供电单元、传感器单元和中央处理器单元；

所述太阳能供电单元包括光伏发电模块，蓄电池储能模块和电源管理模块(包括：稳压输出模块，供电选择电路)；光伏发电模块的控制端和蓄电池储能模块的控制端均连接至电源管理模块的输出端；

所述传感器单元包括温湿度传感器、大气压力传感器、风速传感器、拉力传感器和电压传感器；拉力传感器和电压传感器分别安装在输电线塔的输电线路上，风速传感器安装在输电线塔塔顶的防雷装置的正下方，温湿度传感器和大气压力传感器均安装在输电线塔所在环境内；

所述无线通讯装置安装在输电线塔的塔顶；

所述温湿度传感器的输出端、大气压力传感器输出端、风速传感器输出端、拉力传感器输出端和电压传感器输出端均连接至中央处理器单元的输入端，光伏发电模块的输出端和蓄电池储能模块的输出端分别连接传感器单元的供电端、中央处理器单元的供电端和无线通讯装置的供电端，中央处理器单元的信号输出端连接无线通讯装置的输入端，中央处理器单元的控制输出端连接电源管理模块的输入端；

所述电力线路检测装置通过无线通讯装置与管理终端主站进行无线通讯。

所述电源管理模块包括供电选择电路和稳压输出模块，供电选择电路的输入端连接中央处理器单元的控制输出端，供电选择电路的输出端连接稳压输出模块的输入端，稳压输出模块的输出端分别连接光伏发电模块的控制端和蓄电池储能模块的控制端。

所述电力线路检测装置通过无线通讯装置与管理终端主站的协调器建立无线通讯。

有益效果：

应用Zigbee无线网络技术实现低成本的长距离多节点的无线数据传输，实时监测测量温度、湿度、风速、气压等气象要素及线路张力，并将采集到的各类气候参数及其变化状况，通过Zigbee网络实时传送到信息中心，准确地反映特定输电线路走廊的微气象环境，降低人工巡检强度，提高设备运行实时信息效率。

附图说明

图1为本实用新型具体实施方式应用的输电线路示意图；

图2为本实用新型具体实施方式的环境参数监测系统安装示意图；

图3为本实用新型具体实施方式的太阳能供电单元的结构示意图；

图4为本实用新型具体实施方式的单片机和稳压电路的连接原理图；

图5为本实用新型具体实施方式的接口电路原理图；

图6为本实用新型具体实施方式的无线通信网络示意图；

图7为本实用新型具体实施方式的无线通信电力输电线路的环境参数监测系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细说明。

本实施方式是将无线通信电力输电线路的环境参数监测系统应用到如图1所示的输电线路中，输电线路中的每个输电线塔安装一个环境参数监测系统。无线通信电力输电线路的环境参数监测系统，包括有多个汇聚节点的管理终端主站，如图6所示，汇聚节点包括协调器、GPRS模块和上位机，协调器的输出端连接GPRS模块的输入端，GPRS模块的输出端连接上位机；

该系统还包括电力线路检测装置和无线通讯装置；

如图2所示，电力线路检测装置位于输电线塔塔顶的防雷装置下方，包括太阳能供电单元、传感器单元和中央处理器单元。

如图3所示，太阳能供电单元包括光伏发电模块，蓄电池储能模块和电源管理模块；光伏发电模块的控制端和蓄电池储能模块的控制端均连接至电源管理模块的输出端；电源管理模块包括供电选择电路和稳压输出模块，供电选择电路的输入端连接中央处理器单元的控制输出端，供电选择电路的输出端连接稳压输出模块的输入端，稳压输出模块的输出端分别连接光伏发电模块的控制端和蓄电池储能模块的控制端。

传感器单元包括温湿度传感器、大气压力传感器、风速传感器、拉力传感器和电压传感器；拉力传感器和电压传感器分别安装在输电线塔的输电线路上，风速传感器安装在输电线塔塔顶的防雷装置的正下方，温湿度传感器和大气压力传感器均安装在输电线塔所在环境内；

风速传感器采用CEM华盛昌DT-8893专业风速仪，拉力传感器采用美塞斯的magpowr-400／8301898／mc01型号的张力传感器，大气压力传感器采用的型号为TL8-GE Druck RPT410，温湿度传感器采用的型号为DHT11。

中央处理器单元包括单片机和稳压电路，单片机采用飞思卡尔公司MPC5804B单片机，稳压电路采用PAM3101稳压芯片，将光伏发电模块输出电压稳定在3.3V和3.7V，稳压电路的输入端连接光伏发电模块的输出端，稳压电路的输出端连接单片机的输入端；单片机和稳压电路的连接原理如图4所示，其中，C₁=10μF，C₂=0.1μF，C₃=10μF，C₆=10μF，C₇=0.1μF，VCC_Solar表示光伏发电模块的输出，VCC3.7表示稳压后3.7V的电压。本实施方式中，环境参数监测系统各组成之间连接所采用的接口电路如图5所示。

如图7所示，温湿度传感器的输出端、大气压力传感器输出端、风速传感器输出端、拉力传感器输出端和电压传感器输出端均连接至中央处理器单元的输入端，光伏发电模块的输出端和蓄电池储能模块的输出端分别连接传感器单元的供电端、中央处理器单元的供电端和无线通讯装置的供电端，中央处理器单元的信号输出端连接无线通讯装置的输入端，中央处理器单元的控制输出端连接电源管理模块的输入端。

无线通讯装置安装在输电线塔的塔顶，电力线路检测装置通过无线通讯装置与管理终端主站的协调器建立无线通讯。为解决目前工控组态软件不能有效支持ZigBee无线传感网络的通讯问题，本实施方式采用基于标志位的变量交换策略进行无线通讯，具体是：

第一步：确立初始化的无线通讯设备编号和和判断标识；

第二步：对发送判断标识进行判断，判断其是否为零，如果为零，则进行第三步；否则进行第四步；

第三步：进行下位机(即各个环境参数监测系统的无线通讯装置)检测：对初始化的设备，发送可操作检测命令，并判断下位机是否正确回应，如果正确回应，则通过增加设备来完成所有的设备进行检测；如果不能正确回应，则在上位机判定初始化的设备损坏，返回第一步；第四步：对初始化的设备，发送可读取检测命令，等读取到初始化的设备的回应后，对下一个设备发送标识，直至所有的设备都真确回应后，对所有设备的数据进行采集。本实施方式中，初始化设备号I=1和发送判断标识J=0；若判断发送判断标识J为零，则进行下位机检测，则对设备I=1，发送标志：4138(可操作检测命令)；下位机不能正确回应，在上位机界面上显示设备I=1损坏；若J不为零，则对设备I=1，发送标志：3530(可读取检测命令)。等读取到设备I=1的回应后，对设备I=2发送标志；等到所有的设备都真确回应后，对所有设备的数据进行采集。

可以采用无线通信电力输电线路的环境参数监测系统进行环境参数监测，监测过程如下：步骤1：在上位机设定电力输电线路监测参数的基准指标，监测参数包括环境参数和电气参数，环境参数的基准指标包括基准环境温度T_n=30℃、基准环境湿度H_n=50％、基准环境大气压ATM_n=100kPa、基准风速V_n=3m／s、基准张力L_n=2000N，电气参数的基准指标为基准对地电压U_n=380V；

步骤2：光伏发电模块和蓄电池储能模块同时为传感器单元、中央处理器单元和无线通讯装置供电；

步骤3：采集电力输电线路的环境温度T_m、环境湿度H_m、环境大气压ATM_m、风速V_m、张力L_m和对地电压U_m，见表1；

表1采集样本数据

节点号	节点一	节点二	节点三	节点四	节点五	节点六	节点七
								温度	-3.0	-3.2	-3.3	-2.9	-1.8	-3.3	-2.5
湿度	89	88	78	79	77	89	89
								风速	3.3	3.7	3.3	3.3	3.0	3.1	4.4
对地电压	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8

步骤4：通过无线通讯装置将采集到的数据发送至管理终端主站的上位机；

步骤5：上位机根据采集到的环境温度、环境湿度、环境大气压、风速、张力和对地电压对电力输电线路的工作状态进行评价：分别计算环境温度评价指标、环境湿度评价指标、环境大气压评价指标、风速评价指标、张力评价指标和对地电压评价指标，根据这些评价指标计算输电线路的综合参数评价指标，若综合参数评价指标在[-5％，5％]范围内，则当前电力输电线路处于正常工作状态，否则当前电力输电线路处于非正常工作状态；

环境温度评价指标

T_{index} = \frac{T_{m} - T_{n}}{T_{n}} = 0.032;

环境湿度评价指标

H_{index} = \frac{H_{m} - H_{n}}{H_{n}} = 0.065;

环境大气压评价指标

{ATM}_{index} = \frac{{ATM}_{m} - {ATM}_{n}}{{ATM}_{n}} = 0.048;

风速评价指标

V_{index} = \frac{V_{m} - V_{n}}{V_{n}} 0.088;

张力评价指标

L_{index} = \frac{L_{m} - L_{n}}{L_{n}} 0.014;

对地电压评价指标

U_{index} = \frac{U_{m} - U_{n}}{U_{n}} = 0.011;

综合参数评价指标

S = \frac{- Ln (| \frac{V_{index} - H_{index}}{2} - T_{index} |) - AT M_{index} \times e^{\frac{L_{index}}{U_{index}}}}{100} \times 100 % = 4.083 %

说明输电线路工作在正常的状态下。

步骤6：根据当前时刻采集到的环境温度、环境湿度、环境大气压、风速、张力和对地电压进行冻雨故障警报并季节性预测冻雨故障；

步骤6.1：确定冻雨故障警报条件，包括：

(1)ATM_m≤600hPa且T_m≤0℃；

(2)800hPa≥ATM_m≥600hPa且-7℃≥T_m≥-1℃；

(3)ATM_m≥800hPa，H_m≥85％且10m／s≥V_m≥3m／s；

满足其中一项条件，即为冻雨故障；

步骤6.2：对采集到的环境温度、环境湿度、环境大气压、风速、张力和对地电压进行预处理；

步骤6.3：根据确定的冻雨形成条件对去抖动后的监测参数进行冻雨故障警报；

步骤6.4：季节性地对10天后发生冻雨的可能性进行预测：计算第10天的监测参数值，并根据冻雨故障警报条件对其进行判断，确定10天后是否可能发生冻雨故障；

第10天的监测参数值

X_{mi + 10} \frac{\sqrt{{(X_{mi} - X_{mi - 10})}^{2} + {(X_{mi - 20} - X_{mi - 30})}^{2} + {(X_{mi - 40} - X_{mi - 50})}^{2}}}{3} + X_{mi}

其中，

例如，每年得10月到来年的4月为北方的冬季，在此期间对10天后发生冻雨的可能性进行预测；

步骤7：根据当前时刻采集到的环境温度、环境湿度、环境大气压、风速、张力和对地电压进行输电线断裂警报和输电线处于断裂状态的时间预测；

步骤7.1：若基准张力L_n=0或基准对地电压U_n=0，则判断输电线断裂；

步骤7.2：判断输电线路是否处于不正常状态，是，则执行步骤5.3，否则，返回步骤2；判断输电线路是否处于不正常状态的标准如下：

\{\begin{matrix} {ATM}_{m} &GreaterEqual; 0.4 mbar \\ \frac{Δ L_{m}}{Δ L_{m - 1}} \times 100 % &GreaterEqual; 5 % \end{matrix}

其中，ΔL_m表示m时刻的拉力L_m的导数，ΔL_m-1表示m-1时刻的拉力L_m-1的导数；

步骤7.3：判断处于不正常状态的时间是否超过35分钟，如果超过，则输电线路6个小时后存在输电线断裂的可能，否则不存在输电线断裂的可能；

步骤8：管理终端主站实时显示冻雨故障警报、季节性冻雨故障的预测结果、输电线断裂警报和输电线处于断裂状态时间的预测结果，以便维修人员及时进行现场维护。

Claims

1.一种无线通信电力输电线路的环境参数监测系统，包括有多个汇聚节点的管理终端主站，汇聚节点包括协调器、GPRS模块和上位机，协调器的输出端连接GPRS模块的输入端，GPRS模块的输出端连接上位机，其特征在于：还包括电力线路检测装置和无线通讯装置；

所述太阳能供电单元包括光伏发电模块，蓄电池储能模块和电源管理模块；光伏发电模块的控制端和蓄电池储能模块的控制端均连接至电源管理模块的输出端；

所述无线通讯装置安装在输电线塔的塔顶；

2.根据权利要求1所述的无线通信电力输电线路的环境参数监测系统，其特征在于：所述电源管理模块包括供电选择电路和稳压输出模块，供电选择电路的输入端连接中央处理器单元的控制输出端，供电选择电路的输出端连接稳压输出模块的输入端，稳压输出模块的输出端分别连接光伏发电模块的控制端和蓄电池储能模块的控制端。

3.根据权利要求1所示的无线通信电力输电线路的环境参数监测系统，其特征在于：所述电力线路检测装置通过无线通讯装置与管理终端主站的协调器建立无线通讯。