高压输电塔杆倾斜在线监测

1、 论文题目：论文题目：高压输电塔杆倾斜在线监测系统高压输电塔杆倾斜在线监测系统 答辩人答辩人: :专业专业: :指导老师指导老师: :日期：2013年6月章节安排章节安排1.1.前言前言2.输电输电塔杆整体塔杆整体设计设计方案和方案和选选型型3.输电输电塔杆硬件塔杆硬件电电路路设计设计4.输电输电塔杆塔杆软软件部分件部分设计设计5.总结总结 1.1 课题研究背景课题研究背景 电力工业是国民经济的重要基础产业，安全、稳定和充足的电电力工业是国民经济的重要基础产业，安全、稳定和充足的电力供应是保障国民经济健康稳定发展的前提。高压塔杆倾斜是影响力供应是保障国民经济健康稳定发展的前提。高压塔杆倾斜是影

2、响电力系统安全稳定运行的问题之一。电力系统安全稳定运行的问题之一。 以以2008年年1-2月我国南方大范围冰雪灾害为例。据统计，月我国南方大范围冰雪灾害为例。据统计，2008年年1-2月，全国电网因冰灾停运线路月，全国电网因冰灾停运线路36740条，停运变电站条，停运变电站2016座，座，563236基杆塔倒塌损坏，断线基杆塔倒塌损坏，断线353731处，处，500KV变电站停运变电站停运12座；座；5000KV输电线路停运输电线路停运107条，受损条，受损80条，倒条，倒塔塔957基。基。1.课题的研究的背景及意义课题的研究的背景及意义1.课题的研究的背景及意义课题的研究的背景及意义图图1.

3、1 1.1 输电塔杆倒塌输电塔杆倒塌图图1.2 1.2 输电塔杆倾斜输电塔杆倾斜1.课题的研究的目的及意义课题的研究的目的及意义 1.2 课题研究意义课题研究意义 在现有的监测方式中，传统的高压输电线路监测都是采在现有的监测方式中，传统的高压输电线路监测都是采用巡检的方式，主要有两种，即用巡检的方式，主要有两种，即人工目测法人工目测法和和直升飞机航直升飞机航测法测法。u 人工目测法人工目测法 由巡工作人员在地面沿线逐塔巡视，有时候还由巡工作人员在地面沿线逐塔巡视，有时候还需要巡线人员登上输电塔杆或者乘坐悬挂于线路上的滑车需要巡线人员登上输电塔杆或者乘坐悬挂于线路上的滑车，这种传统的巡线方式精度

4、低、劳动强度大、费用多、周，这种传统的巡线方式精度低、劳动强度大、费用多、周期长、危险性高，且存在巡检盲区。期长、危险性高，且存在巡检盲区。u 直升飞机航测法直升飞机航测法 航测法则是运用直升飞机沿线巡检，采用航测法则是运用直升飞机沿线巡检，采用摄像机和其探测技术对输电塔杆进行巡检，这种方式的优摄像机和其探测技术对输电塔杆进行巡检，这种方式的优点是灵活性高、视野开阔，但所花费的费用高且有一定的点是灵活性高、视野开阔，但所花费的费用高且有一定的飞行隐患。飞行隐患。1.课题的研究的目的及意义课题的研究的目的及意义图图1.3 1.3 人工巡测法人工巡测法图图1.4 1.4 直升机航测法直升机航测法1

5、.课题的研究的目的及意义课题的研究的目的及意义 研究目的研究目的 : 由于上面两种方式存在着一定的不足之处，供电部门由于上面两种方式存在着一定的不足之处，供电部门迫切需要开发和研究一种能代替传统方式的巡线方式。研迫切需要开发和研究一种能代替传统方式的巡线方式。研究电力输电塔杆倾斜监测系统技术，对输电线路加强监测究电力输电塔杆倾斜监测系统技术，对输电线路加强监测管理，对加速智能化电网战略的建设，预防和减少供电事管理，对加速智能化电网战略的建设，预防和减少供电事故的发生，提高电力系统的安全性、可靠性、稳定性具有故的发生，提高电力系统的安全性、可靠性、稳定性具有十分重要的意义。十分重要的意义。2.系

6、统整体设计系统整体设计图图2.1 2.1 整体系统模块构成整体系统模块构成2.系统整体设计系统整体设计图图2.2 2.2 整体系统部分模块实物展示图整体系统部分模块实物展示图2.系统整体设计系统整体设计依照不同的分类方式，电机可以被分成各种类型，主要的有四种依照不同的分类方式，电机可以被分成各种类型，主要的有四种图图2.3 2.3 整体系统框图整体系统框图图图2.4 2.4 整体程序流程图整体程序流程图2.系统整体设计系统整体设计图图2.5 2.5 系统安装示意图系统安装示意图2.2各模块选型各模块选型图图2.6 2.6 太阳能和蓄电池共同供电方式太阳能和蓄电池共同供电方式2.2.1 2.2.

7、1 供电方案研究供电方案研究2.2各模块选型各模块选型表表 2.1 2.1 短距离通信方式的比较短距离通信方式的比较2.2.2 2.2.2 短距离通信模块研究短距离通信模块研究2.2各模块选型各模块选型2.2.2 2.2.2 短距离通信模块研究短距离通信模块研究图图2.7 ZigBee2.7 ZigBee发射与接受模块发射与接受模块2.2各模块选型各模块选型2.2.3 2.2.3 远程通信方案的研究远程通信方案的研究图图2.8 WavecomQ2406B GSM2.8 WavecomQ2406B GSM通信模块通信模块2.2各模块选型各模块选型2.2.4 2.2.4 倾角传感器模块研究倾角传感

8、器模块研究图图2.9 SCAl00T-D022.9 SCAl00T-D02倾角传感芯片倾角传感芯片3.系统硬件电路设计系统硬件电路设计 倾角采集系统直接安装在输电塔杆上，对输电塔杆发生倾斜时倾角采集系统直接安装在输电塔杆上，对输电塔杆发生倾斜时倾角数据进行定时采集。整个倾角采集系统由数据采集部分、数据倾角数据进行定时采集。整个倾角采集系统由数据采集部分、数据处理部分和传输部分构成。采集部分通过倾角传感器采集塔杆倾斜处理部分和传输部分构成。采集部分通过倾角传感器采集塔杆倾斜的具体值，通过的具体值，通过MCUMCU进行数据分析、处理后，最后通过进行数据分析、处理后，最后通过ZigBeeZigBee

9、短程短程通信模块向所在的基站传输实时数据。通信模块向所在的基站传输实时数据。图图3.1 3.1 倾角采集系统硬件结构图倾角采集系统硬件结构图3.系统硬件电路设计系统硬件电路设计3.1.1 MENS 3.1.1 MENS 倾角传感器工作原理倾角传感器工作原理传感器的工作原理就是牛顿第二定律，根据物理原理，在一个传感器的工作原理就是牛顿第二定律，根据物理原理，在一个系统内部无法测得物体的速度，但是加速度是可以测量的。如果在系统内部无法测得物体的速度，但是加速度是可以测量的。如果在初速度已知的情况下，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计初速度已知的情况下，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出

10、直线位移。所以这是一种采用惯性原理的加速度传感器。算出直线位移。所以这是一种采用惯性原理的加速度传感器。3.1 3.1 倾角采集模块设计倾角采集模块设计图图3.2MEMS3.2MEMS加速度测量原理示意图加速度测量原理示意图3.系统硬件电路设计系统硬件电路设计3.1.1 MENS 3.1.1 MENS 倾角传感器工作原理倾角传感器工作原理当加速度作用于传感器时，中央动极板随弹性梁移动，从而使当加速度作用于传感器时，中央动极板随弹性梁移动，从而使Cn1Cn1、Cn2Cn2电容值产生变化，因此，中央极板的电压幅值能够反应加电容值产生变化，因此，中央极板的电压幅值能够反应加速度的大小和方向。而基于速

11、度的大小和方向。而基于MEMSMEMS加速度测量的倾角传感器，则是通加速度测量的倾角传感器，则是通过测量惯性块的重力加速度在各轴方向的分量，通过三角函数来计过测量惯性块的重力加速度在各轴方向的分量，通过三角函数来计算倾角。算倾角。图图3.2 MEMS3.2 MEMS加速度测量原理示意图加速度测量原理示意图3.系统硬件电路设计系统硬件电路设计3.1.2 3.1.2 塔杆倾角值的测定塔杆倾角值的测定SCAl00TSCAl00T的倾角测量方向分别为的倾角测量方向分别为X X轴方向和轴方向和Y Y轴方向。安装时轴方向。安装时X X轴轴方向与导线径向方向重合，方向与导线径向方向重合，Y Y轴方向与导线轴

12、向方向重合。轴方向与导线轴向方向重合。图图3.3 SCAl00T3.3 SCAl00T角度测量示意图角度测量示意图3.系统硬件电路设计系统硬件电路设计3.1.3 3.1.3 塔杆倾角值的计算塔杆倾角值的计算 模拟电压输出可以通过下面公式被转换成角度：模拟电压输出可以通过下面公式被转换成角度： 式中：式中：Offset Offset 为倾斜度为为倾斜度为0 0 度时设备的输出值，度时设备的输出值，SensititivitySensititivity是是设备的输出灵敏度，对于设备的输出灵敏度，对于SCA100T- D01SCA100T- D01为为70mV/c70mV/c，SCA100T- D02

13、SCA100T- D02为为35mV/c35mV/c，VDoutVDout是是SCA100TSCA100T的测量输出。的测量输出。3.系统硬件电路设计系统硬件电路设计3.1.3 3.1.3 塔杆倾角值的计算塔杆倾角值的计算数字输出至角度转换：数字输出至角度转换： 加速度测量数据用加速度测量数据用11 11 位数字字节格式保存在位数字字节格式保存在RDAXRDAX和和RDAYRDAY寄寄存器中，数据范围为存器中，数据范围为0204702047在在0 0（水平放置）（水平放置） 时其额定的输出为时其额定的输出为（100000000100000000） 二进制，即二进制，即10241024。不同测量

14、数字转换为角度可用如下。不同测量数字转换为角度可用如下公式表示：公式表示： 式中：式中：DoutDout为数据输出（为数据输出（RDAXRDAX或或RDAYRDAY） Dout0 Dout0时输出值，一时输出值，一般为般为10241024， 测量角度值测量角度值Sens Sens 设备灵敏度（设备灵敏度（SCA100T- D01:1638, SCA100T- D01:1638, SCA100T- D02:819SCA100T- D02:819）3.系统硬件电路设计系统硬件电路设计图图3.4 3.4 监测基站的硬件结构图监测基站的硬件结构图3.2 3.2 监测基站硬件设计监测基站硬件设计 监测基

15、站安装于塔杆上，主要由控制器、基站监测基站安装于塔杆上，主要由控制器、基站GSMGSM通信模块、串行接口扩展电路、通信模块、串行接口扩展电路、RS.232RS.232接口和无线通接口和无线通信模块。主要完成数据通信、控制和存储的功能。信模块。主要完成数据通信、控制和存储的功能。3.系统硬件电路设计系统硬件电路设计图图3.5 3.5 辅助功能的硬件结构图辅助功能的硬件结构图3.3 3.3 辅助功能装置辅助功能装置 辅助功能的功能包括：视频摄像装置、视频在线监测装辅助功能的功能包括：视频摄像装置、视频在线监测装置和报警装置等。整个装置由用于视频录像的高速球置和报警装置等。整个装置由用于视频录像的高

16、速球1 1、用、用于目标侦查的高速球于目标侦查的高速球2 2、用于储存录像以及报警功能的、用于储存录像以及报警功能的DVRDVR（数字硬盘录像机）和云台构成。（数字硬盘录像机）和云台构成。4.系统软件设计系统软件设计图图4.14.1高压塔杆在线监测系统主程序图高压塔杆在线监测系统主程序图4.系统软件设计系统软件设计4.1倾倾角采集控制程序角采集控制程序设计设计 当基站向传感器发出采集数据的当基站向传感器发出采集数据的指令时，开始倾角采集工作，选择对指令时，开始倾角采集工作，选择对应的传感器通道，并让传感器上电初应的传感器通道，并让传感器上电初始化，准备进入工作方式。对应的传始化，准备进入工作方

17、式。对应的传感器通道打开，倾角传感器完成数据感器通道打开，倾角传感器完成数据采集后通过采集后通过ZigBeeZigBee向基站传送所采集向基站传送所采集的数据，完成数据的采集工作。传感的数据，完成数据的采集工作。传感器断电，进入等待模式。器断电，进入等待模式。图图4.2 4.2 倾角传感器采集数据流程图倾角传感器采集数据流程图4.系统软件设计系统软件设计图图4.3 SPI4.3 SPI通信时序图通信时序图4.1.2倾倾角角传传感器通信感器通信协议协议 本系统采用本系统采用SCAl00TSCAl00T传感器，其控制命令的输入与数据传感器，其控制命令的输入与数据的采集都是采用的采集都是采用SPIS

18、PI方式进行通信。当片选信号为低时，方式进行通信。当片选信号为低时，进入系统的通信状态，当片选信号为高时，传输的数据有进入系统的通信状态，当片选信号为高时，传输的数据有效，每个同步信号对应传输一位数据。主控制器先通过效，每个同步信号对应传输一位数据。主控制器先通过MOSIMOSI引脚向引脚向SCA100TSCA100T发送八位控制命令，再通过发送八位控制命令，再通过MISOMISO引脚引脚接收接收SCAl00TSCAl00T传回的十一位测量数据。传回的十一位测量数据。4.系统软件设计系统软件设计图图4.4 4.4 倾角测量程序图倾角测量程序图4.1.3倾倾角角测测量步量步骤骤 在数据传输过程中

19、由于控制器的在数据传输过程中由于控制器的SPISPI接口只能传送和接受八位有效数据位，为接口只能传送和接受八位有效数据位，为了能接受到十一位的测量数据值，运用软了能接受到十一位的测量数据值，运用软件模拟的方式模拟件模拟的方式模拟SPISPI口，从而采集到十口，从而采集到十一位数据值，如图一位数据值，如图4.44.4所示倾角测量程序所示倾角测量程序图，当接收到采集数据的指令时，倾角传图，当接收到采集数据的指令时，倾角传感器先发送十一位的感器先发送十一位的X X轴数据，再发送十轴数据，再发送十一位的一位的Y Y轴数据，完成数据的测量流程。轴数据，完成数据的测量流程。4.系统软件设计系统软件设计4.

20、24.2报警阈值设定报警阈值设定 在电力部门架设高压塔杆过程中，会根据不同的电压等级选在电力部门架设高压塔杆过程中，会根据不同的电压等级选择不同型号的高压输电塔杆，比如有超高压传输择不同型号的高压输电塔杆，比如有超高压传输500KV500KV、高压、高压200-300KV200-300KV等线路。不同电压等级的电压塔杆的倾角值的设定也等线路。不同电压等级的电压塔杆的倾角值的设定也是不同的，设定合适的阈值更科学合理的判断倾斜事故的发生，是不同的，设定合适的阈值更科学合理的判断倾斜事故的发生，避免误判，造成人力和物力的浪费。避免误判，造成人力和物力的浪费。4.系统软件设计系统软件设计4.2.14.

21、2.1塔杆倾斜值计算塔杆倾斜值计算 当输电塔杆安装完成时，默认塔杆与地面正好是垂直状态，当输电塔杆安装完成时，默认塔杆与地面正好是垂直状态，当塔杆发生倾斜时，根据传感器检测到的倾斜值，系统根据得到当塔杆发生倾斜时，根据传感器检测到的倾斜值，系统根据得到的数据转换成塔杆的倾斜值，根据相似三角形原理，相似三角形的数据转换成塔杆的倾斜值，根据相似三角形原理，相似三角形1 1和和2 2，由倾角传感器采集到的具体倾角值和塔杆的高度，则塔杆，由倾角传感器采集到的具体倾角值和塔杆的高度，则塔杆倾斜值倾斜值S=S=塔杆高度塔杆高度tantan。图图4.5 4.5 倾角测量程序图倾角测量程序图4.系统软件设计系

22、统软件设计4.2.24.2.2塔杆塔杆倾倾斜度斜度计计算算 根据上诉计算得到的塔杆倾斜值根据上诉计算得到的塔杆倾斜值S S，再按照以下公式得到塔杆的，再按照以下公式得到塔杆的倾斜度：倾斜度： 式中：式中：qq塔杆倾斜度；塔杆倾斜度； S S塔杆倾斜值塔杆倾斜值mmmm； H H塔杆顶面或测量点至地面的高度塔杆顶面或测量点至地面的高度mmmm；4.系统软件设计系统软件设计 最后根据表最后根据表4.14.1对照设置不同电压等级的报警阈值，方便监控对照设置不同电压等级的报警阈值，方便监控中心根据设定的值判断是否发生倾斜。中心根据设定的值判断是否发生倾斜。 表表4.1 4.1 各电压等级倾斜度对照表各

23、电压等级倾斜度对照表4.系统软件设计系统软件设计4.3专专家分析系家分析系统统 与其他故障不同的是，电力设备故障的发生并不是瞬间发生的，都有一个潜与其他故障不同的是，电力设备故障的发生并不是瞬间发生的，都有一个潜伏期。塔杆倾斜事故的发生并没有被及时的监测到，塔杆倾斜也并不是很明显，伏期。塔杆倾斜事故的发生并没有被及时的监测到，塔杆倾斜也并不是很明显，但是随着时间的推移，故障会慢慢的演变，在但是随着时间的推移，故障会慢慢的演变，在P P点变成潜在故障，在点变成潜在故障，在P P点故障时点故障时可以被监测到，监控中心及时发现，通知维修人员可以及时排除故障的，可以可以被监测到，监控中心及时发现，通知

24、维修人员可以及时排除故障的，可以做到将故障消灭在萌发状态。如果错过了最佳维修时间，倾斜度会越来越大，做到将故障消灭在萌发状态。如果错过了最佳维修时间，倾斜度会越来越大，随着时间推移将会推迟到随着时间推移将会推迟到F F点，此时故障将会很难及时发现并处理。如果想提高点，此时故障将会很难及时发现并处理。如果想提高监控系统的准确和高效性，就必须在监控系统的准确和高效性，就必须在P P到到F F过程中，抓住这段黄金抢修时间，及过程中，抓住这段黄金抢修时间，及时处理事故的发生。时处理事故的发生。NoImage图图4.64.6塔杆倾斜演变图塔杆倾斜演变图4.系统软件设计系统软件设计4.3专专家分析系家分析系统统NoImage 当传感器将数据采集到并最终传送到当传感器将数据采集到并最终传送到监控中心时，根据所设置的阈值判断是否监控中心时，根据所设置的阈值判断是否发生倾斜，如果发生则通知维修人员及时发生倾斜，如果发生则通知维修人员及时维修，如果没有则将数据输入数据库，绘维修，如果没有则将数据输入数据库，绘制成曲线变换图，拟合成历史数据图并建制成曲线变换图，拟合成历史数据图并建立曲线方程，调用专家分析系统，根据曲立曲线方程，调用专家分析系统，根据曲线的变换趋势，在不考虑偶然因素（比如线的变换趋势，在不考虑偶然因素（比如地震、偷盗和施工）的情况下，其变换与地震、偷盗和施工）的情