CN203772408U - 基于超声波检测的电力设备安全运行防控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超声波检测的电力设备安全运行防控系统，包括立体超声波检测及信号处理模块、单片机及其外围驱动模块和电源变换模块；立体超声波检测及信号处理模块包括三路超声波检测及信号处理电路，每一路均包括顺次连接的超声波检测传感器、放大电路、带通滤波电路、比较电路，三个超声波检测传感器之间相距20cm；单片机及其外围驱动模块包括：Atmega16单片机以及与Atmega16单片机连接的温湿度传感器sht11、声光报警电路、电机驱动电路、RS232串口。通过超声波探头，检测绝缘子污秽放电发出超声波，通过检测超声波的强度来检测绝缘子污秽放电程度，从而确定绝缘子污秽程度。

Description

基于超声波检测的电力设备安全运行防控系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于超声波检测的电力设备安全运行防控系统。 

背景技术

绝缘子在运行过程中一直暴露在空气中，大气中的悬浮颗粒会沉积在绝缘子表面，日积月累形成污秽层，遇到雾、露、毛毛雨等湿润的气候条件时，污秽中的电解质溶解，污秽层成为导电层，造成绝缘水平下降。形成污秽放电，严重时可能造成整个绝缘子串发生污闪，危害整个电力系统的安全运行。整个污秽放电过程是与电、热、化学等因素有关的污秽表面气体电离以及局部电弧产生发展的热动力平衡过程，并与作用电压、泄漏距离及污层电导率等有关，污闪放电伴随着声发射现象，声信号的强度随着污闪的强度的增加而增加。由于变电站、输电线路设备众多，如何准确确定污秽放点发生的位置，找出污秽严重的绝缘子并及时进行预警控制，对提高电力系统运行显得至关重要。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于超声波检测的电力设备安全运行防控系统。 

一种基于超声波检测的电力设备安全运行防控系统，包括立体超声波检测及信号处理模块、单片机及其外围驱动模块和电源变换模块；立体超声波检测及信号处理模块包括三路超声波检测及信号处理电路，每一路均包括顺次连接的超声波检测传感器、放大电路、带通滤波电路、比较电路，三个超声波检测传感器之间相距20cm；单片机及其外围驱动模块包括：Atmega16单片机以及与Atmega16单片机连接的温湿度传感器sht11、声光报警电路、电机驱动电路、RS232串口；电源变换模块包括9V到+5V降压 电路和9V到-5V变换电路。 

所述的系统，所述的9V到+5V降压电路，由稳压芯片7805、PNP三极管Q1、电容C1、C2、电阻R1、发光二极管D2组成；稳压芯片7805的1号引脚接9V电池、2号引脚接地、3号引脚为5V输出，PNP三极管Q1的射极、集电极与稳压芯片7805的1号引脚相连，集电极与3号引脚相连；所述9V到-5V电压变换电路，由稳压芯片7905、电容C3、C4、电阻R2、发光二极管D3组成；稳压芯片7905的1号引脚接9V电池，2号引脚接地，3号引脚为-5V输出。 

本发明的系统通过超声波探头，检测绝缘子污秽放电发出超声波，通过检测超声波的强度来检测绝缘子污秽放电程度，从而确定绝缘子污秽程度。而且在系统中采用三个超声波探头，各探头之间相距20cm，通过三个探头对超声波检测，通过相位法来来判断声源的位置，并采用两个步进电机自动对三个探头检测中心点进行位置调整，准确确定声源的位置。污秽放电所产生的声信号频率范围很宽，但声波信号的能量集中在30～50kHz的频率范围，且高频段声波信号在空气中传播时的衰减极大，声波传感器难以监测到。且干扰噪声的频率都在20kHz以下，所以超声波频率选择为40kHz左右，超声波探头选择富士FUS-40BT/BR型传感器。 

附图说明

图1是系统结构示意图，； 

图2-图4分别为三路超声波检测及信号处理电路的原理图； 

图5是单片机及其外围驱动模块； 

图6是电源模块； 

图7是主程序流程图； 

图8是中断程序流程图； 

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本实用新型进行详细说明。 

本系统采用是日本富士公司生产的FUS-40BT/BR型超声波传感器，超声波接受灵敏度可达-57dB。本系统采用三片FUS-40BT/BR，各探头之间相距20cm，通过三个传感器对超声波检测，经过放大电路、滤波电路、比较电路产生方波，送到Atmega16单片机中。单片机以其中一路传感器作为基准，通过相位法来检测另外两路传感器的与第一路传感器的相位差，计算出声源到个传感器的距离，进而来判断声源的位置。并采用两个直流电机自动对三个探头检测中心点进行位置调整，准确确定声源的位置，从而确定线路放电的位置。在放电位置确定后，装置开始对超声波的强度开始进行测量，并结合声源到本装置的距离、温度、湿度来综合分析电力设备的污秽放电强度，从而进一步分析电力设备污秽程度。 

本系统结构示意图如附图1，系统包括立体超声波检测及信号处理模块、单片机及其外围驱动模块、电源变换模块： 

A：立体超声波检测及信号处理模块； 

立体超声波检测及信号处理模块包括三路超声波检测及信号处理电路，每一路均包括顺次连接的超声波检测传感器、放大电路、带通滤波电路、比较电路，三个超声波检测传感器之间相距20cm。当电力设备污秽放电发出的超声波传到FUS-40BT/BR型超声波传感器中时，传感器就会产生相应频率的微弱电流，由于声源到每个传感器的距离是不同的，因此载波在空间走的时间不同，从而在三个传感器中感应出电流信号的相位不同。图2-图4是立体超声波检测及信号处理模块的电路原理图，该模块电路可以分为四个部分： 

1)、超声波检测传感器电路，包括电阻R1、R2、R3、R13、R14、R15、R25、R26、R27，电容C1、C2、C7、C8、C13、C14和传感器LS1、LS2、LS3(FUS-40BT/BR)。该电路是给传感器施加电源激励，以LS1所在电路为例，5V电源通过电阻R1、R2接到FUS-40BT/BR的正极，再通过传感器负极接R3到地。当传感器感受到超声波后，产生震动使其内部的电容值发生变化，然后传感器两端形成电流的充放电，从而产生电流信号。电容C1与电阻R1组成简单50Hz电源滤波，减少纹波对信号的干扰。C2是隔直电容，用于将电流信号中的直流分量去除。 

2)、信号放大电路，包括三片AD620仪表放大器UA1、UA2、UA3，电阻R4、R16、R28。该电路的主要功能是将微弱的电流信号转换成幅值很大的电压信号，放大倍数可以达到1000倍而不会失真。 

3)、滤波电路，包括6片OP37A运算放大器UB1、UB2、UB3、UC1、UC2、UC3，电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R29、R30、R31、R32、R33、R34、R35、R36，电容C3、C4、C5、C6、C9、C10、C11、C12、C15、C16、C17、C18。该电路是40kHz带通滤波器，主要滤除信号中干扰信号，提高信号的纯净度。通过滤波器出来的信号有两个去向，一个是直接通过端子A1、A2、A3送往单片机的PA2、PA3、PA4的AD引脚，另一个送至比较电路。 

4)、比较电路，由三个LM393比较器UD1、UD2、UD3组成。每个比较器处理一路经放大滤波后的传感器信号，将信号整理成5V的方波信号。比较电路产生的方波信号通过out1、out2、out3端子送至单片机的PD2、PD3、PB2引脚，且分别为外部INT0、INT1、INT2中断口，然后由单片机进行数据处理。 

B：单片机及其外围驱动模块；单片机及其外围驱动模块包括：Atmega16单片机、温湿度传感器sht11、声光报警电路、电机驱动电路、RS232串口。 

图5是单片机及其外围驱动模块的电路原理图。单片机采用英特梅尔公司的Atmega16单片机，用于采集传感器模拟信号、数字信号以及驱动声光报警电路和电机驱动电路。该模块电路主要分为五个部分： 

1)、单片机，主要有六个功能： 

①、通过PA2、PA3、PA4引脚对传感器放大滤波信号进行AD采集，采集精度为1/1024V，满量程为5V； 

②、通过PD2引脚的外部中断INT0接受out1的方波信号，以上升沿产生外部中断，在INT0中断函数中通过PD3、PB2引脚的外部中断INT1、INT2接受out2、out3信号上升沿，并通过内部计数来计算out2、out3信号相对于out1的相位差； 

③、通过引脚PA0、PA1产生高低电平来驱动蜂鸣器和LED灯； 

④、通过PC1、PC2来驱动温湿度传感器sht11来采集温湿度数据；功能5、通过 PC4～PC7、PD4～PD5来驱动两个直流电机； 

⑤、通过PD0、PD1的USART串行通讯功能来与电脑进行通讯。 

2)、温湿度传感器是sht11的2号引脚为数据DATA引脚、3号引脚为时钟CLK引脚，DATA用于与单片机进行数据交换，CLK用于与单片保持时钟同步。通过数字信号就可将温湿度信息上传到单片。，单片机会隔2分钟保存一次温湿度数据，通过将现有数据与历史数据做对比分析，来判断温湿度对磁场检测产生的影响。 

3)、声光报警系统通过单片机控制LED灯和蜂鸣器来实现。声光报警电路包含有电阻R1、R2、R3、R4，D1红色LED，NPN三极管Q1、Q2，蜂鸣器BUZ1。当PA0、PA1引脚产生高电平时，驱动三极管Q1、Q2的基极，使三极管集电极和发射机导通，然后点亮LED灯和蜂鸣器。 

4)、电机驱动电路包括电机驱动芯片L298，电容C1、C2，二极管D2～D9，两个直流电机motor1、motor2。L298的IN1～IN4引脚与单片机PC4～PC7引脚相连，ENA、ENB与单片机PD4、PD5相连。IN1、IN2用于控制电机motor1的转向，当IN1为高点平(逻辑1)INT2为低电平(逻辑0)时，电机正转，反之反转，INT3、INT4用于控制motor2的转向。两个步进电机用于自动对三个探头检测中心点进行位置调整，准确确定声源的位置，ENA、ENA通过接受单片机的PWM驱动信号，可以控制两电机的转速。电容C1、C2是电源滤波与稳压。8个二极管是用于电机过流保护。 

5)、RS232通讯是利用单片机的USART串行通讯功能与电脑进行数据交换。通过单片机的RXD(PD0)、TXD(PD1)连接无线串口模块、以无线方式通讯。 

C电源变换模块。电源变换模块包括+5V电源变换电路和-5V电源变换电路两部分。图6是电源变换模块电路原理图，包含9V到+5V降压电路，9V到-5V变换电路。9V电源由锂电池提供，S1为开关，D1为方向二极管，防止电池接反烧毁电路。 

1)、9V到+5V降压电路，由稳压芯片7805，PNP三极管Q1，电容C1、C2，电阻R1，发光二极管D2组成。7805的1号引脚接9V电池，2号引脚接地、3号引脚为5V输出，三极管Q1的射极、集电极与7805的1号引脚相连，集电极与3号引脚相连，电容C1、C2为输入输出的电源滤波。电阻R1与LED灯D2为5V电源指示灯，提示使 用者5V电源正常。 

2)、9V到-5V电压变换电路，由稳压芯片7905，电容C3、C4，电阻R2，发光二极管D3组成。7905的1号引脚接9V电池，2号引脚接地、3号引脚为-5V输出，电容C3、C4为输入输出的电源滤波。电阻R2与LED灯D3为-5V电源指示灯，提示使用者-5V电源正常。 

图7是主程序流程图，步骤包括：1)单片机初始化、温湿度传感器初始化；2)使能INT2外部中断，当检测有上升沿时，进入中断程序；3)采集温湿度值；4)读取INT0中断中计数器1、计数器2的值；5)计算相位2、3号传感器与1号传感器的相位差DetaF1、DetaF2；6)判断DetaF1值是否超前，超前则执行“7”步，不超前则执行“8”步；7)驱动电机1正转；8)驱动电机1反转；9)判断DetaF2值是否超前，超前则执行“10”步，不超前则执行“11”步；10)驱动电机1正转；11)驱动电机2反转；11)判断声源是否确定，是则执行“12”步，否则执行“13”；12)AD采集A1～A3模拟信号，计算放电强度。13)串口上传数据，并返回到“3”循环执行。 

图8是中断程序流程图，检测到PD2(out1)的上升沿后，中断触发，进入中断。步骤：1)进入中断INT0；2)打开计数器，开始计数；3)判断PD3是否有上升沿，有则执行“4”步，没有则执行“5”步；4)记录计数器值t1；5)判断PB2是否有上升沿，有则执行“6”步，没有则执行“7”步；6)记录计数器值t2；7)关闭计数器；8)退出中断。 

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。 

Claims (2)

1.一种基于超声波检测的电力设备安全运行防控系统，其特征在于，包括立体超声波检测及信号处理模块、单片机及其外围驱动模块和电源变换模块；立体超声波检测及信号处理模块包括三路超声波检测及信号处理电路，每一路均包括顺次连接的超声波检测传感器、放大电路、带通滤波电路、比较电路，三个超声波检测传感器之间相距20cm；单片机及其外围驱动模块包括：Atmega16单片机以及与Atmega16单片机连接的温湿度传感器sht11、声光报警电路、电机驱动电路、RS232串口；电源变换模块包括9V到+5V降压电路和9V到-5V变换电路。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的9V到+5V降压电路，由稳压芯片7805、PNP三极管Q1、电容C1、C2、电阻R1、发光二极管D2组成；稳压芯片7805的1号引脚接9V电池、2号引脚接地、3号引脚为5V输出，PNP三极管Q1的射极、集电极与稳压芯片7805的1号引脚相连，集电极与3号引脚相连；所述9V到-5V电压变换电路，由稳压芯片7905、电容C3、C4、电阻R2、发光二极管D3组成；稳压芯片7905的1号引脚接9V电池，2号引脚接地，3号引脚为-5V输出。