论文部分内容阅读
【摘要】本文探讨了输电线路杆塔倾斜监测问题，从监测系统的组成，硬件系统的构造设计等角度，探讨了监测系统的组成，以及相关的硬件选型等。重点针对输电线路杆塔在线监测系统的总体构架、前端数据处理部分硬件设计选型，数据传输部分的硬件设计选型进行了研究。
【关键词】输电线路;杆塔;倾斜在线监测
1.概述
电网安全运行是社会正常运转的重要保障，一旦出现电网事故，将对工农业生产、居民生活造成极大的影响。在各类电网安全事故中，多数都和输电线路的倒塔、断线等有关。输电杆塔倾斜的成因很多，除了大风、洪水、地质灾害外，还和施工质量不过关、地基不均匀沉降、甚至是意外冲撞等，都可能导致杆塔的倾斜。由于输电网络覆盖范围极广，而且数量众多的输电线路杆塔位于城市周边周边、山地、河流等自然环境更为复杂的区域，靠人力来完成对数量庞大的输电线路杆塔、线路的巡检工作效率低下，因此有必要建立起成套输电设备的在线监测，重点针对输电线路杆塔的工况进行监测，对杆塔正常工作关系密切的倾斜、震动、覆冰等工况进行在线监测，为输电线路的安全运行提供帮助。本文将针对输电杆塔运行工况中的倾斜在线监测为对象来展开研究。
2.输电线路杆塔监测概况
输电线路杆塔监测，从原理上是通过在输电杆塔以及其他附属电力设备上安装传感器来获取杆塔运行工况状态，通过对这些监测量的整合分析，来对输电杆塔的运行工况、潜在故障、安全等级等进行评估。
发达国家对输电设备工况的在线监测开展得比较早，建成的监测系统也较为完善。国内在这方面的工作一般都是在事故发生后才进行检修，定期检修和在线状态监测还处于探索阶段。尤其是针对输电线路杆塔的状态在线监测，是在2008年南方冰冻灾害后才引起了足够的重视，并通过国内一些电力研究机构努力，已经取得了初步成果，在部分电网建立了泄露电流监测系统、输电容量监测系统、视频远程监控系统等在线监测系统。
3.输电杆塔状态监测系统组成
从监测数据的完整性角度看，对输电杆塔的状态监测需要对杆塔受迫振动、倾斜状况、杆塔周围气象数据、电缆温度、塔基应力应变等数据进行全方位的监测。而这些监测数据的获取，都需要在杆塔或其附属设备上加装传感器，并在输电杆塔监测区域安装现场中心基站，各类监测数据通过通信模块将数据汇总并传输至电网监控中心，通过在各类专业分析软件来评估监测数据，寻找可能存在的安全隐患，并进行预警，从而保障电力系统的安全运行。
从系统组成的角度看，监测系统由如下部分几个层次构成：
①传感器层含塔身倾斜传感器、塔基电阻应变片、塔身震动传感器、塔身气象传感器等;
②数据采集层数据采集卡板;
③无线传输层;
④现场区域中心基站;
⑤电网监控中心客户端。
鉴于本文的研究对象为输电杆塔的倾斜监测，因此这里只对杆塔倾斜传感器的安装布置参数做必要说明：传感器型号为高精度双轴倾角传感器SCA100T，将倾斜传感器安装在杆塔顶部，当塔身发生倾斜时将导致传感器输出信号的改变，从而获取杆塔的倾斜角度，测量参数范围为：-30度～+30度，分辨率0.002度，单极5伏供电，功耗约为6毫安。其他关于倾斜监测的系统设计下文将予以详述。
4.杆塔倾斜监测系统硬件总体构架
这里所述的硬件是指前端数据采集部分、前端数据处理部分和数据传输部分。由于杆塔倾斜传感器的安装位置都是位于杆塔顶部，因此需要使用无线通信手段，选用GSM通信方式，减少空间距离带来的干扰。但由于输电线路上的杆塔数量庞大，为每个杆塔都配置相应的GSM模块将极大的增加成本。为降低成本但又不影响实际功能的前提下，采用Zigbee短距离无线数据传输技术。Zigbee是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术，具有模块功耗低、简单易用、成本低、通信可靠稳定等特点，可满足杆塔间的通信需要。杆塔之间采用Zigbee通信，而杆塔和控制室之间采用GSM通信，以达到降低成本的目的。系统硬件总体构架如图1所示：
图1 硬件系统总体构架示意图
5.前端数据处理部分硬件系统设计
前端数据处理部分是通过对集到得数据通过模拟电路进行处理，这里需要分为主站和从站两类。主站的硬件组成分为采集部分、转接部分、数据处理和传输部分。其中采集部分包含：温度传感器、倾角传感器、拉力传感器和风速传感器，转接部分包括传感器转换和数据转换两类，数据处理包括RTC、看门狗、模拟基准等，传输部分则包括了Zigbee模块和GSM模块。从站的硬件构成包括采集部分、数据处理部分和传输部分。其中采集部分包括倾角传感器和数据转换模块，数据处理部分和主站类似，传输部分则只包含了Zigbee模块，无GSM模块。
在硬件型号选择方面，系统核心处理器选用8位单片机Atmega64，看门狗选用MAX706芯片，RTC芯片选用飞利浦PCF8583。
6.数据传输部分的硬件设计
数据传输部分的工作是将前端采集到的监测信息通过Zigbee输出给主站，再由主站通过单片机发送给GSM，GSM再将信息发送给中控室GSM接收模块。因此这部分主要是Zigbee和GSM的选型及组网配置。
Zigbee技术本质上是自组网模块技术，通过重新寻找通信对象来对原有网络进行刷新。在本部分的硬件选型时，选用JN5139模块（Jennic公司生产），在主站和从站上都选用该型号的模块，只需在配置时区分主站和从站即可。JN5139模块具有标准的TTL接口，满足即插即用的便利性，对不同拓扑形状的网络适应性好，且具有数据传输速率快，灵敏度高等优点。GSM模块采用嵌入式短信收发模块F2202，无需编码转换，即插即用型号，波特率设置方便。
7.监测系统的试运行
在硬件设计的基础上，通过编制相应的数据处理软件，以可视化方式实现对各类监测数据的展示，展示界面如图2所示。
图2 监测系统运行界面
在系统投入试运行之前，经过了实验室模拟运行阶段，调试存在的问题并进行修正。在投入室外试运行时，应用了GSM卡接受和和传输数据，并将数据在电脑上展示，结果表明该设计方式能够及时的获取输电线路杆塔实时运行状态数据，满足监测需要。
8.小结
输电线路杆塔状态在线监测对于保障输电线路的安全运行关系重大，在本文所述监测系统设计的基础上，还应当进行如下方面的深化：首先是研究数据处理过程中的预警功能，因为现有的监测系统只能被动的给出各杆塔的实时运行数据，还不具备异常数据自动识别和预警功能，因此应当在系统中进一步加入预警功能，以便在监测到杆塔倾斜数据发射管异常后进行报警;其次是研究提高监测系统的抗干扰能力，因杆塔所数量众多，监测传感器运行环境复杂，为了提高监测的实时性和准确性，还应研究更为耐久可靠的硬件设备，以便减少在恶劣条件下监测数据异常的发生几率。
参考文献
[1]章步云，刘中，王仁波.GSM数据传输技术及其在野外实时数据采集监测仪中的应用[J].通信学报，2008（4）.
[2]冯琳.无线传感器网络及ZigBee技术的研究[J].合肥工业大学学报，2006.
[3]宣彩平，王暗，邹国良.利用GSM无线模块发送短消息[J].计算机应用，2004，20（5）.
[4]王田苗.嵌入式监测仪设计与实例开发[M].北京：清华大学出版社，2012，27-32.
【关键词】输电线路;杆塔;倾斜在线监测
1.概述
电网安全运行是社会正常运转的重要保障，一旦出现电网事故，将对工农业生产、居民生活造成极大的影响。在各类电网安全事故中，多数都和输电线路的倒塔、断线等有关。输电杆塔倾斜的成因很多，除了大风、洪水、地质灾害外，还和施工质量不过关、地基不均匀沉降、甚至是意外冲撞等，都可能导致杆塔的倾斜。由于输电网络覆盖范围极广，而且数量众多的输电线路杆塔位于城市周边周边、山地、河流等自然环境更为复杂的区域，靠人力来完成对数量庞大的输电线路杆塔、线路的巡检工作效率低下，因此有必要建立起成套输电设备的在线监测，重点针对输电线路杆塔的工况进行监测，对杆塔正常工作关系密切的倾斜、震动、覆冰等工况进行在线监测，为输电线路的安全运行提供帮助。本文将针对输电杆塔运行工况中的倾斜在线监测为对象来展开研究。
2.输电线路杆塔监测概况
输电线路杆塔监测，从原理上是通过在输电杆塔以及其他附属电力设备上安装传感器来获取杆塔运行工况状态，通过对这些监测量的整合分析，来对输电杆塔的运行工况、潜在故障、安全等级等进行评估。
发达国家对输电设备工况的在线监测开展得比较早，建成的监测系统也较为完善。国内在这方面的工作一般都是在事故发生后才进行检修，定期检修和在线状态监测还处于探索阶段。尤其是针对输电线路杆塔的状态在线监测，是在2008年南方冰冻灾害后才引起了足够的重视，并通过国内一些电力研究机构努力，已经取得了初步成果，在部分电网建立了泄露电流监测系统、输电容量监测系统、视频远程监控系统等在线监测系统。
3.输电杆塔状态监测系统组成
从监测数据的完整性角度看，对输电杆塔的状态监测需要对杆塔受迫振动、倾斜状况、杆塔周围气象数据、电缆温度、塔基应力应变等数据进行全方位的监测。而这些监测数据的获取，都需要在杆塔或其附属设备上加装传感器，并在输电杆塔监测区域安装现场中心基站，各类监测数据通过通信模块将数据汇总并传输至电网监控中心，通过在各类专业分析软件来评估监测数据，寻找可能存在的安全隐患，并进行预警，从而保障电力系统的安全运行。
从系统组成的角度看，监测系统由如下部分几个层次构成：
①传感器层含塔身倾斜传感器、塔基电阻应变片、塔身震动传感器、塔身气象传感器等;
②数据采集层数据采集卡板;
③无线传输层;
④现场区域中心基站;
⑤电网监控中心客户端。
鉴于本文的研究对象为输电杆塔的倾斜监测，因此这里只对杆塔倾斜传感器的安装布置参数做必要说明：传感器型号为高精度双轴倾角传感器SCA100T，将倾斜传感器安装在杆塔顶部，当塔身发生倾斜时将导致传感器输出信号的改变，从而获取杆塔的倾斜角度，测量参数范围为：-30度～+30度，分辨率0.002度，单极5伏供电，功耗约为6毫安。其他关于倾斜监测的系统设计下文将予以详述。
4.杆塔倾斜监测系统硬件总体构架
这里所述的硬件是指前端数据采集部分、前端数据处理部分和数据传输部分。由于杆塔倾斜传感器的安装位置都是位于杆塔顶部，因此需要使用无线通信手段，选用GSM通信方式，减少空间距离带来的干扰。但由于输电线路上的杆塔数量庞大，为每个杆塔都配置相应的GSM模块将极大的增加成本。为降低成本但又不影响实际功能的前提下，采用Zigbee短距离无线数据传输技术。Zigbee是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术，具有模块功耗低、简单易用、成本低、通信可靠稳定等特点，可满足杆塔间的通信需要。杆塔之间采用Zigbee通信，而杆塔和控制室之间采用GSM通信，以达到降低成本的目的。系统硬件总体构架如图1所示：
图1 硬件系统总体构架示意图
5.前端数据处理部分硬件系统设计
前端数据处理部分是通过对集到得数据通过模拟电路进行处理，这里需要分为主站和从站两类。主站的硬件组成分为采集部分、转接部分、数据处理和传输部分。其中采集部分包含：温度传感器、倾角传感器、拉力传感器和风速传感器，转接部分包括传感器转换和数据转换两类，数据处理包括RTC、看门狗、模拟基准等，传输部分则包括了Zigbee模块和GSM模块。从站的硬件构成包括采集部分、数据处理部分和传输部分。其中采集部分包括倾角传感器和数据转换模块，数据处理部分和主站类似，传输部分则只包含了Zigbee模块，无GSM模块。
在硬件型号选择方面，系统核心处理器选用8位单片机Atmega64，看门狗选用MAX706芯片，RTC芯片选用飞利浦PCF8583。
6.数据传输部分的硬件设计
数据传输部分的工作是将前端采集到的监测信息通过Zigbee输出给主站，再由主站通过单片机发送给GSM，GSM再将信息发送给中控室GSM接收模块。因此这部分主要是Zigbee和GSM的选型及组网配置。
Zigbee技术本质上是自组网模块技术，通过重新寻找通信对象来对原有网络进行刷新。在本部分的硬件选型时，选用JN5139模块（Jennic公司生产），在主站和从站上都选用该型号的模块，只需在配置时区分主站和从站即可。JN5139模块具有标准的TTL接口，满足即插即用的便利性，对不同拓扑形状的网络适应性好，且具有数据传输速率快，灵敏度高等优点。GSM模块采用嵌入式短信收发模块F2202，无需编码转换，即插即用型号，波特率设置方便。
7.监测系统的试运行
在硬件设计的基础上，通过编制相应的数据处理软件，以可视化方式实现对各类监测数据的展示，展示界面如图2所示。
图2 监测系统运行界面
在系统投入试运行之前，经过了实验室模拟运行阶段，调试存在的问题并进行修正。在投入室外试运行时，应用了GSM卡接受和和传输数据，并将数据在电脑上展示，结果表明该设计方式能够及时的获取输电线路杆塔实时运行状态数据，满足监测需要。
8.小结
输电线路杆塔状态在线监测对于保障输电线路的安全运行关系重大，在本文所述监测系统设计的基础上，还应当进行如下方面的深化：首先是研究数据处理过程中的预警功能，因为现有的监测系统只能被动的给出各杆塔的实时运行数据，还不具备异常数据自动识别和预警功能，因此应当在系统中进一步加入预警功能，以便在监测到杆塔倾斜数据发射管异常后进行报警;其次是研究提高监测系统的抗干扰能力，因杆塔所数量众多，监测传感器运行环境复杂，为了提高监测的实时性和准确性，还应研究更为耐久可靠的硬件设备，以便减少在恶劣条件下监测数据异常的发生几率。
参考文献
[1]章步云，刘中，王仁波.GSM数据传输技术及其在野外实时数据采集监测仪中的应用[J].通信学报，2008（4）.
[2]冯琳.无线传感器网络及ZigBee技术的研究[J].合肥工业大学学报，2006.
[3]宣彩平，王暗，邹国良.利用GSM无线模块发送短消息[J].计算机应用，2004，20（5）.
[4]王田苗.嵌入式监测仪设计与实例开发[M].北京：清华大学出版社，2012，27-32.