专利申请(样本)

1、说 明 书基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测系统技术领域本发明属于输变电设备状态在线监测技术领域，涉及一种输电线路舞动在线监测系统，具体涉及一种基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测系 统。背景技术架空输电线路受自然条件的影响会发生多种灾害事故，而输电线路舞动是其中较为严重的一种灾害。输电线路舞动是在特殊气象条件下发生了大面 积雨淞天气，使得架空输电线路表面覆冰，输电线路在风的作用下产生低频 率、大振幅的自激振动。输电线路舞动轻者导致输电系统发生闪络和跳闸， 重者使输电系统发生金具及绝缘子损坏、导线断股、断线，杆塔螺栓松动和 脱落，甚至倒塔，导致重大电网事故。造成输电线路舞动的因素很多，其

2、中 舞动半波数对输电线路舞动的波形影响较大， 不同舞动半波数导致输电线路 舞动差异很大。具体来说，常见的舞动半波数主要有 1个、2个、3个和4 个。5个及以上半波数的舞动幅值较小，不致引起输电线路故障。近年来，受灾害性气象条件的影响，架空输电线路舞动事故发生的频率 和强度明显增加，造成了巨大的经济损失，严重影响了电网的安全运行，对 输电导线舞动进行有效监测成为当务之急。目前，对输电线路舞动的监测， 是在覆冰在线监测系统的基础上通过监测舞动的频率等信息来进行计算，判断输电线路是否舞动。由于输电线路舞动受随机因素影响大，使得舞动数学 模型不确定，造成计算不准确。同时，输电线路的舞动特征随不同影响参

3、量 而变化，仅仅监测舞动频率等相关的参量很难准确反映输电线路的舞动波 形。发明内容本发明的目的是提供一种基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测 系统，实时在线监测输电线路的舞动，能准确反映输电线路的舞动波形，对 输电线路舞动进行直接有效的监测。本发明所采用的技术方案是， 与权利要求对应，暂时不写 本发明监测系统的特点：1. 采用加速度传感器测量相应监测点处的位移加速度， 通过对输电线路 运动轨迹的拟合，实现对输电线路舞动最直接、最直观的监测，大大提高了 监测的精度。2. 采用 ZigBee 技术，通过 ZigBee 节点方便地组网，实现了低成本、低 耗电、网络节点多、传输距离远的加速度无线传感

4、器网络。3. 采用GPRS无线通信技术进行数据传输与控制，避免了传统数据传输 方式带来的电缆施工，大大降低了施工的难度和系统安装成本；系统既可连 续安装又可离散安装。4. 采用各种低功耗、超低功耗的传感器和微处理器芯片，大大降低了系 统的功耗；采用太阳能加蓄电池充放电电路，为系统提供稳定的电源，使得 系统可以连续、长期、稳定地在野外工作。5. 采用 B/S 模式实现远程监控， 客户端免维护， 使系统的分布相对集中， 有利于系统的维护，具有较好的可扩展性以及灵活性；6. 基于对前期导线舞动相关数据的研究， 监控中心的上位机软件嵌入了 多种智能算法，大大减小了数据的误差，提高了数据的拟合精度； 附

5、图说明图 1 是本发明监测系统一种实施例的结构示意图；图 2 是本发明监测系统中杆塔监测分机的结构示意图；图 3 是本发明监测系统中的无线加速度传感器节点的结构示意图；图 4 是本发明监测系统中电源模块的结构示意图；图 5 是本发明监测系统中的无线加速度传感器节点的程序流程图；图 6 是本发明监测系统中杆塔监测分机的流程图。图中，1.无线加速度传感器节点，2.杆塔监测分机，3.GPRS通信模块，4.监控中心， 5.电源模块， 6.微处理器单元， 7.ZigBee 通信模块， 8.数据存 储单元， 9.液晶显示模块， 10.雨量传感器， 11.压力传感器， 12.角位移传 感器， 13.温湿度传

6、感器， 14.风速传感器， 15.风向传感器，日照强度传感 器， 17. 舞动信息信号处理单元， 18. 加速度传感器。其中， 5-1. 太阳能电池， 5-2. 充电保护电路， 5-3. 场效应管 A， 5-4.+12V 蓄电池， 5-5. 场效应管 B， 5-6. 放电保护电路， 5-7 定时断电复位电路， 5-8. +5V电源稳压器，7-1.无线单片机，7-2.外部天线，7-3.印刷版微波传输线。 具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 本发明监测系统一种实施例的结构，如图 1 所示，包括多个无线加速度 传感器节点1、多个杆塔监测分机2、GPRS1信模块3、监控中心4

7、和电源 模块 5。无线加速度传感器节点 1，用于采集输电线路监测点的位移加速度信号，并将采集的信号传输给杆塔监测分机 2；杆塔监测分机 2 用于监测采集输电线路周围环境的局部气象信息和杆塔 线路的覆冰状况信息，用于接收无线加速度传感器节点 1 发送的信号，用于 将采集的信息和接收到的信号进行分析处理、储存和显示，并将处理得到的 数据送到GPR通信模块3,且一个杆塔监测分机2用于接收若干无线加速度 传感器 1 传输的信号；GPRS通信模块3采用H7118C GPRS DTU用于接收杆塔监测分机2发送 的信息,并将接收到的信息传输至监控中心 4,用于接收监控中心 4 发出的 指令,并将接收到的指令

8、传输给杆塔监测分机 2；监控中心4,用于发出指令，并将该指令发送给 GPRSS信模块3,用于 接收GPRS1信模块3发送的数据，对接收到的数据进行处理、分析和存储；电源模块 5 由蓄电池、太阳能电池板和太阳能充放电电路组成,用于为 无线加速度传感器节点1、杆塔监测分机2和GPRS1信模块3提供稳定的 5V及12V电源。各无线加速度传感器节点 1 都具有独立的控制器和电源, 多个无线加速 度传感器节点 1 组成传感器网络。本发明监测系统中杆塔监测分机 2的结构,如图 2所示,包括微处理器 单元 6,微处理器单元 6 分别与电源模块 5、 ZigBee 1信模块 7、数据存储 单元 8、液晶显示单

9、元 9和舞动信息信号处理单元 17相连接,舞动信息信号 处理单元 17 分别与雨量传感器 10、压力传感器 11 、角位移传感器 12、温湿 度传感器 13、风速传感器 14、风向传感器 15和日照强度传感器 16相连接。杆塔监测分机 2主要完成输电线路周围环境气象信息以及杆塔线路环境 温湿度、风速、风向、雨量、日照强度、杆塔处线路的拉力和风偏角等信息 的采集，并将接收到的无线加速度传感器节点 1 发送的数据进行处理、 打包， 并存储重要信息，同时控制液晶显示和 GPRS通讯等。杆塔监测分机2中的 微处理器单元6选用TI公司的16位MSP430F24微处理器，具备超低功耗 和丰富的外设，具有1

10、个带有3个比较/捕获通道的16位定时器A和1个带 有7个比较/捕获通道的16位定时器B,微处理器内部集成了多个12位ADC 模块，可以快速处理各种数字信号、模拟信号以及脉冲信号，该微处理器除 了活动模式外还有 4种低功耗模式，在实现高性能的同时，降低系统功耗。温湿度传感器13选用瑞士 Sensirion公司基于CMOSensT技术的温湿 度传感器SHT1x该传感器将CMO芯片技术与传感器技术相结合，并带有工 业标准的 I2C 总线数字输出接口，湿度值和温度值的输出分辨率分别为 14 位和12位，并可编程为12位和8位。该传感器测量时的电流消耗为 550吩， 平均为28吩，休眠时为3吩，并且具有

11、很好的稳定性。风速传感器14采用低门槛值（0.4m/s ）、测量范围075m/s的三杯式 光电风速传感器 WAA1，5 其输出信号为脉冲信号，信号频率与风速成正比， 通过单位时间内的计频完成风速测量。风向传感器 15 为单翼风标，风标转动时，带动格雷码盘（七位，分辨 率为 2.80）转动，格雷码盘每转动 2.80，光电管组产生新的七位并行格雷码 数字信号输出。雨量传感器 10采用翻斗雨量传感器，输出脉冲信号。角位移传感器12和压力传感器11分别输出05V的模拟信号，该模拟 信号直接输入接到微处理器单元 6 的模拟 I/O 进行处理。日照强度传感器16采用锦州阳光科技发展有限公司的 TBQ-2传

12、感器， 用于测量日照强度，该传感器输出020mV勺模拟电压信号，经过多极放大后调制为02.5V的模拟信号杆塔监测分机 2 的微处理器单元 6 为 3.3V 低功耗系统，很多输入输出 信号不匹配，为此系统中采用了大量的保护电路，同时由于工作在 2.4G 频 率带上的 ZigBee 节点，系统采用了高频干扰，在杆塔监测分机 2 中采取了 多种抗干扰措施，确保了杆塔监测分机 2 工作的稳定性。本发明监测系统中无线加速度传感器节点 1 的结构，如图 3 所示，包括 相连接的 ZigBee 通信模块 7 和加速度传感器 18，ZigBee 通信模块 7 包括无 线单片机 7-1，无线单片机 7-1 的引

13、脚 16、引脚 17和引脚 18分别与加速度 传感器 18的引脚 12、引脚 10 和引脚 8 相连接，无线单片机 7-1 的引脚 44 与电容C1串联，电容C1接地，无线单片机7-1的引脚43与电容C2串联， 电容C2接地，引脚44与引脚43之间并联有晶振1;无线单片机7-1的引脚 19与电容C5串联，电容C5接地，无线单片机7-1的引脚21与电容C4串联， 电容C4接地；无线单片机7-1的引脚32分别与电感L2的一端和印刷版微 波传输线 7-3 的一端相连接，电感 L2 的另一端与无线单片机 7-1 的引脚 34 相连接，印刷版微波传输线 7-3 的另一端分别与电感 L2 的另一端、引脚

14、34 和电感L3的一端相连接，电感L3的另一端与电容C3串联，电容C3与外部 天线7-2相连接。加速度传感器18采用三轴加速度传感器 ADXL330三轴加速度传感器ADXL33C功耗低、灵敏度高，最大测量范围为+/-3g , X轴和Y轴的带宽为0.51600Hz Z轴带宽为0.5550Hz; ZigBee通信模 块7采用TI公司的低功耗芯片CC2430工作时的电流损耗为27mA在接收 和发射模式下，电流损耗分别低于 27 mA或25 mA可提供模拟电压输出， 能测量出任意时刻输出导线沿 X轴、丫轴和Z轴三个方向的位移加速度分量。ZigBee通信模块7基于TI公司的低功耗芯片CC2430采用了非

15、平衡天线和与其相连接的非平衡变压器。非平衡变压器由电感L1、电感L2和印刷版微波传输线7-3组成，能满足RF输入/输出匹配电阻（50Q）的要求，为 了进一步提高无线传输距离，增加了接收天线，该接收天线由电容C3电感 L3H和外部天线7-3构成；晶振1、电容C1和电容C2为无线单片机7-1提 供32.768KHZ的时钟源；晶振2、电容C4和电容C5为无线单片机7-1提供 32M的时钟源。加速度传感器18三个方向的输出引脚12、引脚10和引脚8 分别接到无线单片机 7-1 的模拟输入引脚 16、引脚 17 和引脚 18，实现了无 线单片机 7-1 对加速度传感器 18 产生的信号数据的采集。无线加

16、速度传感 器节点 1 由两节串联的 1.5 伏电池提供 3 伏电源。在一段输电线路上布置若 干个无线加速度传感器节点 1 ，各无线加速度传感器节点 1 共同组成树状的 无线加速度传感器网络，该传感器网络中，路由器节点和终端节点定时 / 实 时发送各自的三个方向的加速度分量至杆塔监测分机 2 的接收模块（协调器 节点），同时各路由器节点还负责该传感器网络中数据的中继。协调器节点 一方面负责整个网络的维护工作， 另一方面将接收的数据发送给杆塔监测分 机 2 的微处理器单元 6。本发明监测系统中电源模块 5 的结构，如图 4 所示，包括依次并联设置 的太阳能电池5-1、电阻R1、充电保护电路5-2、

17、场效应管A5-3、+12V蓄电 池5-4、放电保护电路5-6、定时断电电路5-7和+5V电源稳压器5-8，太阳 能电池5-1的正极和负极分别与+12V蓄电池5-4的正极和负极相连接，太阳 能电池5-1和+ 12V蓄电池5-4的负极接地，太阳能电池 5-1的正极与+12V 蓄电池5-4的正极之间串联有二极管 D1,二极管D1位于+12V蓄电池5-4和 场效应管A5-3之间，二极管D1的负极与+12V蓄电池5-4的正极相连接，场 效应管A5-3还与充电保护电路5-2相连接，电阻R2与放电保护电路5-6之 间连接有场效应管B5-5,场效应管B5-5与+12V蓄电池5-4的负极相连接。本监测系统在野外

18、工作，很难取电，电源模块 5 采用太阳能加蓄电池的 供电模式，为系统提供稳定的 5 伏和 12 伏电源。并采用了充电保护电路 5-2 、 放电保护电路 5-6 和定时断电复位电路 5-7。二极管 D1 用于阴雨天和夜晚无 太阳光时，+12V蓄电池5-4对太阳能电池5-1放电；电阻R1和电阻R2为 压敏电阻，用于防雷击保护；场效应管 A5-3 用于充电控制，场效应管 B5-5 用于放电控制。GPRS通信模块3支持双频GSM/GPRS符合ETSI GSMPhase 2+标准，数 据终端永远在线，支持 A5/1&A5/5 加密算法、透明数据传输与协议转换，支 持虚拟数据专用网、短消息数据备用

19、通道（选项） ，支持动态数据中心域名 和IP地址，支持RS-232/422/485或以太网接口，可通过 Xmoder、议进行 软件升级，并具备自诊断、告警输出和抗干扰性能，适于电磁环境恶劣环境 中应用的需求，该模块采用先进电源技术，供电电源适应范围宽，稳定性较 好，选配防潮外壳，适合室外使用。可直接与监控终端设备连接，实现 GPRS 拨号上网功能。该模块性能稳定，足以满足系统设计需要。本监测系统中各个无线加速度传感器节点 1 为了降低功耗， 上电后就处 于睡眠状态（低功耗状态） ，当接收到协调器节点发送的采集加速度值的命 令后，即刻从休眠模式转到主动模式，开始采集监测点处输电导线三个方向 的位

20、移加速度值，并将采集的位移加速度值发送给协调器节点，发送成功后 无线加速度传感器节点 1 再次转入睡眠模式，其流程图，如图 6 所示。杆塔监测分机 2 的流程图，如图 7 所示，杆塔监测分机 2 上电自检成功 后，为减少系统的功耗，转入低功耗模式。当杆塔监测分机 2 接收到监控中 心 4 发出的采集和发送数据的命令后，立刻从低功耗模式转入活动模式，一 方面让安装于杆塔监测分机 2 上的协调器节点向其它节点发送采集加速度值 的命令，另一方面微处理器单元 6 开始采集杆塔上各个传感器发出的信号， 当两路数据全部采集完毕后，微处理器单元6控制GPRS通信模块3,将采集 的数据发送至监控中心 4，数据

21、发送成功后，杆塔监测分机 2 再次转入低功 耗状态。本发明监测系统的工作过程：将传感器网络的各节点安装于输电导线的特征点上，在输电导线运动过 程中协调器节点命令其它各节点控制器，通过加速度传感器 18 采集输电导 线各监测点在运动过程中三个坐标的位移加速度分量。终端节点、路由节点 与协调器节点之间采取树形网络拓朴结构，利用 ZigBee 无线方式进行短距 离通信，将采集的信息发送至杆塔监测分机 2。杆塔监测分机 2 一方面集中 各传感器节点上传的信息，另一方面通过对输电线路覆冰厚度（杆塔线路处 的拉力、风偏角）、气象信息（温度、湿度、风速、风向和雨量等），计算 出一些重要的输电线路舞动信息，

22、并对该两部分信息进行分析和相应的数据 处理后，将处理后的数据通过GPRSI信模块3远距离无线输送到监控中心4。 监控中心 4根据接收到的实时输电线路舞动信息数据进行不同的处理， 对相 应的数据进行拟合， 实时生成输电导线某一监测点在不同时期的位移变化图 以及整条输电线路的位移变化图， 还可以根据得到的相关信息预测未来某一 时刻输电线路位移变化的图形。本发明监测系统， 实时/ 定时采集输电线路各监测点处三个方向的位移加 速度值，经过定量计算和定性分析，准确得到输电线路各监测点处的相对位 移，并拟合出输电线路在每一时刻的运动轨迹，实现了对输电线路导线舞动 最直接、最有效的监测。说明书附图110数齬

23、存储单元舞动信息信号处理单元16图2（图中17是独立的一个单元？如是自己设计的，请给出该单元的结构图）Ni理胱通信模块1S12101 丁输入信号812无线 单片机YZ速传S 加度感I 4 C52I 4IHDq晶振zJ晶振1匚二I寸图3D1C233| nL3输出+12U工阳X能电UR1*十+12VPF池图4充电 保护 电路电护路放保电时电位路. 定断M-电电源 稳压权利要求书1. 基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测系统，其特征在于，该监测系统包括多个无线加速度传感器节点 （1）、多个杆塔监测分机（2）、GPRS 通信模块（3）、监控中心（4）和电源模块（5）,其中，无线加速度传感器节点（1）

24、用于采集输电线路监测点的位移加速度信号，并将采集的信号传输给杆塔监测分机（2）;杆塔监测分机（2）,用于监测采集输电线路周围环境的局部气象信息和杆塔线路的覆冰状况信息，用于接收无线加速度传感器节点（1）发送的信号，用于将采集的信息和接收到的信号进行分析处理、储存和显示，并将 处理得到的数据送到GPRSS信模块（3）,且一个杆塔监测分机（2）用于接 收若干无线加速度传感器节点（1）发送的信号；GPRSS信模块（3）采用H7118CGPRSDTU用于接收杆塔监测分机（2） 发送的信息，并将接收到的信息传输至监控中心（4）,用于接收监控中心（4） 发出的指令，并将接收到的指令传输给杆塔监测分机（2）

25、;监控中心（4）,用于发出指令，并将该指令发送给 GPRSI信模块（3）, 用于接收杆GPRSB信模块（3）发送的数据，对接收到的数据进行处理、分 析和存储；电源模块（5）,用于为无线加速度传感器节点（1）、杆塔监测分机（2） 和GPRSI信模块（3）提供稳定的5V及12V电源。2. 按照权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述的无线加速度 传感器节点（1）包括相连接的ZigBee通信模块（7）和加速度传感器（18）, 所述的加速度传感器（18）采用三轴加速度传感器 ADXL330所述的ZigBee 通信模块（7）包括无线单片机（7-1 ）,无线单片机（7-1、的引脚16、引脚17和引脚 1

26、8分别与加速度传感器（ 18）的引脚 12、引脚 10和引脚 8 相连 接，无线单片机（7-1 ）的引脚44与电容C1串联，电容C1接地，无线单片 机（7-1 ）的引脚43与电容C2串联，电容C2接地，无线单片机（7-1 ）的 引脚 44与引脚 43 之间并联有晶振 1，无线单片机（ 7-1 ）的引脚 19与电容 C5串联，电容C5接地，无线单片机（7-1 ）的引脚21与电容C4串联，电容 C4接地，无线单片机（7-1 ）的引脚32分别与电感L2的一端和印刷版微波 传输线（ 7-3）的一端相连接，电感 L2 的另一端与无线单片机（ 7-1 ）的引 脚 34 相连接，印刷版微波传输线（ 7-3）的另一端分别与电感 L2 的另一端、 引脚34和电感L3的一端相连接，电感L3的另一端与电容C3串联，电容C3 与外部天线（ 7-2）相连接。3. 按照权利要求 1 或 2 所述的监测系统，其特征在于，所述的杆塔监 测分机（ 2）的结构包括：微处理器单元（ 6）分别与数据存储单元（ 8）、液 晶显示单元（ 9）和舞动信息信号处理单元（ 17）相连接，舞动信息信号处 理单元（1