全过程、全天候电磁环境监测系统及方法与流程

本发明属于变电站检测领域，尤其涉及一种全过程、全天候电磁环境监测系统及方法。
背景技术：
：目前国内外广泛使用的工频电场的测量仪器大多属于悬浮体场强仪，由于此类场强仪基于悬浮式监测原理，采用绝缘支架进行支撑测试，因此在环境湿度不同的情况下，支架的绝缘程度不同，会导致工频电场有不同程度的畸变，使得仪器读数不同。同时，当环境湿度大于80％或者在雨天时，仪器支架易产生泄露电流，电场畸变较为严重，仪器读数也会偏大很多，因此无法在湿度较高或者阴雨天气下进行监测。如果要做到全过程全天候监测，当前使用的电磁环境的监测仪器还存在以下问题，导致监测工作的开展较为局限：(1)目前使用的电磁环境监测装置多采用电池供电，无法满足长时间工作的需求；(2)目前进行的电磁环境监测工作，往往需要携带电磁环境监测装置、温湿度计、气压计、噪声计等设备，携带仪器较多，操作不方便；因此，当前国内外广泛使用的电磁环境监测仪器无法对输电线路或者变电站的电磁环境数据进行系统地分析，也无法进行实时监视或者对公众提供有说服力的数据。技术实现要素：为了解决现有技术的缺点，本发明的第一目的是提供一种全过程、全天候电磁环境监测系统。本发明的一种全过程、全天候电磁环境监测系统，包括金属固定支架，所述金属固定支架一端接地，另一端连接有三维地参考型电场传感器探头、三维磁场传感器和驻极体电容传声器；所述三维地参考型电场传感器探头，其用于将检测到电场强度信号依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述三维磁场传感器，其用于将检测到磁场强度信号转换成电压信号，再依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述驻极体电容传声器，其用于将采集到噪声转换成电压信号，再依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述微控制器与数据发送与接收模块相连；该全过程、全天候电磁环境监测系统还包括电源模块，所述电源模块为市电或蓄电池。进一步地，所述三维地参考型电场传感器探头，其由三对平行板和一个接地电极组成，每对平行板与一个接地电极之间均由绝缘层填充连接，每对平行板中间也由绝缘层隔开。因为探头是由平板组成的，它使用局限于平坦的地面，对界面上电荷分布的畸变通常是不大的。该系统还包括外置的数字式温湿度集成传感器，所述数字式温湿度集成传感器与微控制器相连。为提高全天候监测过程中温湿度数据的监测精度，特别配置了外置的数字式温湿度集成传感器。数字式温湿度集成传感器外置的好处，一是可以避免元器件长期工作发热使温度数据偏高，二是可以避免内置式使湿度监测不准确。进一步地，该系统还包括数字式气压传感器，所述数字式气压传感器与微控制器相连。本发明还利用数字式气压传感器检测输电线路周围的气压信息并传送至微控制器进行存储。进一步地，所述驻极体电容传声器外部还设置有噪声防风罩。为了保证噪声探头测量的稳定，在驻极体电容传声器外部还设置有噪声防风罩后进行噪声测量。进一步地，所述微控制器通过数据发送与接收模块连接至服务器，所述服务器与监控终端相连。本发明的全天候电磁环境监测系统采用集成化设计，可以对工频电场、工频磁场、噪声、温度、湿度和气压进行定点实时监测，可根据需要部署多个子系统组成分布式监测网络，具有数据存储和数据共享功能，可通过光纤或蓝牙通讯模块将监测信息实时发送至上位机或服务器，与主站进行实时通信，也可以满足雨雪寒暑等各种户外使用条件。进一步地，所述微控制器还与数据存储模块相连。微控制器获得的温湿度、气压、电场强度或磁场强度信号后传送至数据存储模块进行存储，来保证测量数据的后期应用。本发明的第二目的是提供一种全过程、全天候电磁环境监测方法。本发明的一种全过程、全天候电磁环境监测方法，包括：在待监测的交流输电线路正下方，距离输电线路预设距离处进行工频电场监测，并记录环境温度、湿度、气压、噪声和电场值。进一步地，在进行噪声监测时，测点选在法定站界外1m、高度1.2m以上的噪声敏感处，测点距墙面和其他反射面不小于1m，距地板1.2～1.5m。进一步地，在进行噪声监测时，微处理器采用A计权算法对噪声进行测量和评价。本发明的有益效果为：(1)本发明的金属固定支架；一方面，通过固定支架对场强测试仪进行固定支撑；另一方面，通过金属支架，将场强仪的地电位与大地相连，保证场强测试仪所监测的电场环境趋近于稳定状态，从而不受环境湿度的影响，实现工频电场在全湿度范围下的稳定监测。(2)本发明的全过程、全天候电磁环境监测系统实现了工频电场、工频磁场、可听噪声、环境温度、环境湿度、气压等参数的集成监测，为电磁环境信息影响因素的关联分析、设计验证提供数据依据；通过研究监测装置持续供电技术保证装置能够进行全天候24小时持续监测。(3)全天候电磁环境监测系统有全天候长时间连续工作的性能要求，选择最可靠的市电电源或蓄电池供电，其中，蓄电池供电：综合考量临时性测量任务工作时长，将蓄电池容量设计为12小时以上，同时蓄电池由非金属外壳特殊制作封装，减小对监测数据的影响；市电供电：若要满足全天候监测要求，必须引入220V市电对全天候电磁环境监测系统长期供电，在结构设计过程中发现，对电场监测数据影响非常大的有两个模块，一是电源模块，二是有线通讯模块，因此必须采用外置充电器方式供电，并在电路板上加入网线和通讯模块，形成独立的电源通讯服务器，实现全天候电磁环境监测系统长时供电、蓄电池充电、数据有线通信功能。另外，地参考型监测方法中，接地电极也经由此电源模块电路板接地。附图说明图1是本发明的一种全过程、全天候电磁环境监测系统结构示意图。图2是三维地参考型电场传感器探头结构示意图。图3是驻极体电容传声器电转换原理图。图4是场复位置位电路图。图5是温湿度测量电路图。图6是气压测量电路图。图7是电源模块电路图。图8是I位置监测装置工频电场数据对比。图9是II位置监测装置工频电场数据对比。图10是III位置监测装置工频电场数据对比。图11是工频磁场测量对比。具体实施方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：图1是本发明的一种全过程、全天候电磁环境监测系统结构示意图。如图1所示的全过程、全天候电磁环境监测系统，包括金属固定支架，所述金属固定支架一端接地，另一端连接有三维地参考型电场传感器探头、三维磁场传感器和驻极体电容传声器；所述三维地参考型电场传感器探头，其用于将检测到电场强度信号依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述三维磁场传感器，其用于将检测到磁场强度信号转换成电压信号，再依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述驻极体电容传声器，其用于将采集到噪声转换成电压信号，再依次经信号调理电路和A/D转换电路传送至微控制器；所述微控制器与数据发送与接收模块相连；该全过程、全天候电磁环境监测系统还包括电源模块，所述电源模块为市电或蓄电池。其中，为了提高全天候监测过程中电场监测数据的准确度，设计了金属固定支架，可以保证全天候电磁环境监测系统处于一个稳定的工频电场环境中，这样就大大降低环境湿度对电场监测的影响。金属固定支架全高1.5m，在顶部安装全天候电磁环境监测系统，并根据噪声测量规范和经验，在1.2m位置设置45°斜向上安装管，用于安装噪声探头。底部集成设备箱，可将电源通讯服务器埋入式安装，起到防风防雨防晒的作用。需要特别注意的是，进行现场部署时，需要将金属固定支架可靠接地。如图2所示，三维地参考型电场传感器探头，其由三对平行板和一个接地电极组成，每对平行板与一个接地电极之间均由绝缘层填充连接，每对平行板中间也由绝缘层隔开。因为探头是由平板组成的，它使用局限于平坦的地面，对界面上电荷分布的畸变通常是不大的。上下极经屏蔽电缆和电流表连接进行测量。假定没有电场的边缘效应，在传感电极中的感应电荷Q由公式1给出：Q＝Sε0E(1)式中：S——传感平板的面积；E是电场强度；ε0是介电系数。微分感应电荷得到关系：I＝Sωε0E(2)式中：S——传感平板的面积；E是电场强度；ε0是介电系数；ω为电流频率。因为探头是由平板组成的，它使用局限于平坦的地面，对界面上电荷分布的畸变通常是不大的。当探头用于非均匀电场中时，应注意所测场强是在探头表面上的平均场强。地参考型场强仪可以有电池或交流电源来供电，但要求有一参考地点位。其中，驻极体电容传声器由两部分组成：声电转换电路和阻抗变换电路。传声器上的振动膜是一种非常薄的塑料薄片，在薄片上使用特殊技术涂上一层金属薄膜，并通过一定的技术使得薄膜上具有一定的电荷量，有金属的那一面称为驻极体面，驻极体面和被电极相对，他们之间有很小的空气气隙，如图3所示，这样驻极体和背极体形成一个平板电容，当有声音通过空气媒介传播引起振动膜发生偏移了原来的位置，电容两极板之间的距离也发生了变化，由于电容大小与极板间距离有关，因此电容大小发生改变，由于在驻极体上的电荷不变，根据U＝Q/C，电压发生变化，这样就实现了声电信号转换，然后进过场效应管电路实现阻抗变换。其中，驻极体电容传声器外部还设置有噪声防风罩。为了保证噪声探头测量的稳定，在驻极体电容传声器外部还设置有噪声防风罩后进行噪声测量。本发明的三维磁场传感器还与场复位置位电路相连。当传感器处在过强的磁场干扰时，磁阻传感器铁磁薄膜材料中的磁畴会出现随机排列的状态，从而导致其输出受到影响，导致传感器出现非永久性的失效；环境温度的变化也会使输出发生漂移，而置位复位SET/RESET电路可以消除此类影响，使磁阻传感器处于精度高、灵敏度高的工作状态。HONEYWELL公司的HMC1001和HMC1002芯片内部都自带置位/复位电流带，通过单片机STM32的I/O接口产生置位/复位脉冲作用在磁阻传感器的电流带上，大电流产生一个强大磁场，将随机排列的磁畴重新排列，校正到同一个方向上。具体实现电路如图4所示，三路并行置位复位电路，CPU芯片STM32通过控制IO口产生置位复位信号S/R，实现同步产生置位/复位脉冲。在图1中，该系统还包括外置的数字式温湿度集成传感器，所述数字式温湿度集成传感器与微控制器相连。为提高全天候监测过程中温湿度数据的监测精度，特别配置了外置的数字式温湿度集成传感器。数字式温湿度集成传感器外置的好处，一是可以避免元器件长期工作发热使温度数据偏高，二是可以避免内置式使湿度监测不准确。例如：温湿度集成传感器可以采用瑞士Sensirion公司的SHT15，该芯片为数字量输出，功耗低、具有卓越的长期稳定性，采用IIC通讯接口，SMD封装，体积小，相对湿度测量范围为0～100％，分辨率达0.03％，温度测量范围-40～123℃，分辨率为0.1℃，工作电压：2.2V～3.6V，能够测量相对湿度、温度数据。根据其数据手册，DATA引脚需要接10kΩ上拉电阻接至电源DV33，其连接电路如图5所示。温湿度集成传感器也可以采用其他型号的温湿度传感器。在图1中，该系统还包括数字式气压传感器，所述数字式气压传感器与微控制器相连。本发明还利用数字式气压传感器检测输电线路周围的气压信息并传送至微控制器进行存储。在具体实施例中，气压采集采用德国BOSCH公司的BMP085气压传感器，数字量输出，采用IIC总线接口串行通信，BMP085是一款高精度超低功耗气压传感器，采用SMD500封装，具有尺寸小、精度高及稳定性精良等优点，广泛应用于气压测量设备，压力测量范围为300-1100mbar,工作电压：1.8V～3.6V，根据其公司对BMP085的相关文献，对SDA引脚、SCL引脚都需要接2.2kΩ～10kΩ上拉电阻，建议上拉电阻取4.7kΩ，其连接电路如图6所示。数字式气压传感器也可以采用其他型号的气压传感器来实现。本发明中的微控制器可以采用多种系列的单片机来实现。经过综合考虑对比，与其他系列单片机相比，可以选用STM32处理器。其中，STM32是基于ARMCortex-M3内核的32位微控制器，该系列微控制器集成了7通道DMA控制器，2个12位AD转换器，9个通信接口(2个I2C接口，3个UART接口，2个SPI接口，1个CAN接口，1个USB接口)和80个快速I/O端口。该系列微控制器集成度很高，是真正意义上的片上系统，既降低了系统的功耗，又节约了开发成本。该系列单片机使用3.3V电源，片上Flash存储器可实现在系统编程，不仅能够存储程序还能存储数据，片上JTAG仿真电路提供全速的仿真，不占用其他资源。本监测系统的CPU采用了STM32系列单片机中的STM32F103VCT6作为下位机系统的控制芯片。该系统使用STM32F103VCT6的片上资源主要有：UART：光纤或蓝牙通讯；SPI0：气压传感器；SMBus/I2C：温湿度传感器；12位AD转换：电源电量监测、3路磁场、3路电场。在地参考型监测方法的基础上，供电方式选择就可以灵活多变。全天候电磁环境监测系统有全天候长时间连续工作的性能要求，因此不考虑太阳能供电(由天气左右，不稳定)、激光供电(技术不成熟)，而选择最可靠的蓄电池供电和市电电源供电。1)蓄电池供电：综合考量临时性测量任务工作时长，将蓄电池容量设计为12小时以上，同时蓄电池由非金属外壳特殊制作封装，减小对监测数据的影响。2)市电供电：若要满足全天候监测要求，必须引入220V市电对全天候电磁环境监测系统长期供电，在结构设计过程中发现，对电场监测数据影响非常大的有两个模块，一是电源模块，二是有线通讯模块，因此必须采用外置充电器方式供电，并在电路板上加入网线和通讯模块，形成独立的电源通讯服务器，实现全天候电磁环境监测系统长时供电、蓄电池充电、数据有线通信功能。另外，地参考型监测方法中，接地电极也经由此电源模块电路板接地。需要特别注意的是，为保证测量准确度，在全天候电磁环境监测系统使用过程中，必须将外置电源通讯服务器可靠接地。系统供电电源方案设计探头由12V锂电池供电，而电池由220VAC转12VDC充电器充电。由于探头中主控芯片STM32、蓝牙模块、气压传感器BMP085、高精度数字温湿度传感器SHT15等采用3.3V电压,高精度仪表运放芯片AMP04采用±5V差动放大。因此探头内需要±5V和3.3V三种供电电源，为了提供±5V和3.3V电压，需要采用DC/DC电源转换模块将锂电池的12V电压进行转换。本系统设计时采用DC/DC电源模块WRA1205LT和WRB1203LT，电源模块WRA1205LT、WRB1203LT的输入输出隔离电压高，输出电压稳定、输出纹波噪声小，转换效率分别为74％、70％。电源电路设计如图7所示，卧式拨动开关SK-12D07作为探头电源开关，12V锂电池通过JP1接口向系统供12V直流电，分别经DC/DC模块电源WRA1205LT、WRB1203LT电压转换得到±5VAV+、AV-和3.3VDV33。为了减少数字电源和模拟电源的相互干扰，在电路设计时数字电源DV33通过一个47μH的电感隔离得到AV33。为了更好的判断电路是否已供电，在电路中设置了LED3为电源指示灯，当拨动开关SK-12D07打开时，LED3指示灯亮，否则LED3指示灯灭。进一步地，本发明的全天候电磁环境监测系统还包括外壳，外壳选用高强度工程塑料，采用倒扣方式拼装，并使用橡胶螺丝固定，所有接口均处于下端，满足全天候户外使用要求。进一步地，所述微控制器通过数据发送与接收模块连接至服务器，所述服务器与监控终端相连。本发明的全天候电磁环境监测系统采用集成化设计，可以对工频电场、工频磁场、噪声、温度、湿度和气压进行定点实时监测，可根据需要部署多个子系统组成分布式监测网络，具有数据存储和数据共享功能，可通过光纤或蓝牙通讯模块将监测信息实时发送至上位机或服务器，与主站进行实时通信，也可以满足雨雪寒暑等各种户外使用条件。进一步地，所述微控制器还与数据存储模块相连。微控制器获得的温湿度、气压、电场强度或磁场强度信号后传送至数据存储模块进行存储，来保证测量数据的后期应用。全天候电磁环境监测系统从微处理器、供电、电磁场测量、外形要求等角度分析，不仅对工频电场、工频磁场进行实时监测，更集成噪声、温度、湿度、气压等环境信息的监测，更避免工作人员携带监测环境信息的仪器设备，减少工作量。全天候电磁环境监测系统具有数据存储模块，储存空间大，可不间断地对实时监测数据进行储存。本发明的一种全过程、全天候电磁环境监测系统特点如下：(1)微处理器：功耗低、性能优越，节约成本；(2)供电：抗干扰、可靠性强、人性化供电方案设计；(3)电磁场次梁：三维度测量、多级信号调理；(4)可听噪声测量：高灵敏度；(5)温湿度、气压测量：低功耗、稳定性强；(6)外形设计：防水、防尘、无磁。本发明的一种全过程、全天候电磁环境监测方法，包括：在待监测的交流输电线路正下方，距离输电线路预设距离处进行工频电场监测，并记录环境温度、湿度、气压、噪声和电场值。本发明的全天候电磁环境监测系统已通过中国电力科学研究院电力工业电器设备质量检验测试中心的检测，检测数据见表1。表1验证数据标称值(kV/m)仪表示值(kV/m)测量偏差％1.00.951-4.902.01.904-4.805.04.831-3.3810.09.530-4.7015.014.45-3.6920.019.84-0.82通过上表可知，本项目研制的全天候电磁环境监测系统可对环境中的工频电场进行精确测量，在0～20kV/m的测量范围内可以保持较低误差。为了验证本发明的该全天候电磁环境监测系统监测的工频电场是否不受气候条件制约，设计了湿度对工频电磁环境测量仪器测量结果的影响实验。测量仪器采用市场上流行的工频场强仪：美国Holaday公司采用悬浮型工频电场监测探头HI-3604配以远端显示器以及本发明的全天候电磁环境监测系统采用地参考型工频电场监测探头RE3N01配以无线显示终端。本发明的该全过程、全天候电磁环境监测工频电场测量验证实验方法，选择凤凰山交流特高压试验基地500kV凤凰山变电站附近的交流线路进行不同湿度情况下进行测量对比试验，并进行数据记录。由于测试线路段存在结构变换，因此，此段输电线路的工频电场最大值在距离输电线路7～8m处。选择湿度为51.2％，72.2％，85.2％，99.7％(雨天)四次具有代表性的试验数据进行分析，如表2和表3所示。表2工频电场垂直分量HI3604测量值表3工频电场垂直分量RE3N01测量值通过对标准仪器仪器HI3604和本发明的该系统在不同湿度情况下进行趋势分析，如图8至图9所示。对比试验，现象描述如下：1)在51.2％的湿度情况下，仪器HI3604和仪器RE3N01工频电场垂直分析量监测数值近似相等；在72.2％的湿度情况下，仪器HI3604监测数值略有增加，仪器RE3N01监测数值近似不变；整体来看，在环境湿度值小于80％的情况下，两种仪器对工频电场监测状况较为稳定。2)在85.2％的湿度情况下，仪器HI3604监测数值增大较多，在湿度为99.7％时，显示数值增大到4倍左右，而仪器RE3N01工频电场监测显示值略有增加，但较为稳定，且在雨天情况下，依然可以保持较小误差。通过对实验数据的分析，可得到如下结论：1)采用绝缘支架的悬浮型工频电场监测仪器HI3604对工频电场的测量受环境湿度的影响较大，在环境湿度大于80％时，测量偏差最大达到4倍左右，无法准确测量；2)本发明采用金属固定支架的地参考型工频电场测量探头，随着湿度从51.2％增加到99.7％，监测数值略有增加，变化幅度保持在3％以内，由于做不同湿度下的实验时，环境值自身的工频电场值的不同、每次仪器的摆放位置无法完全相同、不同测试时的运行电压等因素都会带来测量误差，因此可认为仪器在不同湿度情况下，测量数值稳定，且在雨天情况下测量，依然可以保持较小误差。为了验证全天候电磁环境监测系统测量工频磁场的准确性，对工频全天候电磁环境监测系统进行现场测量实验。工频磁场现场测量实验与工频电场现场测量实验方法类似，测量仪器以RE3N01与HI3064为例，地点选择凤凰山交流特高压实验基地500kV凤凰山变电站进行工频磁场现场测试，选择实验输电线路线段下方，距离线路2m处，距离线路4m处，到距离线路10m处进行测量，并进行数据记录。RE3N01与HI3064的试验数据记录如下表4和表5所示。表4工频磁场垂直分量HI3604测量值表5工频磁场垂直分量RE3N01测量值通过对标准仪器和本发明的全天候电磁环境监测系统进行误差对比分析，分别如图11和表6所示。表6工频磁场测量误差分析测试位置工频磁场误差(uT)误差百分比线路正下方-0.015-0.56％2m处-0.024-0.92％4m处-0.012-0.47％6m处-0.008-0.35％8m处-0.010-0.40％10m处-0.014-0.63％对比试验，现象描述如下：在线路正下方到距线路10m处，仪器HI3604与仪器RE3N01测量的最大误差保持在1％之内，两仪器测试数据均较为稳定，波动较小。通过对实验数据的分析，可得到如下结论：本发明的全天候电磁环境监测系统在现场测量情况与市面上常用的HI36042工频磁场测量仪器在实验线路段对工频磁场的测量误差保持在1％以内，由于两仪器自身存在的测量误差、仪器摆放的位置无法完全相同等因素都会对测量结果造成影响，因此本发明的全天候电磁环境监测系统对工频磁场的测量数值稳定，精确度较高，可适应于现场多种复杂的测量环境。在进行噪声监测时，测点选在法定站界外1m、高度1.2m以上的噪声敏感处，测点距墙面和其他反射面不小于1m，距地板1.2～1.5m。另外，在进行噪声监测时，微处理器采用A计权算法对噪声进行测量和评价。A计权算法为现有的算法，此处将不再累述。本发明的全过程、全天候电磁环境监测系统实现了工频电场、工频磁场、可听噪声、环境温度、环境湿度、气压等参数的集成监测，为电磁环境信息影响因素的关联分析、设计验证提供数据依据；通过研究监测装置持续供电技术保证装置能够进行全天候24小时持续监测。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。当前第1页1 2 3