一种变电站地震监测仪及地震监测方法与流程

本发明涉及电网防灾减灾技术领域，具体涉及一种变电站地震监测仪及地震监测方法。

背景技术：

作为重要的基础设施，电网系统的震损在带来严重经济损失的同时，将严重影响震区的抗震救灾和生产生活恢复。2008年汶川8.0级地震中四川电网有22座220kv及以上等级变电站受损；2010年玉树7.1级地震中，全县3条35kv线路中有2条受损，全县9条10kv线路全部受损。特高压电网目前还未受到较大地震灾害的影响，但由于其输电容量大，若发生震损影响范围将更广。在国外，1989年美国lomaprieta大地震中电力系统的损害严重，两座230kv和500kv的变电站的破坏造成140万用户断电。2011年3月日本外海发生的9.0级地震中，福岛核电机组最初实现了安全停堆的设计功能，但外部电源和应急电源的失效使冷却系统无法发挥作用而导致堆芯温度升高和氢气爆炸。

地震监测是变电站运行阶段针对地震灾害风险的重要感知方式，是电网灾害评估的重要依据。针对变电站开展地震监测，可为地震后变电站电气设备受损情况评估提供依据，从而提高震后变电站抢修效率。

现有地震监测仪存在如下几个问题：

(1)现有地震监测仪以进口为主，不掌握核心的软硬件开发技术，后续系统更新、维护和升级受制于人，且成本高昂，极大地限制了相关技术大规模推广应用。

(2)大部分现有地震监测仪面向铁路、核电等工业领域，并不完全适应变电站地震监测场景。而国家地震台网受监测点分布密度等因素制约，其数据难以满足变电站地震监测要求。

鉴于以上问题，已有的地震监测仪难以满足变电站地震监测要求。因此有必要专门开发面向变电站地震监测仪。

技术实现要素：

为解决现有铁路、核电等工业领域所采用的地震监测仪受成本、使用功能的限制不能完全适用于变电站地震监测场景，本发明提供了一种变电站地震监测仪，包括：信息采集模块、通信模块和地震分析模块；

所述地震分析模块基于所述采集模块收集的地震监测信息进行分析确定地震情况，然后通过所述通信模块发送至云服务。

优选的，所述信息采集模块包括：多个加速度传感器和数据采集电路；

所述加速度传感器，用于采集变电站的地震加速度，并输出相应的电信号；

所述数据采集电路，用于将所述多个加速度传感器输出的电信号进行汇总，并将汇总的电信号转换为数字信号，同时将所述数字信号发送至所述地震分析模块。

优选的，所述地震分析模块，包括：分析子模块和预警子模块；

所述分析子模块，用于将所述数据采集电路发送的数字信号输入到预先构建的地震预测模型中，得到地震情况；

所述预警子模块，用于基于所述分析子模块得到的地震情况进行预警并将预警信息通过通信模块发送至云服务；

其中，所述地震预测模型基于历史地震加速度与所述历史地震加速度对应的地震等级进行训练得到。

优选的，所述信息采集模块还包括信号调理电路；

所述信号调理电路，用于将所述多个加速度传感器输出的地震加速度对应电信号进行抗混滤波处理，并将处理后的信号传输至数据采集电路。

优选的，所述信号调理电路采用二阶巴特沃兹滤波器。

优选的，还包括防护外罩；

所述信息采集模块、通信模块和地震分析模块均位于所述防护外罩内部。

优选的，所述多个加速度传感器均匀分布在所述防护外罩内壁上。

优选的，所述加速度传感器采用adxl354和akf390-20三轴传感器的冗余设计。

优选的，所述数据采集电路采用stm32f373rct6芯片。

基于同一发明构思本发明还提供了一种变电站地震监测仪监测地震的方法，包括：

信息采集模块收集地震监测信息；

地震分析模块对所述地震监测信息进行分析确定地震情况，然后通过所述通信模块发送至云服务。

优选的，所述信息采集模块收集的地震监测信息，包括：

加速度传感器采集变电站的地震加速度，并输出相应的电信号；

数据采集电路将所述多个加速度传感器输出的电信号进行汇总，并将汇总的电信号转换为数字信号，同时将所述数字信号发送至所述地震分析模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一种变电站地震监测仪，包括：信息采集模块、通信模块和地震分析模块；所述地震分析模块基于所述采集模块收集的地震监测信息进行分析确定地震情况，然后通过所述通信模块发送至云服务。本发明提供的技术方案适用于对变电站周围地震信息的监测。

2、本发明提供的地震分析模块采用预先训练好的地震分析模型准确的预估了设定时间段内变电站所处位置的地震情况。

附图说明

图1为本发明的一种变电站地震监测仪整体结构示意图；

图2为本发明的一种变电站地震监测仪中电源管理模块、加速度传感器电路原理图；

图3为本发明的一种变电站地震监测仪中加速度传感器信号处理部分原理图；

图4为本发明的一种变电站地震监测仪中数据采集电路原理图；

图5为本发明的一种变电站地震监测仪中信号调理模块原理图；

图6为本发明的一种变电站地震监测仪中接口电源管理电路原理图；

图7为本发明的一种变电站地震监测仪中电源管理模块电路原理图；

图8为本发明的一种变电站地震监测仪在监测点的安装固定方式示意图。

具体实施方式

为了确保满足变电站地震监测的基本功能和性能需求，同时能够以低成本的方式进行推广，特提出如下的一种变电站地震监测仪硬件设计方案。以达到以下目的：

1、可以提供相关测点的实时地震动信号数据；

2、系统安装部署和升级维护简单，具有高可靠度；

3、低成本，具备数据当地保存和在线上传云终端的能力。

实施例1：

本发明提供一种变电站地震监测仪，如图1所示，包括：信息采集模块、通信模块和地震分析模块；

所述地震分析模块基于所述采集模块收集的地震监测信息进行分析确定地震情况，然后通过所述通信模块发送至云服务。

具体包括：

信息采集模块包括：多个加速度传感器、数据采集电路和信号调理电路；所述加速度传感器，用于采集变电站的地震加速度，并输出相应的电信号；所述数据采集电路，用于将所述多个加速度传感器输出的电信号进行汇总，并将汇总的电信号转换为数字信号，同时将所述数字信号发送至所述地震分析模块，这里的数据采集电路硬件采用mcu；信号调理电路，用于将所述多个加速度传感器输出的地震加速度对应电信号进行抗混滤波处理，并将处理后的信号传输至数据采集电路。

变电站地震监测仪的硬件架构具体结构如图1所示。

1、加速度传感器选型。通过比较市面上常用的地震监测类传感器，本专利选择icp(integratedcircuitspiezoelectric)加速度传感器。它内置的压电传感器，采用现代集成电路技术将传统的电荷放大器置于传感器中，所有高阻抗电路都密封在传感器内，并以低阻抗电压方式输出。输出电压幅值与加速度成正比。icp加速度传感器相比电荷式传感器具有如下优点：

(1)不需要联结电荷放大器，使用方便、灵活、特别适用于现场测试及在线监测。

(2)精度高。不易受现场干扰，由于icp传感器输出的就是放大的信号，所以干扰对其影响小，信噪比高。即使在恶劣的工厂环境下，icp加速度传感器也可以利用普通的同轴电缆对电压信号进行远距离的传输。icp加速度传感器需要恒流源为其供电。

地震监测仪主要采集场地地表的地震加速度信号，可选用mems加速度传感器。按照敏感信号方式，mems加速度大致可以分为：电容式、压阻式、压电式等类型，按照其工作原理，有以下特点如表1所示：

表1mems加速度传感器特点

考虑到量程、灵敏度、噪声等方面指标，目前有很多mems传感器可用于强震观测应用，如表2所示。本发明专利考虑采用adxl354和akf390-20两种三轴传感器的冗余设计，两种型号的传感器互为备份，提供地震监测的可靠性，加速度传感器电路原理图和信号处理部分原理图分别如图2和图3所示。

2、信号调理电路即低通滤波电路。

信号调理电路需要抑制一定频率范围内的噪声和干扰，使用合适的滤波器对信号进行抗混滤波，从而提高电路的信噪比。本专利选用性能稳定、增益容易调节的二阶巴特沃兹滤波器。

低通滤波器是指设定的截止频率以下的低频信号能通过而过滤掉过于截止频率的信号的滤波器，为了使滤波器特性更接近于理想状况，通常使用二阶低通滤波器。最后，确定设计的滤波电路为二阶巴特沃兹低通滤波电路，原理图如图5所示。

3、数据采集电路。

本专利振动监测系统中数据采集电路硬件采用mcu，具体选择stm32f373rct6芯片作为主控制器。与本专利所涉及的性能参数如下：

(1)基于armcortex-m4内核的开发板，最高主频为72mhz；

(2)一个12位，1.0μsadc(多达16个通道)；

(3)三个16位σ—△adc；

(4)三个12位dac通道；

(5)通信接口：

——can接口(2.0)

——两个i²c口

——三个usarts口

——三个spi口

由于本系统需要同时采集6路传感器模拟信号，还有与4g通信模块的连接等。参照芯片手册，相关性能满足要求。主控芯片电路原理图见图4所示。

4、通信模块的网络功能实现。

采用sim7600g-hjetsonnano4g扩展板实现系统的网络通信功能，将采集到的地震信号传输到云终端，sim7600g-hjetsonnano4g扩展板基本参数如下。

基本技术特性及参数：

1)基于gpio40pin接口设计，方便直接插到jetsonnano上

2)支持拨号上网、电话、短信、邮件、tcp、udp、dtmf、http、ftp等功能

3)支持gps、北斗、glonass、lbs基站定位

4)板载usb接口，可用于测试at指令、获取gps定位信息等

5)引出模组uart等控制接口，方便接入arduino/stm32等主控板

6)板载sim卡槽，支持1.8v和3vsim卡

7)板载3.5mm音频接口，带耳机和麦克风功能，可用于双向通话

8)板载2个led指示灯，方便查看模块运行状态

9)板载电平转换电路，可通过跳线帽切换3.3v/5v工作电平

10)支持波特率范围：300bps～4mbps(默认为115200bps)

11)支持自动识别波特率(9600bps～115200bps)

12)支持at命令控制(基于3gppts27.007，27.005和v.25ter命令集)

13)支持sim应用工具包：sat等级3，gsm11.14release99，usat模块的gnss参数

1)接收

——16个通道

——c/acode

2)灵敏度

——追踪：-159dbm(gps)/-158dbm(glonass)/tbd(北斗)

——冷启动：-148dbm

3)首次定位时间(开阔地)

——冷启动：<35s

——热启动：<1s

工作环境要求参数：

——供电电压：5v

——工作电压：5v/3.3v(可通过跳线帽切换)

——工作温度：-30℃～80℃

——存储温度：-45℃～90℃

扩展板的4g/3g/2g参数见表3所示：

5、云服务。

通过通信模块为控制器提供网络功能，便于系统将采集信号通过公网上传云服务器，整合相关所有站点的数据和相关计算资源，从而实现数据的统一调度和监测，极大提高了数据的使用效率。

6、电源管理模块。

该模块为地震监测仪的相关芯片和元件提供对应电源，地震监测仪的电源管理模块原理图见图6和图7。

7、该地震监测仪的安装固定采用铸铝防护外罩，固定于监测点所在结构主体。地表的地震监测点可采用图8所示的方式布置于站内空地中，也可布置于基础加强的柜体内。主控楼内的地震监测点可布置于人为扰动少的区域，优选靠近梁柱节点或基础底板的位置。

8、地震分析模块

地震分析模块，包括：分析子模块和预警子模块；

所述分析子模块，用于将所述数据采集电路发送的数字信号输入到预先构建的地震预测模型中，得到地震情况；

所述预警子模块，用于基于所述分析子模块得到的地震情况进行预警并将预警信息通过通信模块发送至云服务；

其中，所述地震预测模型基于历史地震加速度与所述历史地震加速度对应的地震等级进行训练得到。

该地震分析模块可通过微处理器实现。

通过本专利的一种变电站地震监测仪硬件设计方案，可以有效克服常规方案的不足。可为相关设备用户提供低成本、高可用方案，为相关技术的大规模部署提供可能。

1、本发明设计一种变电站地震监测仪硬件设计方案，方案由传感器选型、信号调理电路、数据采集电路、电源管理模块、网络模块等实现组成。

2、本发明专利考虑采用两种不同型号的三轴mems传感器的冗余设计，两种型号的传感器互为备份，提供地震监测的可靠性。

3、调理电路综合采用交流耦合、低通滤波、运算放大、电压跟随等手段极大提高了信号的信噪比，并且通过传感器监测电路等方式进一步提高了系统的可靠性和用户友好性。

4、通过4g网络实现模块为控制器提供网络功能，便于系统将采集信号通过公网上传云服务器，整合相关所有站点的数据和相关计算资源，从而实现数据的统一调度和监测，极大提高了数据的使用效率。

5、该地震监测仪的安装固定采用铸铝防护外罩，固定于监测点所在结构主体。地表的地震监测点可采用图8所示的方式布置于站内空地中，也可布置于基础加强的柜体内。主控楼内的地震监测点可布置于人为扰动少的区域，优选靠近梁柱节点或基础底板的位置。

实施例2

基于同一发明构思的本发明还提供了一种应用实施例1所述的变电站地震监测仪监测地震的方法，包括：

信息采集模块收集地震监测信息；

地震分析模块对所述地震监测信息进行分析确定地震情况，然后通过所述通信模块发送至云服务。

所述信息采集模块收集的地震监测信息，包括：

加速度传感器采集变电站的地震加速度，并输出相应的电信号；

数据采集电路将所述多个加速度传感器输出的电信号进行汇总，并将汇总的电信号转换为数字信号，同时将所述数字信号发送至所述地震分析模块。

地震分析模块的分析子模块将所述数据采集电路发送的数字信号输入到预先构建的地震预测模型中，得到地震情况；

地震分析模块的预警子模块基于所述分析子模块得到的地震情况进行预警并将预警信息通过通信模块发送至云服务；

其中，所述地震预测模型基于历史地震加速度与所述历史地震加速度对应的地震等级进行训练得到。

信息采集模块的信号调理电路将所述多个加速度传感器输出的地震加速度对应电信号进行抗混滤波处理，并将处理后的信号传输至数据采集电路。

信号调理电路采用二阶巴特沃兹滤波器。

在信息采集模块、通信模块和地震分析模块外部设置防护外罩，用于对信息采集模块、通信模块和地震分析模块进行保护。

加速度传感器采用adxl354和akf390-20三轴传感器的冗余设计。

数据采集电路采用stm32f373rct6芯片。

电源管理模块为所述信息采集模块、地震分析模块和通信模块提供电能。

该电源管理模块可通过清洁能源供电，也可通过电网供电。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。