專利名稱：基于振動(dòng)發(fā)電的高壓線風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精確測(cè)量高壓線風(fēng)偏的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其方法，適用于高壓輸電線路，屬于工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
輸電線路風(fēng)偏包括直線塔絕緣子串風(fēng)偏、耐張塔跳線風(fēng)偏和導(dǎo)線相間風(fēng)偏，直線塔是導(dǎo)線或金具對(duì)塔臂放電，耐張塔是跳線對(duì)桿塔構(gòu)架放電，相間是導(dǎo)線間放電。輸電導(dǎo)線風(fēng)偏故障一般發(fā)生在強(qiáng)風(fēng)并通常伴有雨雪或冰雹天氣情況下，表現(xiàn)為大風(fēng)使絕緣子串或?qū)Ь€大幅度擺動(dòng)，由于持續(xù)的風(fēng)力使帶電線路接近塔身并維持較長(zhǎng)一段時(shí)間，因空氣間隙距離不夠造成線路對(duì)塔身或線路間多次放電，造成跳閘故障，且一般重合閘不成功。導(dǎo)線風(fēng)偏是威脅架空輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一，常常造成線路跳閘、導(dǎo)線電弧燒傷、斷股、斷線等嚴(yán)重后果。風(fēng)偏放電發(fā)生時(shí)，一般不易重合閘成功。近幾年來(lái)，輸電線路風(fēng)偏故障明顯增多，與雷擊放電和操作沖擊放電不同，絕大多數(shù)風(fēng)偏放電時(shí)發(fā)生在工作電壓下，重合閘較難成功，從而導(dǎo)致了線路停運(yùn)，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大的危害，同時(shí)也造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。分析發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)事故的原因，其中強(qiáng)風(fēng)是最直接的原因，它使絕緣子串向桿塔方向傾斜，減小了導(dǎo)線和塔的空氣間隙距離。因大風(fēng)情況下常伴有大暴雨或冰雹，雨在強(qiáng)風(fēng)作用下成線分布，也使放電電壓降低。其次設(shè)計(jì)中參數(shù)的選擇、風(fēng)壓不均勻系數(shù)的選取、 對(duì)惡劣氣候考慮不充分等也都可以是風(fēng)偏閃絡(luò)事故頻發(fā)的原因之一。國(guó)內(nèi)目前針對(duì)高壓線風(fēng)偏通常采用定期檢測(cè)和故障后維修的方式，該方式耗費(fèi)人力物力大，效率低，精度差，且已造成的經(jīng)濟(jì)和安全損失自是無(wú)法彌補(bǔ)。輸電線路風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是為解決該問(wèn)題而提出的，風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)線路的全天候監(jiān)測(cè)，有效減輕巡線勞動(dòng)強(qiáng)度，消除風(fēng)偏隱患，確保輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而對(duì)于高壓線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目前面臨的一個(gè)相當(dāng)棘手的問(wèn)題，就是線上監(jiān)測(cè)裝置的供電問(wèn)題，一般的電池僅能維持監(jiān)測(cè)裝置短時(shí)間內(nèi)的供電，而更換電池等維護(hù)工作嚴(yán)重影響了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性，而本發(fā)明利用微風(fēng)振動(dòng)發(fā)電機(jī)很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。該風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)旨在監(jiān)測(cè)絕緣子、導(dǎo)線、轉(zhuǎn)角塔跳線的風(fēng)偏情況，判斷風(fēng)偏是否超標(biāo)；評(píng)價(jià)安裝在線路上的防風(fēng)偏裝置的效果，為正確選擇和確定防風(fēng)偏方案提供依據(jù)。 一旦發(fā)現(xiàn)風(fēng)偏水平超標(biāo)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，可以采用相應(yīng)的補(bǔ)救措施，同時(shí)驗(yàn)證防風(fēng)偏設(shè)計(jì)和相關(guān)理論。
發(fā)明內(nèi)容
該發(fā)明旨在通過(guò)對(duì)輸電線路直線塔絕緣子串風(fēng)偏、轉(zhuǎn)角塔跳線風(fēng)偏、導(dǎo)線相間風(fēng)偏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)偏故障定位，為監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在線路設(shè)計(jì)和風(fēng)偏校驗(yàn)提供依據(jù)；通過(guò)預(yù)警，促使運(yùn)行部門采取合理的風(fēng)偏防范措施，如對(duì)絕緣子串加重錘，減小強(qiáng)風(fēng)下導(dǎo)線風(fēng)偏角等；協(xié)助運(yùn)行部門查找放電故障點(diǎn)，以此降低因放電跳閘造成的損失；通過(guò)監(jiān)測(cè)中心對(duì)輸電線路所經(jīng)區(qū)域氣象資料的觀測(cè)、記錄、收集，積累運(yùn)行資料，完善風(fēng)偏計(jì)算方法，同時(shí)準(zhǔn)確的計(jì)算記錄輸電線路處的最大瞬時(shí)風(fēng)速、風(fēng)壓不均勻系數(shù)、強(qiáng)風(fēng)下的導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等相關(guān)信息，為制定合理的風(fēng)偏設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)單位今后的工作積累經(jīng)驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，該發(fā)明采用了如下技術(shù)方案整個(gè)系統(tǒng)由風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置、氣象監(jiān)測(cè)裝置、監(jiān)測(cè)基站和監(jiān)測(cè)中心構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)短距離無(wú)線通訊模塊把數(shù)據(jù)無(wú)線傳送到監(jiān)測(cè)基站，再經(jīng)由基站GPRS網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器上。同時(shí)監(jiān)測(cè)中心也可以反向傳送各種指令到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置，調(diào)整裝置的運(yùn)行狀態(tài)。本發(fā)明的高壓線路風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述的風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置包括球形裝置外殼(I)和殼體內(nèi)設(shè)置的振動(dòng)發(fā)電單元(II)和風(fēng)偏測(cè)量單元(III)，此裝置無(wú)需外加電源，完全由微型振動(dòng)發(fā)電單元(II)供電；所述風(fēng)偏測(cè)量單元(III)包括傳感器模塊(2)、信號(hào)調(diào)理模塊(4)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(3)、GPS模塊(8)、MCU (1)和信號(hào)控制與無(wú)線收發(fā)模塊(5)。傳感器模塊獲取相應(yīng)的風(fēng)偏數(shù)據(jù)，交給MCU，通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊經(jīng)過(guò)相應(yīng)的放大、A/D轉(zhuǎn)換及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理之后，匯集GPS模塊的定位和授時(shí)信息，由信號(hào)收發(fā)模塊經(jīng)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)定時(shí)傳輸給監(jiān)測(cè)基站，同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。所述的裝置外殼(I)由特制高強(qiáng)度材料制成，具有防水、防潮、防電磁干擾的性能，且外殼表面絕緣。裝置安裝在絕緣子串的底端地線出口處、跳線或需要監(jiān)測(cè)的兩相導(dǎo)線的檔中。裝置外殼兩端有固定端口(6)，穿過(guò)并固定在高壓線上。所述的振動(dòng)發(fā)電單元(II)包括永磁體(11)、繞組線圈(12)、伸縮彈簧(13)、整流和穩(wěn)壓電路(14)以及蓄電池(15)組成。所述的傳感器模塊(2 )采用高精度雙軸加速度傳感器，通過(guò)一定的算法整合后，可以計(jì)算出所監(jiān)測(cè)單元的風(fēng)偏角和和傾斜角和電氣間隙。所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(3)對(duì)所采集的信息進(jìn)行有效存儲(chǔ)，保證監(jiān)測(cè)裝置在意外掉電后不至于數(shù)據(jù)丟失。所述的信號(hào)調(diào)理模塊(4)主要對(duì)采集到的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、放大等處理。所述的GPS模塊(8)主要完成定位和授時(shí)功能，采集相應(yīng)風(fēng)偏點(diǎn)的位置和時(shí)間信肩、ο所述的MCU (1)采用低功耗高性能芯片，信號(hào)控制與無(wú)線收發(fā)模塊(5)采用的芯片可控制實(shí)現(xiàn)休眠、待機(jī)等低功耗性能。本發(fā)明的高壓線路風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述的氣象監(jiān)測(cè)單元集成風(fēng)速、風(fēng)向、 雨量、氣壓、環(huán)境溫度和濕度傳感器等，采用太陽(yáng)能加蓄電池供電方式，當(dāng)陽(yáng)光充足，太陽(yáng)能對(duì)基站供電并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，陽(yáng)光較弱，太陽(yáng)能不足以提供基站的電源時(shí)，自動(dòng)切回蓄電池對(duì)其供電，在無(wú)太陽(yáng)能供電情況下，蓄電池足以使用30天以上。本發(fā)明的高壓線路風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述的在線監(jiān)測(cè)基站包括短距離無(wú)線通訊模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘芯片、GPRS模塊、MCU和電源模塊，電源模塊由太陽(yáng)能模塊和蓄電池組成，當(dāng)陽(yáng)光充足，太陽(yáng)能對(duì)基站供電并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，陽(yáng)光較弱，太陽(yáng)能不足以提供基站的電源時(shí)，自動(dòng)切回蓄電池對(duì)其供電，在無(wú)太陽(yáng)能供電情況下， 蓄電池足以使用30天以上。通過(guò)接收氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)站和風(fēng)偏監(jiān)測(cè)單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)解析、計(jì)算將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器。本發(fā)明的高壓線路風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述的監(jiān)測(cè)中心集成數(shù)據(jù)庫(kù)、Web發(fā)布和管理系統(tǒng)，在線分析風(fēng)偏角、傾斜角、氣象環(huán)境等狀態(tài)參數(shù)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理、通信管理、多參數(shù)的預(yù)警、趨勢(shì)分析、統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能。高壓輸電線路的風(fēng)偏閃絡(luò)事故是近年電網(wǎng)故障中頻發(fā)的突出問(wèn)題之一，為確保高壓輸電線路的安全運(yùn)行，在線監(jiān)測(cè)高壓輸電線路風(fēng)偏，分析及預(yù)警其可能帶來(lái)的輸電事故， 具有極其重要的工程實(shí)用價(jià)值。該實(shí)用新型不僅能夠?qū)ξ磥?lái)可能發(fā)生的風(fēng)偏線路故障進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警及輔助決策服務(wù)，同時(shí)也可記錄風(fēng)偏相關(guān)數(shù)據(jù)，獲取風(fēng)偏故障相關(guān)資料，可以驗(yàn)證防風(fēng)偏設(shè)計(jì)，為采取合理的風(fēng)偏防治措施提供科學(xué)依據(jù)。
圖1是本發(fā)明的總體系統(tǒng)框圖2是本發(fā)明的風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置組成示意圖； 圖3是本發(fā)明的風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置的振動(dòng)發(fā)電單元組成示意圖； 圖4是本發(fā)明的風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置安裝結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明的風(fēng)偏角和電氣間隙計(jì)算示意圖； 圖6是本發(fā)明的傾斜角計(jì)算示意圖； 圖7是本發(fā)明的兩相導(dǎo)線電氣間隙計(jì)算示意圖； 圖8是本發(fā)明的在線監(jiān)測(cè)基站組成示意圖； 圖9是本發(fā)明的監(jiān)測(cè)中心專家軟件數(shù)據(jù)流程圖； 圖10是本發(fā)明的各終端監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置、氣象監(jiān)測(cè)裝置、監(jiān)測(cè)基站和監(jiān)測(cè)中心構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)短距離無(wú)線通信模塊把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)基站，再經(jīng)由基站GPRS網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器上，同時(shí)監(jiān)測(cè)中心也可以反向傳送各種指令到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置，調(diào)整裝置的運(yùn)行狀態(tài)。如圖2所示，本發(fā)明的風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置包括球形裝置外殼(I )和殼體內(nèi)設(shè)置的振動(dòng)發(fā)電單元(II)和風(fēng)偏測(cè)量單元(III);此裝置無(wú)需外加電源，完全由微型振動(dòng)發(fā)電單元(II)供電；所述風(fēng)偏測(cè)量單元(III)包括傳感器模塊(2)、信號(hào)調(diào)理模塊(4)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(3)、GPS 模塊(8)、MCU (1)和信號(hào)控制與無(wú)線收發(fā)模塊(5)。傳感器模塊獲取相應(yīng)的風(fēng)偏數(shù)據(jù)，交給 MCU,通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊經(jīng)過(guò)相應(yīng)的放大、A/D轉(zhuǎn)換及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理之后，匯集GPS模塊的定位和授時(shí)信息，由信號(hào)收發(fā)模塊經(jīng)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)定時(shí)傳輸給監(jiān)測(cè)基站，同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。如果風(fēng)偏測(cè)量單元檢測(cè)到風(fēng)偏相應(yīng)數(shù)據(jù)過(guò)大，超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值，則也會(huì)傳輸相應(yīng)的信號(hào)給監(jiān)測(cè)基站，基站傳回監(jiān)測(cè)中心，以示預(yù)警，監(jiān)測(cè)人員好根據(jù)具體情況提前采取補(bǔ)救措施，以盡量減少損失。所述的裝置外殼(I )由特殊高強(qiáng)度材料制成，具有防水、防潮、防電磁干擾的性能。裝置安裝在絕緣子串的底端地線出口處、跳線或需要監(jiān)測(cè)的兩相導(dǎo)線的檔中。裝置外殼兩端有固定端口(6)，穿過(guò)并固定在高壓線上。
如圖3所示，所述的振動(dòng)發(fā)電單元(II)包括永磁體(11)、繞組線圈(12)、伸縮彈簧 (13)、整流和穩(wěn)壓電路(14)以及蓄電池(15)組成。振動(dòng)發(fā)電單元置于裝置外殼內(nèi)部安裝在導(dǎo)線上，而導(dǎo)線在風(fēng)速等因素影響下會(huì)發(fā)生垂直振動(dòng)，永磁體也會(huì)隨之上下振動(dòng)，與繞組之間的相對(duì)位置發(fā)生規(guī)律性變化，引起穿過(guò)繞組線圈的磁鏈的改變，導(dǎo)致繞組中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)整流和穩(wěn)壓電路后，對(duì)風(fēng)偏監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行供電，同時(shí)對(duì)蓄電池充電。因該風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置功耗很低，固振動(dòng)發(fā)電單元并不需要太大。當(dāng)振動(dòng)較弱，振動(dòng)發(fā)電不足以提供監(jiān)測(cè)裝置的電源時(shí)，自動(dòng)切回蓄電池對(duì)其供電，在無(wú)振動(dòng)供電情況下，蓄電池足以使用30 天以上。所述的傳感器模塊(2 )采用高精度雙軸加速度傳感器，通過(guò)一定的算法整合后，可以計(jì)算出所監(jiān)測(cè)單元的風(fēng)偏角和傾斜角以及電氣間隙。所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(3)對(duì)所采集的信息進(jìn)行有效存儲(chǔ)，保證監(jiān)測(cè)裝置在意外掉電后不至于數(shù)據(jù)丟失。所述的信號(hào)調(diào)理模塊(4)主要對(duì)采集到的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、放大等處理。所述的GPS模塊(8)主要完成定位和授時(shí)功能，采集相應(yīng)風(fēng)偏數(shù)據(jù)當(dāng)時(shí)的位置和時(shí)間信息。所述的MCU (1)采用低功耗高性能芯片，信號(hào)控制與無(wú)線收發(fā)模塊(5)采用的芯片可控制實(shí)現(xiàn)休眠、待機(jī)等低功耗性能。如圖4所示，本發(fā)明的風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置在應(yīng)用時(shí)，裝置安裝在絕緣子串的底端地線出口處、跳線或需要監(jiān)測(cè)的兩相導(dǎo)線的檔中，裝置外殼(I)通過(guò)兩端的固定端口(6)穿過(guò)輸電導(dǎo)線(9)，端口上有四個(gè)螺孔(7)，用于插入特制螺釘固定在導(dǎo)線上。風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置的工作過(guò)程是
振動(dòng)發(fā)電單元(II)通過(guò)導(dǎo)線振動(dòng)獲取電能，對(duì)風(fēng)偏測(cè)量單元(III)進(jìn)行供電，同時(shí)對(duì)蓄電池(15)充電；當(dāng)導(dǎo)線振動(dòng)幅度或頻率較小，振動(dòng)發(fā)電單元產(chǎn)生的電能不足以供應(yīng)風(fēng)偏測(cè)量單元(III)正常工作時(shí)，則內(nèi)部自動(dòng)調(diào)整為蓄電池(15)對(duì)風(fēng)偏測(cè)量單元進(jìn)行供電，在無(wú)振動(dòng)供電條件下，蓄電池足以維持供電30天以上。風(fēng)偏測(cè)量單元(III)中傳感器模塊(2)獲取相應(yīng)的風(fēng)偏數(shù)據(jù)，交給MCU (1)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊(4)中相應(yīng)的放大、A/D轉(zhuǎn)換及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理之后，匯集GPS模塊的定位和授時(shí)信息，由信號(hào)收發(fā)模塊(5)經(jīng)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)定時(shí)傳輸給監(jiān)測(cè)基站，同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(3)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。如果風(fēng)偏測(cè)量單元檢測(cè)到風(fēng)偏相應(yīng)數(shù)據(jù)過(guò)大，超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值，則也會(huì)傳輸相應(yīng)的信號(hào)給監(jiān)測(cè)基站，基站傳回監(jiān)測(cè)中心，以示預(yù)警，監(jiān)測(cè)人員好根據(jù)具體情況提前采取補(bǔ)救措施，以盡量減少損失。MCU(I)同時(shí)可控制風(fēng)偏測(cè)量單元(III)采用休眠模式，當(dāng)相當(dāng)一段時(shí)間(如一周以上)風(fēng)偏角都很小(如2°以下)的情況下，則自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，如風(fēng)偏角超過(guò)一定值(如 5° )，則自動(dòng)喚醒。同時(shí)監(jiān)測(cè)中心還可以反向傳送各種指令到風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置，調(diào)整裝置的運(yùn)行狀態(tài)，如采集、發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)入休眠，喚醒等。本發(fā)明的高壓線路風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述的氣象監(jiān)測(cè)裝置集成風(fēng)速、風(fēng)向、 雨量、氣壓、環(huán)境溫度和濕度傳感器等，采用太陽(yáng)能加蓄電池供電方式。本裝置采用了多個(gè)傳感器，來(lái)完成對(duì)輸電線路微氣象環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)。其中，環(huán)境溫度傳感器和風(fēng)速/風(fēng)向傳感器分別用于輸電線路微氣象的大氣環(huán)境溫度和風(fēng)速/風(fēng)向參數(shù)監(jiān)測(cè)。雨量傳感器和氣壓傳感器用于輸電線路的雨量和氣壓參數(shù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)短距離無(wú)線通訊方式傳送給監(jiān)測(cè)基站。數(shù)據(jù)更新時(shí)間為lh，可以根據(jù)需求更改設(shè)定。這些微氣象環(huán)境參數(shù)可以輔助對(duì)風(fēng)偏參數(shù)的分析及故障預(yù)警。如圖10所示，各終端監(jiān)測(cè)裝置(包括風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置和氣象監(jiān)測(cè)裝置)的數(shù)據(jù)流程如下
1)對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，做好采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備；
2)檢查是否收到采集數(shù)據(jù)的命令或定時(shí)采集數(shù)據(jù)時(shí)間是否到達(dá)，若否，執(zhí)行6)，若是， 執(zhí)行3);
3)傳感器模塊采集數(shù)據(jù)；
4)數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理；
5)監(jiān)測(cè)裝置無(wú)線收發(fā)模塊通過(guò)短距離無(wú)線方式傳到監(jiān)測(cè)基站，同時(shí)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)數(shù)
據(jù)；
6)本次結(jié)束。如圖8所示，本發(fā)明的高壓線路風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述的在線監(jiān)測(cè)基站包括短距離無(wú)線通訊模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘芯片、GPRS模塊、MCU和電源模塊，電源模塊由太陽(yáng)能模塊和蓄電池組成，當(dāng)陽(yáng)光充足，太陽(yáng)能對(duì)基站供電并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，陽(yáng)光較弱，太陽(yáng)能不足以提供基站的電源時(shí)，自動(dòng)切回蓄電池對(duì)其供電，在無(wú)太陽(yáng)能供電情況下，蓄電池足以使用30天以上。基站通過(guò)接收氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置和風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)解析、計(jì)算將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器。在線監(jiān)測(cè)基站接收現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和后端通信網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)協(xié)議棧的轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)楹蠖藚f(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)。基站還可以接收后端監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)的指令以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作出的判斷，按一定的工作模式，發(fā)送控制指令，控制監(jiān)測(cè)裝置采集數(shù)據(jù)， 還可以改變監(jiān)測(cè)裝置節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。本發(fā)明的高壓線路風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述的監(jiān)測(cè)中心集成數(shù)據(jù)庫(kù)、Web發(fā)布和管理系統(tǒng)，在線分析風(fēng)偏角、傾斜角、氣象環(huán)境等狀態(tài)參數(shù)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理、通信管理、多參數(shù)的預(yù)警、趨勢(shì)分析、統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能。(1)監(jiān)測(cè)中心具備的功能
1)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)信息管理平臺(tái)。輸電線路運(yùn)行狀態(tài)信息管理平臺(tái)軟件系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的信息集成、圖標(biāo)顯示、統(tǒng)計(jì)、分析功能，并能直觀的給出設(shè)施狀況的評(píng)價(jià)，或者運(yùn)行人員以平臺(tái)信息為基礎(chǔ)進(jìn)行人工分析，以便提供決策和正確發(fā)布指令。2)預(yù)警等級(jí)及預(yù)警閾值。采取分級(jí)預(yù)警機(jī)制，級(jí)別的多少可根據(jù)需要確定，一般可設(shè)置為四級(jí)預(yù)警機(jī)制，如綠色、黃色、橙色和紅色。3)應(yīng)急預(yù)案。根據(jù)輸電線路運(yùn)行監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)得到的線路運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息，研究應(yīng)急處理措施，針對(duì)不同的狀況和預(yù)警等級(jí)，啟動(dòng)和采取相應(yīng)等級(jí)的應(yīng)急預(yù)案。(2)專家軟件系統(tǒng)
本系統(tǒng)上位機(jī)由數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、越限報(bào)警、數(shù)據(jù)保存等模塊組成。如圖9所示，在監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)流程如下
1)上位機(jī)上首先對(duì)串口進(jìn)行初始化設(shè)置，等待接收數(shù)據(jù)；
2)檢測(cè)串口是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟3)，串口如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，則執(zhí)行步驟9)；
3)讀取串口數(shù)據(jù)；
4)對(duì)串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼；
5)對(duì)解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、算法計(jì)算處理，并生成相應(yīng)圖形直觀顯示出來(lái)；
6)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析評(píng)判并存儲(chǔ)，若數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警閥值，執(zhí)行步驟 7)，若沒(méi)有，執(zhí)行步驟8);
7)上位機(jī)生成報(bào)警信息，執(zhí)行步驟9)；
8)上位機(jī)顯示運(yùn)行正常，執(zhí)行步驟9)；
9)本次結(jié)束。風(fēng)偏角等的計(jì)算方法如下
如圖5，L3為等效懸掛線，(19)為風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置等效點(diǎn)，L1為等效橫擔(dān)，L2為等效塔桿， (g)為重力加速度，(θ )為風(fēng)偏角，設(shè)傳感器在該方向上加速度為0時(shí)輸出電壓值為Vtl，加速度為g時(shí)輸出電壓值為當(dāng)前值為V， 則
風(fēng)偏角為
θ =arcsin( (V- V0) /Vg)
導(dǎo)線與塔桿電氣間隙為 r= L1- L3^sin θ 同理，如圖6，(20)為高壓線， 則傾斜角
α =arcsin( (V- V0) /Vg) 其中V為相應(yīng)軸向上讀出的電壓值； 如圖7，兩相導(dǎo)線間的電氣間隙R計(jì)算方法如下 R=sqart [ (h+ L6Cos θ「L5Cos θ 2)2+( L4-L6Sin θ「L5Sin θ 2)2] 其中(21)為風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置等效點(diǎn)，L5, L6為兩相導(dǎo)線上風(fēng)偏測(cè)量裝置的等效懸掛線， θ^ θ2為分別的風(fēng)偏角，L4為等效懸掛點(diǎn)之間的水平距離，h為兩相導(dǎo)線間的垂直距離。之后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的修正處理，便可求得精確的風(fēng)偏角和傾斜角以及電氣間隙。采用本方法遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)輸電線路風(fēng)偏情況，不需要人工干預(yù)，可以實(shí)現(xiàn)M小時(shí)不間斷實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)對(duì)風(fēng)偏采集到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)進(jìn)行綜合評(píng)判，當(dāng)輸電導(dǎo)線風(fēng)偏值超過(guò)警戒值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，指導(dǎo)專業(yè)工作人員進(jìn)行及時(shí)處理。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明的高壓線風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置、氣象監(jiān)測(cè)裝置、監(jiān)測(cè)基站和監(jiān)測(cè)中心構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)短距離無(wú)線通訊方式把數(shù)據(jù)無(wú)線傳送到監(jiān)測(cè)基站，再經(jīng)由基站GPRS網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器上，同時(shí)監(jiān)測(cè)中心也可以反向傳送各種指令到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置，調(diào)整裝置的運(yùn)行狀態(tài)；本發(fā)明的高壓線風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述的風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置包括球形裝置外殼(I )和殼體內(nèi)設(shè)置的振動(dòng)發(fā)電單元(II)和風(fēng)偏測(cè)量單元(III);此裝置無(wú)需外加電源，完全由微型振動(dòng)發(fā)電單元(II)供電；所述風(fēng)偏測(cè)量單元(III)包括傳感器模塊(2)、信號(hào)調(diào)理模塊(4)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(3)、GPS模塊(8)、MCU (1)和信號(hào)控制與無(wú)線收發(fā)模塊(5);傳感器模塊獲取相應(yīng)的風(fēng)偏數(shù)據(jù)，交給MCU，通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊經(jīng)過(guò)相應(yīng)的放大、A/D轉(zhuǎn)換及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理之后，匯集GPS模塊的定位和授時(shí)信息，由信號(hào)收發(fā)模塊經(jīng)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)定時(shí)傳輸給監(jiān)測(cè)基站，同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；如果風(fēng)偏測(cè)量單元檢測(cè)到風(fēng)偏相應(yīng)數(shù)據(jù)信息過(guò)大，超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值，則也會(huì)傳輸相應(yīng)的信號(hào)給監(jiān)測(cè)基站，基站傳回監(jiān)測(cè)中心，以示預(yù)警，監(jiān)測(cè)人員好根據(jù)具體情況提前采取補(bǔ)救措施，以盡量減少損失；其中所述的裝置外殼(I )由特制高強(qiáng)度材料制成，具有防水、防潮、防電磁干擾的性能，且外殼表面絕緣。
2.裝置外殼兩端有固定端口(6)，穿過(guò)并固定在高壓線上；所述的振動(dòng)發(fā)電單元(II)包括永磁體(11)、繞組線圈(12)、伸縮彈簧(13)、整流和穩(wěn)壓電路(14)以及蓄電池(15)組成；振動(dòng)發(fā)電單元置于裝置外殼內(nèi)部安裝在導(dǎo)線上，而導(dǎo)線在風(fēng)速等因素影響下會(huì)發(fā)生垂直振動(dòng)，永磁體也會(huì)隨之上下振動(dòng)，與繞組之間的相對(duì)位置發(fā)生規(guī)律性變化，引起穿過(guò)繞組線圈的磁鏈的改變，導(dǎo)致繞組中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)整流和穩(wěn)壓電路后，對(duì)風(fēng)偏監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行供電，同時(shí)對(duì)蓄電池充電；因該風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置功耗很低，固振動(dòng)發(fā)電單元并不需要太大，當(dāng)振動(dòng)較弱，振動(dòng)發(fā)電不足以提供監(jiān)測(cè)裝置的電源時(shí)，自動(dòng)切回蓄電池對(duì)其供電，在無(wú)振動(dòng)供電情況下，蓄電池足以使用30天以上；所述的傳感器模塊(2 )采用高精度雙軸加速度傳感器，通過(guò)一定的算法整合后，計(jì)算出所監(jiān)測(cè)單元的風(fēng)偏角和傾斜角以及電氣間隙；所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(3)對(duì)所采集的信息進(jìn)行有效存儲(chǔ)，保證監(jiān)測(cè)裝置在意外掉電后不至于數(shù)據(jù)丟失；所述的信號(hào)調(diào)理模塊(4)主要對(duì)采集到的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、放大等處理；所述的GPS模塊(8)主要完成定位和授時(shí)功能，采集相應(yīng)風(fēng)偏數(shù)據(jù)當(dāng)時(shí)的位置和時(shí)間 fn息；所述的MCU (1)采用低功耗高性能芯片，信號(hào)控制與無(wú)線收發(fā)模塊(5)采用的芯片可控制實(shí)現(xiàn)休眠、待機(jī)等低功耗性能；MCU(I)可控制風(fēng)偏測(cè)量單元(III)采用休眠模式，當(dāng)相當(dāng)一段時(shí)間(如一周以上)風(fēng)偏角都很小(如2°以下)的情況下，則自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，如風(fēng)偏角超過(guò)一定值(如5° )，則自動(dòng)喚醒。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置在應(yīng)用時(shí)，裝置安裝在絕緣子串的底端地線出口處、跳線或需要監(jiān)測(cè)的兩相導(dǎo)線的檔中，裝置外殼(I )通過(guò)兩端的固定端口(6)穿過(guò)輸電導(dǎo)線(9)，端口上有四個(gè)螺孔(7)，用于插入特制螺釘固定在導(dǎo)線上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于振動(dòng)發(fā)電的高壓線風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的氣象監(jiān)測(cè)裝置集成風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、氣壓、環(huán)境溫度和濕度傳感器等，采用太陽(yáng)能加蓄電池供電方式，當(dāng)陽(yáng)光充足，太陽(yáng)能對(duì)基站供電并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，陽(yáng)光較弱，太陽(yáng)能不足以提供基站的電源時(shí)，自動(dòng)切回蓄電池對(duì)其供電，在無(wú)太陽(yáng)能供電情況下，蓄電池足以使用30天以上；本裝置采用了多個(gè)傳感器，來(lái)完成對(duì)輸電線路微氣象環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，其中，環(huán)境溫度傳感器和風(fēng)速/風(fēng)向傳感器分別用于輸電線路微氣象的大氣環(huán)境溫度和風(fēng)速/風(fēng)向參數(shù)監(jiān)測(cè)；雨量傳感器和氣壓傳感器用于輸電線路的雨量和氣壓參數(shù)監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)短距離無(wú)線通訊方式傳送給監(jiān)測(cè)基站；數(shù)據(jù)更新時(shí)間為lh，可以根據(jù)需求更改設(shè)定；這些微氣象環(huán)境參數(shù)可以輔助對(duì)風(fēng)偏參數(shù)的分析及故障預(yù)警。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于振動(dòng)發(fā)電的高壓線風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的各終端監(jiān)測(cè)裝置(包括風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置和氣象監(jiān)測(cè)裝置)的數(shù)據(jù)流程如下1)對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，做好采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備；2)檢查是否收到采集數(shù)據(jù)的命令或定時(shí)采集數(shù)據(jù)時(shí)間是否到達(dá)，若否，執(zhí)行6)，若是， 執(zhí)行3);3)傳感器模塊采集數(shù)據(jù)；4)數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理；5)監(jiān)測(cè)裝置無(wú)線收發(fā)模塊通過(guò)短距離無(wú)線方式傳到監(jiān)測(cè)基站，同時(shí)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；6)本次結(jié)束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于振動(dòng)發(fā)電的高壓線風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于 所述的在線監(jiān)測(cè)基站包括短距離無(wú)線通訊模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘芯片、 GPRS模塊、MCU和電源模塊，電源模塊由太陽(yáng)能模塊和蓄電池組成，當(dāng)陽(yáng)光充足，太陽(yáng)能對(duì)基站供電并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，陽(yáng)光較弱，太陽(yáng)能不足以提供基站的電源時(shí)，自動(dòng)切回蓄電池對(duì)其供電，在無(wú)太陽(yáng)能供電情況下，蓄電池足以使用30天以上；基站通過(guò)接收氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置和風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)解析、計(jì)算將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器；在線監(jiān)測(cè)基站接收現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和后端通信網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)協(xié)議棧的轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)楹蠖藚f(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)；基站還可以接收后端監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)的指令以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作出的判斷，按一定的工作模式，發(fā)送控制指令，控制監(jiān)測(cè)裝置采集數(shù)據(jù)，還可以改變監(jiān)測(cè)裝置節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于振動(dòng)發(fā)電的高壓線風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的監(jiān)測(cè)中心集成數(shù)據(jù)庫(kù)、Web發(fā)布和管理系統(tǒng)，在線分析風(fēng)偏角、傾斜角、氣象環(huán)境等狀態(tài)參數(shù)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理、通信管理、多參數(shù)的預(yù)警、趨勢(shì)分析、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于振動(dòng)發(fā)電的高壓線風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的專家軟件系統(tǒng)上位機(jī)由數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、越限報(bào)警、數(shù)據(jù)保存等模塊組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于振動(dòng)發(fā)電的高壓線風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的在監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)流程如下上位機(jī)首先對(duì)串口進(jìn)行初始化設(shè)置，等待接收數(shù)據(jù)；檢測(cè)串口是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟3)，串口如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，則執(zhí)行步驟9)；讀取串口數(shù)據(jù)；對(duì)串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼；對(duì)解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、算法計(jì)算處理，并生成相應(yīng)圖形直觀顯示出來(lái)；對(duì)處理后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析評(píng)判并存儲(chǔ)，若數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警閥值，執(zhí)行步驟7)，若沒(méi)有，執(zhí)行步驟8);上位機(jī)生成報(bào)警信息，執(zhí)行9); 上位機(jī)顯示運(yùn)行正常，執(zhí)行9)； 9)本次結(jié)束；所述的數(shù)據(jù)流程中風(fēng)偏角等的計(jì)算方法如下 風(fēng)偏角為θ =arcsin( (V- V0) /Vg)導(dǎo)線與塔桿電氣間隙為 r= L1- L3^sin θ傾斜角α =arcsin( (V- V0) /Vg) 兩相導(dǎo)線間的電氣間隙R=sqart [ (h+ L6Cos θ「L5Cos θ 2)2+( L4-L6Sin θ「L5Sin θ 2)2] 經(jīng)過(guò)相應(yīng)的修正處理，便可求得精確的風(fēng)偏角和傾斜角以及電氣間隙。
全文摘要
本發(fā)明提出一種精確測(cè)量高壓線路風(fēng)偏的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，由風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置、氣象監(jiān)測(cè)裝置、監(jiān)測(cè)基站和監(jiān)測(cè)中心組成，實(shí)現(xiàn)的功能包括風(fēng)偏、氣象數(shù)據(jù)采集傳送、故障預(yù)警、實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理顯示。風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置包括傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)控制與無(wú)線收發(fā)模塊、GPS模塊、MCU和振動(dòng)發(fā)電模塊，此裝置無(wú)需外加電源，完全由微型振動(dòng)發(fā)電模塊供電?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)短距離無(wú)線通信模塊把數(shù)據(jù)送到監(jiān)測(cè)基站，再經(jīng)由基站GPRS網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心也可以反向傳送指令，調(diào)整裝置的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置采用休眠、待機(jī)、定時(shí)傳輸相結(jié)合的低功耗模式設(shè)計(jì)，并運(yùn)用越過(guò)設(shè)定閥值自動(dòng)喚醒機(jī)制，適用于高壓線路在線監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01C1/00GK102288153SQ20111015869
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者張瑩, 李智, 秦旭 申請(qǐng)人:四川大學(xué)