专利名称：基于ZigBee的输电导线风偏在线监测系统及监测方法
技术领域：
本发明属于输变电设备状态在线监测技术领域，涉及一种输电导线风偏在线监测系统，具体涉及一种基于ZigBee的输电导线风偏在线监测系统，本发明还涉及采用该系统 进行监测的方法。
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，而输电线路绝缘子风偏闪 络是其中较为严重的一种灾害。导线悬垂绝缘子串的风偏角是指风作用在绝缘子串和导线 上引起悬垂绝缘子串角度偏移，导线风荷载使悬垂绝缘子串产生偏斜。风偏闪络事故的原 因主要是导线和绝缘子串在强风下偏角过大，使得导线与杆塔最小间隙距离过小。这种偏 斜必然引起带电部分的导线、悬垂线夹、均压屏蔽环、防振锤等对杆塔的接地部分塔身、横 担、脚钉等的空气绝缘间隔减小。风偏闪络事故一旦发生会导致输送电能损失和风偏跳闸 等故障。由于风偏跳间是在强风天气或微地形地区产生飑线风的条件下发生的，风的持续 时间往往超过重合闸动作时间段，使得重合闸动作时放电间隙仍然保持较小的距离；同时， 重合闸动作时，系统中将出现一定幅值的操作过电压，导致间隙再次放电，并且第二次放电 在较大的间隙就有可能发生，因此，线路发生风偏跳闸时，重合闸成功率较低，严重影响了 供电可靠性。近年来，受灾害性气象条件的影响，架空输电线路绝缘子风偏闪络事故发生的频 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，对输电导线绝缘 子串风偏角进行有效监测成为当务之急。长期以来，国内高压架空输电线路的设计中，在计 算悬垂绝缘子串的风偏时，通常都是在最上端绝缘子安装一个风偏检测仪，仅得到最上端 绝缘子的风偏角，再将绝缘子串简化为刚性直杆，或按弦多边形方法，用静力学方法计算悬 垂绝缘子串在设计平均风速作用下的风偏角。而且在工程实际中，只有当悬垂绝缘子串较 重且需要严格检查大风下最上端绝缘子是否碰及横担或下端带电部件对横担的间隙时才 采用弦多边形方法，一般情况下都将绝缘子串简化为刚性杆近似地计算悬垂绝缘子串的风 偏角。但是由于绝缘子串实际上是柔性的，而且在静力学计算方法中没有考虑脉动风动态 特性对绝缘子串风偏角的影响。因此，当前的悬垂绝缘子串风偏角计算方法很难准确反映 输电线路绝缘子串的实际风偏情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于ZigBee的输电导线风偏在线监测系统，解决了现 有监测系统采用悬垂绝缘子串风偏角计算方法，很难准确反映输电线路绝缘子串的实际风 偏情况的问题。本发明的另一目的是提供一种采用上述系统进行监测的方法。本发明所采用的技术方案是，基于ZigBee的输电线路风偏在线监测系统，包括依 次连接的ZigBee无线风偏检测仪、杆塔监测分机、GPRS通信模块及监控中心，杆塔监测分机、GPRS通信模块还分别与电源模块相连接，杆塔监测分机上连接有有线风偏检测仪本发明所采用的另一技术方案是，基于ZigBee的输电导线风偏在线监测方法，具 体按照以下步骤实施步骤1 将ZigBee无线风偏检测仪安装于输电导线绝缘子串的最下端绝缘子上， 将有线风偏检测仪安装于输电导线绝缘子串的最上端绝缘子上，ZigBee无线风偏检测仪检 测到绝缘子串最下端处的风偏角θ n传递给杆塔监测分机，有线风偏检测仪检测到绝缘子 串最上端处的风偏角θ工传递给杆塔监测分机；步骤2 杆塔监测分机对上步得到的绝缘子串最下端处的风偏角θ η、绝缘子串最 上端处的风偏角θ工进行处理，得到整个绝缘子串的偏移距离d，通过GPRS通信模块无线输 送到监控中心；步骤3 监控中心根据接收到的整个绝缘子串的偏移距离d，计算出输电线路绝缘 子串实际的风偏角，再根据杆塔和线路的安装运行参数，分析得到当前输电线路的运行情 况，指导输电线路的运行维护和管理。本发明的有益效果是，(1)采用有线风偏检测仪测量最上端绝缘子处的风偏角，采用ZigBee无线风偏检 测仪测量最下端绝缘子处的风偏角，实现对输电线路绝缘子串风偏最直接、最直观的监测， 大大提高了监测的精度。(2)采用ZigBee技术，实现了低成本、低耗电、不减少电气安全距离的无线信号传输。(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中的 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)基于对前期绝缘子串风偏相关数据的研究，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。
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ZigBee无线风偏监测仪的结构示意图；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监控中心专家软件的程序流程图；图6是本发明监测系统中杆塔监测分机的流程图；图7是本发明输电导线风偏在线监测新方法的计算示意图。图中，l.ZigBee无线风偏检测仪，2.杆塔监测分机，3.有线风偏检测仪4. GPRS通 信模块，5.电源模块，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， 6.监控中心，7.微处理器单元，8.数据存储单元，9. ZigBee通信模块，9-1.无线单片机， 9-2.外部天线，9-3.印刷版微波传输线，10.信号采集处理单元，11.雨量传感器，12.压力 传感器，13.温湿度传感器，14.风速传感器，15.风向传感器，16.日照强度传感器，17.倾角 传感器。
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。本发明基于ZigBee的输电线路风偏在线监测系统一种实施例的结构，如图1所 示，包括依次连接的ZigBee无线风偏检测仪1、杆塔监测分机2、GPRS通信模块4及监控中 心6，杆塔监测分机2、GPRS通信模块4还分别与电源模块5相连接，杆塔监测分机2上连 接有有线风偏检测仪3。其中的，ZigBee无线风偏检测仪1，用于采集最下端绝缘子的风偏角，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、杆塔线路的覆 冰状况信息和最上端绝缘子的风偏角，接收ZigBee无线风偏检测仪1发送的信号，将采集 的信息和接收到的信号进行分析处理和储存，并将处理得到的数据送到GPRS通信模块4 ；有线风偏检测仪3，用于采集最上端绝缘子的风偏角；GPRS通信模块4采用H7118 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6，接收监控中心6发出的指令，并将接收到的指令传输给杆塔监 测分机2 ；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ZigBee无 线风偏检测仪1、杆塔监测分机2和GPRS通信模块4提供稳定的+5V及+12V电源；监控中心6，用于发出指令，并将该指令发送给GPRS通信模块4，接收GPRS通信模 块4发送的数据，对接收到的数据进行处理、分析和存储。杆塔监测分机2的结构，如图2所示，包括微处理器单元7，微处理器单元7分别与 ZigBee通信模块9、数据存储单元8和信号采集处理单元10相连接，信号采集处理单元10 分别与雨量传感器11、压力传感器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通过微处理器单元7与GPRS通信模块4相连 接，杆塔监测分机2通过信号采集处理单元10与有线风偏检测仪3相连接，电源模块5分 别与信号采集处理单元10、微处理器单元7相连接。杆塔监测分机2主要完成输电线路最上端绝缘子风偏角以及杆塔线路环境温湿 度、风速、风向、雨量、日照强度、杆塔处线路的拉力等周围环境气象信息的采集，并将接收 到的ZigBee无线风偏检测仪1发送的数据进行处理、打包，并存储重要信息，同时控制GPRS 通讯等。杆塔监测分机2中的微处理器单元7选用TI公司的16位MSP430F247微处理器， 具备超低功耗和丰富的外设，具有1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个8路的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选用基于CMOSensTM技术的温湿度传感器SHT10，该传感器将 CMOS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 μ Α，平均为28 μ Α，休眠时为3 μ Α,并且具有很好的稳定性。风速传感器14采用低门槛值(0. 4m/s)、测量范围0 75m/s的三杯式光电风速传 感器WAA15，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. 8° ) 转动，格雷码盘每转动2. 8°，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11采用翻斗雨量传感器，输出脉冲信号。压力传感器12输出0 5V的模拟信号，该模拟信号直接输入接到微处理器单元 7的模拟I/O 口进行处理。日照强度传感器16采用TBQ-2传感器，用于测量日照强度，该传感器输出0 20mV的模拟电压信号，经过多极放大后调制为0 2. 5V的模拟信号。信号采集处理单元10是一个综合单元，采用电子通用信号处理方式，对微处理器 单元7前端输入的信号进行滤波、抗干扰和稳压处理，防止该输入信号的过电压损坏微处 理器单元7的输入/输出端口。GPRS通信模块4支持双频GSM/GPRS，符合ETSI GSM Phase 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Xmodem协议进行软件升级，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。杆塔监测分机2的微处理器单元7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 统采用了抗高频干扰，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。ZigBee无线风偏检测仪1的结构，如图3所示，包括相连接的ZigBee通信模块9 和倾角传感器17，ZigBee通信模块9的结构为包括无线单片机9_1，无线单片机9_1的引 脚11和引脚12分别与倾角传感器17的引脚2和引脚3相连接，无线单片机9-1的引脚44 与电容Cl串联，电容Cl接地，无线单片机9-1的引脚43与电容C2串联，电容C2接地，弓| 脚44与引脚43之间并联有晶振1 ；无线单片机9-1的引脚19与电容C5串联，电容C5接 地，无线单片机9-1的引脚21与电容C4串联，电容C4接地；无线单片机9-1的引脚32分 别与电感L2的一端、印刷版微波传输线9-3的一端相连接，电感L2的另一端与无线单片机 9-1的引脚34相连接，印刷版微波传输线9-3的另一端分别与电感L2的另一端、引脚34、 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9_2相连接。倾角传感器17采用CXTA02。CXTA02是一种双轴倾角传感器，它主要采用高稳定 性的硅微机械电容倾角传感器，以模拟信号方式输出倾斜角度，具有高精度、尺寸小、价格低廉、抗恶劣环境、易于安装等优点。ZigBee通信模块9采用了 TI公司的低功耗芯片CC2430，采用了非平衡天线和与 其相连接的非平衡变压器。非平衡变压器由电感Li、电感L2和印刷版微波传输线9-3组 成，能满足RF输入/输出匹配电阻(50Ω)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L3和外部天线9-2构成；晶振1、电容Cl和电容C2 为无线单片机9-1提供32. 768KHz的时钟源；晶振2、电容C4和电容C5为无线单片机9_1 提供32M的时钟源。倾角传感器17两个方向的输出引脚2和引脚3分别接到无线单片机 9-1的模拟输入引脚11和引脚12，实现了无线单片机9-1对倾角传感器17产生的信号数 据的采集。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、场效应管A5-3、+12V蓄电池5_4、放电保护电路5_6、定时断电复位电路 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Dl，二极管Dl位于+12V蓄电池5_4和场效应管 A5-3之间，二极管Dl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Dl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Rl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。本监测系统中ZigBee无线风偏检测仪1为了降低功耗，上电后就处于睡眠状态 (低功耗状态)，当接收到杆塔监测分机2上的ZigBee通信模块9发送的采集风偏角的命 令后，即刻从休眠模式转到主动模式，开始采集监测点处两个方向的倾角值，并将采集的倾 角值发送给杆塔监测分机2，发送成功后ZigBee无线风偏检测仪1再次转入睡眠模式。监控中心专家软件的程序流程图，如图5所示，监控中心专家软件可实时监测该 线路各杆塔上的变量情况，并通过对分机的点测、巡测的实时数据进行分析判断，提供分析 输电导线风偏的参考依据。当导线张力、环境风速、绝缘子风偏角等数据超过预警和报警阈 值时，及时给出预警和报警信息。杆塔监测分机2的流程图，如图6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6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ZigBee 通信模块9向其它节点发送采集风偏值的命令，另一方面微处理器单元7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7控制GPRS通信模块 4，将采集的数据发送至监控中心6，数据发送成功后，杆塔监测分机2再次转入低功耗状 态。
本发明监测系统，实时/定时采集输电线路绝缘子串最上端和最下端绝缘子的风 偏角，经过定量计算和定性分析，准确得到输电线路绝缘子串的实际风偏情况，实现了对输电线路绝缘子串风偏最直接、最有效的监测。本发明一种输电导线风偏在线监测方法，具体按照以下步骤实施步骤1 将ZigBee无线风偏检测仪1安装于输电导线绝缘子串的最下端绝缘子 上，有线风偏检测仪3安装于输电导线绝缘子串的最上端绝缘子上，在输电导线绝缘子摆 动过程中，ZigBee无线风偏检测仪1检测到绝缘子串最下端处的风偏角θ n传递给杆塔监 测分机2，有线风偏检测仪3检测到绝缘子串最上端处的风偏角θ工传递给杆塔监测分机 2 ；
步骤2 杆塔监测分机2对上步得到的绝缘子串最下端处的风偏角θ η、绝缘子串 最上端处的风偏角θ工进行处理，得到整个绝缘子串的偏移距离d，通过GPRS通信模块4远 距离无线输送到监控中心6。具体按照以下算法实施如图7所示，假设整个绝缘子串的长度是1，通过有线风 偏监测仪得到最上端绝缘子的风偏角θ工，通过无线风偏检测仪得到最下端绝缘子的风偏 角θ n，计算出每一片绝缘子的风偏角为
权利要求
1.基于ZigBee的输电线路风偏在线监测系统，其特征在于，包括依次连接的ZigBee无 线风偏检测仪(1)、杆塔监测分机O)、GPRS通信模块(4)及监控中心(6)，杆塔监测分机 Q)、GPRS通信模块(4)还分别与电源模块( 相连接，杆塔监测分机( 上连接有有线风 偏检测仪⑶。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的输电线路风偏在线监测系统，其特征在于，所 述的杆塔监测分机( 包括微处理器单元(7)，微处理器单元(7)分别与ZigBee通信模块 (9)、数据存储单元(8)、信号采集处理单元(10)相连接，信号采集处理单元(10)分别与雨 量传感器(11)、压力传感器(12)、温湿度传感器(13)、风速传感器(14)、风向传感器(15)、 日照强度传感器(16)相连接，杆塔监测分机( 通过微处理器单元(7)与GPRS通信模块 (4)相连接，杆塔监测分机( 通过信号采集处理单元(10)与有线风偏检测仪( 相连接， 信号采集处理单元(10)、微处理器单元(7)分别与电源模块( 相连接。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee的输电线路风偏在线监测系统，其特征在于，所 述的ZigBee无线风偏检测仪(1)，包括相连接的ZigBee通信模块(9)和倾角传感器(17)， ZigBee通信模块(9)的结构为包括无线单片机(9_1)，无线单片机(9-1)的引脚11和引 脚12分别与倾角传感器(17)的引脚2和引脚3相连接，无线单片机(9-1)的引脚44与电 容Cl串联，电容Cl接地，无线单片机(9-1)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(9-1)的引脚19与电容C5串联，电容C5接地， 无线单片机(9-1)的引脚21与电容C4串联，电容C4接地；无线单片机(9-1)的引脚32分 别与电感L2的一端、印刷版微波传输线(9-3)的一端相连接，电感L2的另一端与无线单片 机(9-1)的引脚34相连接，印刷版微波传输线(9-3)的另一端分别与电感L2的另一端、引 脚34、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(9_2) 相连接。
4.根据权利要求1所述的基于ZigBee的输电线路风偏在线监测系统，其特征在于，所 述的电源模块(5)，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)、 场效应管A(5-3)、+12V蓄电池(5-4)、放电保护电路(5_6)、定时断电复位电路(5_7)和+5V 电源稳压器(5-8)，太阳能电池(5-1)的正极、负极分别与+12V蓄电池(5-4)的正极、负极 相连接，太阳能电池(5-1)的负极、+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Dl，二极管Dl位于+12V蓄电池(5_4) 和场效应管A(5-;3)之间，二极管Dl的负极与+12V蓄电池(5-4)的正极相连接，场效应管 A(5-3)还与充电保护电路(5- 相连接，电阻R2与放电保护电路(5-6)之间连接有场效应 管B(5-5)，场效应管B(5-5)与+12V蓄电池(5-4)的负极相连接。
5.根据权利要求3所述的基于ZigBee的输电线路风偏在线监测系统，其特征在于，所 述的倾角传感器(17)采用CXTA02。
6.基于ZigBee的输电导线风偏在线监测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施步骤1 将ZigBee无线风偏检测仪(1)安装于输电导线绝缘子串的最下端绝缘子上，将有线风偏检测仪(3)安装于输电导线绝缘子串的最上端绝缘子上，ZigBee无线风偏检测 仪(1)检测到绝缘子串最下端处的风偏角θ n传递给杆塔监测分机O)，有线风偏检测仪 (3)检测到绝缘子串最上端处的风偏角Q1传递给杆塔监测分机O)；步骤2 杆塔监测分机( 对上步得到的绝缘子串最下端处的风偏角θ n、绝缘子串最上端处的风偏角θ工进行处理，得到整个绝缘子串的偏移距离d，通过GPRS通信模块(4)无 线输送到监控中心(6)；步骤3:监控中心(6)根据接收到的整个绝缘子串的偏移距离d，计算出输电线路绝缘 子串实际的风偏角，再根据杆塔和线路的安装运行参数，分析得到当前输电线路的运行情 况，指导输电线路的运行维护和管理。
7.根据权利要求6所述的基于ZigBee的输电导线风偏在线监测方法，其特征在于，所 述步骤2杆塔监测分机( 对绝缘子串最下端处的风偏角θ n、绝缘子串最上端处的风偏角 θ ！进行处理，具体按照以下步骤实施假设整个绝缘子串的长度是1，计算出每一片绝缘子的风偏角为θη，根据绝缘子串对应的每一片绝缘子的长度L，计算出整个绝缘子串的偏移距离为 d = L · sin θ X+L · sin θ 2+L · sin θ 3+..· +L · sin θ n =L · (sin θ ^sin θ 2+sin θ 3+."+sin θ n) 0
全文摘要
本发明公开的基于ZigBee的输电线路风偏在线监测系统，包括依次连接的ZigBee无线风偏检测仪、杆塔监测分机、GPRS通信模块及监控中心，杆塔监测分机、GPRS通信模块还分别与电源模块相连接，杆塔监测分机上连接有有线风偏检测仪。采用上述系统进行监测的方法，通过实时/定时采集输电线路绝缘子串最上端和最下端绝缘子的风偏角，经过定量计算和定性分析，准确得到输电线路绝缘子串的实际风偏情况，实现了对输电线路绝缘子串风偏最直接、最有效的监测。
文档编号H04W84/18GK102141395SQ20111000055
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者陶保震, 黄新波 申请人:西安工程大学