CN215419736U

CN215419736U - 基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备

Info

Publication number: CN215419736U
Application number: CN202121228480.9U
Authority: CN
Inventors: 李雨晨; 李玉华; 白云; 王朝龙
Original assignee: Chongqing Dongdian Communication Technology Co ltd
Current assignee: Chongqing Dongdian Communication Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2031-06-02

Abstract

本实用新型提出了一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，其特征在于，包括微控制器模块、微气象传感器和电源模块；微控制器模块的数据采集端与微气象传感器的数据输出端相连，电源模块的电源电压输出端分别与微控制器模块的电源电压输入端和微气象传感器的电源电压输入端相连，电源模块分别为微控制器模块和微气象传感器提供电源电压。本实用新型能够实现自动观冰，具有全天候工作、自动化程度高、釆集数据精确、节省人力、物力的优点。

Description

基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备

技术领域

本实用新型涉及输电线路覆冰观测预警领域，特别是涉及一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备。

背景技术

极端气候条件在近年来不断发生，严重威胁供电安全。因此研究微气象条件下输电线路导线覆冰的形成和状态变化机理，总结发展规律是规避由于线路规划设计失误造成大面积线路冰雪气象灾害的有效方法。现目前，在冰灾多发地区多建立输电线路人工覆冰观冰站，实现观察和掌握严寒地区不同气象条件下输电线路导线覆冰的形成和变化趋势。然而观冰站的环境较为恶劣，存在观测人员工作辛苦，观测数据不够精确、观测数据景较少等问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备。

为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，包括微控制器模块、微气象传感器和电源模块；

微控制器模块的数据采集端与微气象传感器的数据输出端相连，电源模块的电源电压输出端分别与微控制器模块的电源电压输入端和微气象传感器的电源电压输入端相连，电源模块分别为微控制器模块和微气象传感器提供电源电压。

优选地，所述电源模块包括第一电源模块和第二电源模块；

第一电源模块的电源输入端与市电220V相连，第一电源模块的电源输出端与第二电源模块的电源输入端相连。

优选地，所述第一电源模块包括：变压器T1的电源输入第一端与市电220V的火线端相连，变压器T1的电源输入第二端与市电220V的零线端相连，变压器T1的电源输出第一端与桥式电路D1的电源输入第一端相连，变压器T1的电源输出第二端与桥式电路D1的电源输入第二端相连，桥式电路D1的电源输出第一端分别与电容C1的第一端、电容C2的第一端、电容C3的第一端和电感L1的第一端相连；电感L1的第二端与分别电容C5的第一端、电容C7的第一端和第二电源模块的电源输入端相连，电感L1的第二端输出5V电源；

桥式电路D1的电源输出第二端分别与电容C1的第二端、电容C2的第二端、电容C3的第二端、电容C5的第二端、电容C7的第二端和电源地相连。

优选地，所述第二电源模块包括：稳压器U1的电源输入端Vin与第一电源模块的电源输出端相连，稳压器U1的电源输出端Vout与电阻R1的第一端、电容C6的第一端和电阻R3的第一端相连，稳压器U1的电源输出端Vout输出3.3V电源；

稳压器U1的调节端ADJ分别与电阻R1的第二端和滑动电阻R2的第一端相连，滑动电阻R2的第二端、滑动电阻R2的滑动端、电容C6的第二端和电阻R3的第二端分别与电源地相连。

电源模块通过对220V的电源进行整流滤波，然后通过稳压器U1进行稳压，从而为各模块提供所需的稳定电源。稳压器U1的型号为LM317。

优选地，所述微气象传感器包括：温湿度传感器模块、风速传感器模块、风向传感器模块、光照传感器模块、大气压力传感器模块之一或者任意组合；

温湿度传感器模块的温湿度数据输出端与微控制器的温湿度数据采集端相连，风速传感器模块的风速数据输出端与微控制器的风速数据采集端相连，风向传感器模块的风向数据输出端与微控制器的风向数据采集端相连，光照传感器模块的光照数据输出端与微控制器的光照数据采集端相连，大气压力传感器模块的气压数据输出端与微控制器的气压数据采集端相连。

优选地，所述光照传感器模块包括：

光照传感器U2的电源端VCC和电容C8的第一端分别与3.3V电源相连，光照传感器U2的地址选择端A0与电阻R4的第一端相连，

光照传感器U2的接地端GND、电容C8的第二端和电阻R4的第二端分别与电源地相连，

光照传感器U2的数据端SDA分别与电阻R5的第一端和微控制器U8的光照数据采集端P3.2相连，光照传感器U2的光照时钟端SCL分别与电阻R6的第一端和微控制器U8的时钟端P3.3相连，电阻R5的第二端和电阻R6的第二端分别与3.3V电源相连，光照传感器U2的中断端与电阻R7的第一端相连，电阻R7的第二端与微控制器U8的中断端P3.1相连。

光照传感器U2的型号为MAX44009。

优选地，所述温湿度传感器模块包括：

温湿度传感器U4的电源端VCC和电阻R8的第一端分别与3.3V电源相连，温湿度传感器U4的串行数据端DATA分别与电阻R8的第二端和微控制器U8的温湿度数据采集端P1.4相连，温湿度传感器U4的接地端GND与电源地相连。

温湿度传感器U4的型号为DHT11。

优选地，所述大气压力传感器模块包括：

大气压力传感器U5的电源端VDD和数字电源端VDDIO分别与电阻R9的第一端、电阻R10的第一端和3.3V电源相连，

大气压力传感器U5的时钟端SCL分别与电阻R9的第二端和微控制器U8的气压时钟端P3.5相连，大气压力传感器U5的数据端SDA分别与电阻R10的第二端和微控制器U8的气压数据采集端P3.4相连，大气压力传感器U5的接地端GND与电源地相连。

大气压力传感器U5的型号为BMP180。

优选地，所述风速传感器模块包括：

风速传感器U6的电源端VCC与3.3V电源相连，风速传感器U6的串行数据端DATA与电阻R11的第一端相连，电阻R11的第二端分别与电阻R12的第一端和微控制器U8的风速数据采集端P1.5相连，风速传感器U6的接地端GND和电阻R12的第二端分别与GND与电源地相连；

所述风向传感器模块包括：

风向传感器U7的电源端VCC与3.3V电源相连，风向传感器U7的串行数据端DATA与电阻R13的第一端相连，电阻R13的第二端分别与电阻R14的第一端和微控制器U8的风向数据采集端P1.6相连，风向传感器U7的接地端GND和电阻R14的第二端分别与GND与电源地相连。

优选地，所述微控制器模块包括：

微控制器U8的复位端RES、复位按键S1的第一端和电容C9的第一端分别与电源地相连，复位按键S1的第二端和电容C9的第二端分别与5V电源相连，微控制器U8的晶振端XTAL1分别与晶振Y1的第一端和电容C11的第一端相连，微控制器U8的晶振端XTAL2分别与晶振Y1的第二端和电容C10的第一端相连，电容C10的第二端和电容C11的第二端分别与电源地相连，电容C10的第二端和电容C11的第二端分别与电源地相连，微控制器U8的接地端GND与电源地相连；

微控制器U8的型号可选用AT89C51或AT89C52。

还包括与微控制器模块相连的无线数据传输模块，将微气象传感器采集的微气象数据通过无线数据传输模块发送至移动智能手持终端，微气象数据包括温湿度、风速值、风向、光照强度、气压之一或者任意组合，通过移动智能手持终端查看实时微气象数据，并能够发出报警。其中，无线数据传输模块不限于是WiFi模块、4G模块或5G模块，当其温湿度传感器采集的温湿度小于或者等于预设温湿度阈值，则云端平台将温湿度报警信息传输至移动智能手持终端上，可以及时提示用户；当其风速传感器采集的风速值大于或者等于预设风速阈值，则云端平台将风速报警信息传输至移动智能手持终端上。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型能够实现自动观冰，具有全天候工作、自动化程度高、釆集数据精确、节省人力、物力的优点。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型的示意框图；

图2是本实用新型电源模块电路示意图；

图3是本实用新型光照传感器电路示意图；

图4是本实用新型温湿度传感器电路示意图；

图5是本实用新型大气压力传感器电路示意图；

图6是本实用新型风速传感器、风向传感器的电路示意图；

图7是本实用新型的微控制器电路示意图；

图8是本实用新型设备的示意框图；

图9是本实用新型积雪厚度观测模块示意图；

图10是本实用新型的电源装置示意图；

图11是本实用新型的覆冰厚度计算模型示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型提供了一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，如图1所示，包括微控制器模块、微气象传感器和电源模块；

优选地，如图2所示，所述电源模块包括第一电源模块和第二电源模块；

优选地，如图3所示，所述光照传感器模块包括：

光照传感器U2的型号为MAX44009。

优选地，如图4所示，所述温湿度传感器模块包括：

温湿度传感器U4的型号为DHT11。

优选地，如图5所示，所述大气压力传感器模块包括：

大气压力传感器U5的型号为BMP180。

优选地，如图6所示，所述风速传感器模块包括：

如图6所示，所述风向传感器模块包括：

优选地，如图7所示，所述微控制器模块包括：

微控制器U8的型号可选用AT89C51或AT89C52。

1.系统总体架构

如图8所示，自动观冰站安装在观冰站现场，由观测装置、无线通信网络、监控中心组成；观测装置安装在观测塔上，主要由监控主机、传感器、图像监控设备、电源系统组成。

传感器主要有：

温湿度传感器：测量环境温湿度。

气压传感器：测量大气压力。

风向风速传感器：测量风向风速。

光照传感器：测量日照强度。

拉力传感器：测量模拟导线覆冰后的重量变化。

视频设备：拍摄现场视频和图像。

寻厚标尺：观测覆雪的厚度；寻厚标尺垂直的设置在观测水平板上，寻厚标尺上从下到上依次设置有逐渐增大的寻厚刻度，通过视频设备采集寻厚刻度被覆盖的厚度，在手机设备端可以直接读出其厚度。

2.技术实现

在观冰站上安装相关监测设备，还可在顶部加装设备安装平台。

2.1监测主机

监测主机主要完成微气象数据、模拟导线法覆冰数据、供电系统数据、观雪台雪量传数据等各个数据采集、模型处理和高清摄像机对观雪台、模拟导线的现场实时拍照数据压缩处理并将其数据打包，按照相关通信协议数据格式通过4G通信方式发送至监控中心，监测中心通过分析判断得出现场的运行状态。监控中心可对监测主机进行远程参数设置.如监测主机的采样时间间隔以及实时数据请求等。

微气象传感器

2.2.1、基本要求

1)环境温度、相对湿度传感器应避免受到太阳直射、金属辐射的影响，并保证各传感器的有效测量；

2)风速、风向传感器应采用超声波式传感器。

2.2.2、技术参数

气温测量要求如下：

1)测量范围：-40℃～+50℃；

2)测量误差：≤±0.5℃；

3)分辨力：0.1℃。

相对湿度测量要求如下：

1)测量范围：80％RH～100％RH，含80％RH；

2)测量误差：≤±4％RH(0％RH～80％RH)，≤±8％RH(80％RH～100％RH)；

3)分辨力：1％RH。

风速测量要求如下：

1)测量范围：0m/s～60m/s；

2)测量误差：≤±(0.5+0.03V)m/s，V为标准风速值；

3)分辨力：0.1m/s。

风向测量要求如下：

1)测量范围：0°～360°；

2)测量误差：≤±5°；

3)分辨力：3°。

光辐射测量要求如下：

a)测量范围：0W/m2～1400W/m2；

b)分辨力：1W/m2；

c)准确度：≤5％；

d)非线性误差：≤3％。

气压测量要求如下：

a)测量范围：500hPa～1060hPa；

b)分辨力：0.1hPa；

c)准确度：±0.3hPa。

2.3、拉力传感器

1)量程：20kg(根据实际需要定制)；

2)测量范围：0％～100％FS；

3)技术指标：

4)零位误差Zr(％FS)：≤±0.25；

5)在温漂测试中，拉力传感器示值波动范围≤±0.2％FS；

6)示值误差δ(％FS)：≤±0.5[5％，60％FS]，≤±1.0(60％，100％FS]；

7)重复性R(％FS)：≤±0.5[5％，60％FS]，≤±1.0(60％，100％FS]；

8)回程误差H(％FS)：≤±0.5[5％，60％FS]，≤±1.0(60％，100％FS]；

9)长期稳定性Sb(％FS)：≤±1.0。

2.4、视频图像传感器

2.4.1、基本要求

1)外壳的防护性能应符合GB4208规定的IP65级要求；

2)整体结构具备一定的防覆冰性能；

3)应具有良好的防振结构，避免在杆塔安装环境中的振动对光学仪器产生影响和对视频图像质量产生影响；

4)应具有良好的抗工频电磁干扰性能和良好的接地安装措施，能实现在高压电磁环境中视频数据的准确、完整采集，以及对前端设备的准确控制；不应出现雪花点、黑纹等视频干扰现象及云台失控等故障现象。

2.4.2、技术参数摄像机主要技术参数要求如下：

1)像素数：≥800万，或根据用户要求调整；

2)最低照度：≤0.001Lux/f1.2；

3)变焦率：≥光学40倍。

云台主要技术参数要求如下：

1)预置位数量：≥64；

2)水平旋转角度：0°～360°；

3)俯仰角度：-90°～90°。

2.5、积雪厚度观测

如图9所示，在观测塔上与摄像机等高的部位构建-积雪平台，平台上固定不锈钢钢尺，当积雪时积雪会遮挡钢尺的相应高度，通过照片即可直观显示积雪厚度。

3.6、电源装置

所述电源装置如图10所示，包括：

风力发电机、太阳能电池、风光互补控制器、蓄电池；

风力发电机、太阳能电池的输出端与风光互补控制器的输入端相连，风光互补控制器的输出端与蓄电池的输入端相连。

安装的监测装置统一采用太阳能对蓄电池浮充的方式进行供电。

我公司采用超低功耗技术，装置待机电流保持在100mA(12V)以内，因此在同等容量电源条件下，装置可连续运行时间比目前市面厂家多30％以上。一般情况下数据采集装置配置12V400AH电池和400W太阳能板即可连续运行60天以上。

监测装置选用硅能绿色环保电池作为储能系统，该电池相比铅酸及其他类型电池系统具备以下优点：

·储备容量高，达到国际要求的2倍。

·充电接受能力强，达到国际要求的3倍。

·大电流放电效率高，可高倍率放电，30C放电8S内电池不损伤。

·自放电小，年自放电率小于2％。

·充放电无记忆(次数)。

·能耐高温及高寒，可以在-40℃～+70C℃范围内使用。

·绿色坏保，该产品采用复合硅盐电解质取代硫酸，无污染，电池极板亦可再生使用。

·循环使用寿命长，户外监测装置可使用5～10年。

2.7、通信技术

监测装置与监控中心之间采用4G公网、无线组网、北斗卫星等方式进行通信，具有简单、易行、不用自行架设网络、资费便宜等优点；对特殊无信号地区可考虚釆用北斗卫星通信方式。

三、软件实现

系统主要分为基础数据服务、设备台账管理、在线监测数据输入、数据分析处理、预警等几个主要部分；

监控中心的专家软件主要通过对拉力的计算分析、气象条件的分析，给出覆冰的具体厚度，发展趋势等；

统计分析：按日、按月统计最大值、最小值、平均值，并能生成趋势曲线、报表。

历史趋势图分析：实时数据柱形图显示，统计值、历史数据趋势图。

覆冰厚度计算模型：如图11所示，结合覆冰的密度(0.9g/cm3)、导线直径来求解覆冰厚度。

其中，b表示覆冰厚度，q_bing表示覆冰的密度(0.9g/cm3)，d表示导线直径，γ₀表示质量。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，其特征在于，包括微控制器模块、微气象传感器和电源模块；

2.根据权利要求1所述的一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，其特征在于，所述电源模块包括第一电源模块和第二电源模块；

3.根据权利要求2所述的一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，其特征在于，所述第一电源模块包括：变压器T1的电源输入第一端与市电220V的火线端相连，变压器T1的电源输入第二端与市电220V的零线端相连，变压器T1的电源输出第一端与桥式电路D1的电源输入第一端相连，变压器T1的电源输出第二端与桥式电路D1的电源输入第二端相连，桥式电路D1的电源输出第一端分别与电容C1的第一端、电容C2的第一端、电容C3的第一端和电感L1的第一端相连；电感L1的第二端与分别电容C5的第一端、电容C7的第一端和第二电源模块的电源输入端相连，电感L1的第二端输出5V电源；

4.根据权利要求2所述的一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，其特征在于，所述第二电源模块包括：稳压器U1的电源输入端Vin与第一电源模块的电源输出端相连，稳压器U1的电源输出端Vout与电阻R1的第一端、电容C6的第一端和电阻R3的第一端相连，稳压器U1的电源输出端Vout输出3.3V电源；

5.根据权利要求1所述的一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，其特征在于，所述微气象传感器包括：温湿度传感器模块、风速传感器模块、风向传感器模块、光照传感器模块、大气压力传感器模块之一或者任意组合；

6.根据权利要求5所述的一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，其特征在于，所述光照传感器模块包括：

光照传感器U2的数据端SDA分别与电阻R5的第一端和微控制器U8的光照数据采集端P3.2相连，光照传感器U2的光照时钟端SCL分别与电阻R6的第一端和微控制器U8的时钟端P3.3相连，电阻R5的第二端和电阻R6的第二端分别与3.3V电源相连，光照传感器U2的中断端INT与电阻R7的第一端相连，电阻R7的第二端与微控制器U8的中断端P3.1相连。

7.根据权利要求5所述的一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，其特征在于，所述温湿度传感器模块包括：

8.根据权利要求5所述的一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，其特征在于，所述大气压力传感器模块包括：

9.根据权利要求5所述的一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，其特征在于，所述风速传感器模块包括：

所述风向传感器模块包括：

10.根据权利要求5所述的一种基于一体化传感器的高海拔地区输电线路覆冰观测预警设备，其特征在于，所述微控制器模块包括：

还包括与微控制器模块相连的无线数据传输模块，将微气象传感器采集的微气象数据通过无线数据传输模块发送至移动智能手持终端，微气象数据包括温湿度、风速值、风向、光照强度、气压之一或者任意组合，通过移动智能手持终端查看实时微气象数据，并能够发出报警。