一种用于高压输电导线振动状态的自治监测系统及方法与流程

1.本发明属于高压输电技术领域，具体涉及一种用于高压输电导线振动状态的自治监测系统及方法。


背景技术：

2.对于高压输电线路状态的在线实时监测是电网的安全、可靠、经济、高效运行的重要保障，同时也是我国建设坚强型智能电网输变电环节的重要组成部分。高压输电线路在运行过程中会因自然条件的侵袭而发生多种灾害事故，线路舞动就是其中危害较为严重的一种，具有频率低（0.1~3hz)、振幅大（约为线径的5-300倍）等突出特点，轻则发生闪络、跳闸，重则造成金具及绝缘子损坏，导线断股、断线、杆塔螺栓松动脱落，甚至倒塌并导致重大电网停电事故发生。由于高压输电线路分布区域广、传输距离长，不能完全依靠人工巡视。因此，电力部门迫切需要一种对线路微风振动进行实时监测的自治管理设备，通过先进的设备感知技术和数据分析技术，可以做到对输电线路的全天候、广覆盖实时监测预警，为输电线路的安全运行提供实时监测与预警服务，变预防性计划维修为状态维修，能够极大地提高电网运行的安全性及可靠性。
3.鉴于高压线路在线监测设备所处位置的特殊性，传统利用蓄电池为无线传感节点提供能源供给的方法受地理、绝缘等条件的限制有可能不能满足或不能适应具体的工作环境和要求，因此高压架空输电线路监测节点的在线供电问题已成为制约高压架空输电线路在线监测技术发展的技术瓶颈，对于输电导线振动状态的监测也同样影响重大，如何有效、经济的为在线监测设备或系统供电已成为在线监测装置研发需要考虑的关键问题。根据目前现有的环境能量采集技术表明，无线传感器节点的能量多从环境中的机械振动、太阳能、声能等能量源中俘获，然而在这些能量源中普遍存在采集能量密度较低等问题，将会导致能量采集单元的尺寸较大，不利于安装和节点的大规模部署。而且，将所俘获能量的自治维护管理也决定着传感器正常工作时的高效数据采集。综上所述，如何利用高压架空输电线路周围高密度电磁环境的特殊优势，并真正实现高效免维护的在线取能研究已具有相当的迫切性，且兼具学术与工程应用双重意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种用于高压输电导线振动状态的自治监测系统及方法，解决了采集单元的尺寸较大，不利于安装和节点的大规模部署的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于高压输电导线振动状态的自治监测系统，包括自治监测系统、多个无线加速度传感器节点和移动app终端，所述自治监测系统包括环形磁电能量采集器和能量管理模块，所述环形磁电能量采集器的输出端与能量管理模块的输入端相连接，所述能量管理模块的输出端与多个无线加速度传感器节点的输入端相连接，多个所述无线加速度传感器节点的输出端与移动app终端的输入端相连
接。
6.优选的，所述环形磁电能量采集器由镍锌铁氧体环和压电环层叠交错黏合而成，并在其非磁性支撑骨架的外围密绕铜制漆包线圈。
7.优选的，所述环形磁电能量采集器为严格同心圆环结构，且具有双输出端口，其中一个输出端口由压电环上下表面所连接的电极线引出，另一个输出端口由绕制后的漆包线端引出。
8.优选的，所述能量管理模块完成对磁电能量采集器采集导线周围的空间电磁场能量的存储与释放，所述能量管理模块包括谐振匹配单元、整流单元、稳压输出单元以及能量存储单元，所述环形磁电能量采集器将导线周围的电磁能俘获后，分别针对采集器的两个输出端口进行感或容性匹配使其产生谐振目的是为了能够大幅提高能量采集器的初始采集效率，谐振匹配后经整流桥输出，由充电逻辑控制电路对超级电容进行充放电控制，用超级电容将换能器采集到的能量进行存储，当超级电容能量积累到一定程度，控制电路启动低功耗稳压输出器将电能释放，最后由稳压输出电路为加速度传感器节点供电。
9.优选的，多个所述无线加速度传感器节点均包含4g dtu无线传输模块和加速度传感器，所述无线加速传感器通过4g dtu无线传输模能够无死角全方位的进行传输，而且可以适配不同数据服务商的无线标准以实现不同运营商之间实现数据交互和通讯功能。
10.优选的，所述移动手机app终端是采用android studio的高压线舞动实时监测终端设计。
11.优选的，所述移动手机app终端通过窄带物联网等技术将所采集的导线振动数据信息直接上传至云服务器端，mysql数据库调用云服务器ip地址中的相关数据，同时运行的android studio调用数据库中的数据，移动app的用户可以通过gprs的数据流量和wifi从云服务器端获取高压线舞动相关的数据，若舞动超过阈值，则会产生手机弹窗，提醒相关工作人员。
12.一种用于高压输电导线振动状态的自治监测方法，包括以下步骤：s1：利用环形磁电能量采集器的磁电效应采集导线周围的电磁能，镍锌铁氧体环将感应到的工频闭合磁场转化为同频率的周向应变，然后经层间耦合传递至压电环并以电压的形式从压电环的上下电极输出；同时，工频交变磁场通过切割磁感线于线圈端产生感应电动势，也会以电压的形式从线圈的两个线端输出。
13.s2：能量管理模块依次对所采集的电能完成感或容性谐振匹配、整流稳压以及存储或释放后，为4g无线加速度传感器节点进行信号采集和数据发射提供驱动电源。
14.s3：利用android studio设计的高压导线振动移动app终端可以接收通过4g和窄带物联网传输的实时高压线舞动状态信息，操作员通过手机端app客户端登录后可随时随地查询高压线实时舞动状态，并且回溯指定时间内的高压线历史舞动数据和历史数据曲线图，当x，y，z轴的总位移矢量和超过界定值后，系统会产生报警弹窗，及时地提醒工作人员采取相应措施防止舞动的继续发生。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：该系统充分利用了高压输电线路监测环境的特殊性，采用环形磁电换能器及其外围密绕线圈充分将导线周围的电磁场能量俘获，并为无线加速度传感器节点进行信号采集和数据发射提供电源供给，其次，该系统利用能量管理真正实现了无线节点数据收发的自
治管理，利用能量管理模块将环形磁电能量采集器的阻抗及谐振匹配单元、整流稳压输出单元以及能量存储单元完成采集电磁能量的管理，能够自主完成无线传感器节点的数据采集处理、数据发射的工作，并进入低功耗休眠状态，等待进入下一个工作周期，再者，该系统提供了便于数据实时查阅和历史回溯的移动app终端设计，手机端app客户端登录后可随时随地查询高压线的振动状态并及时作出响应。
附图说明
16.图1是高压输电导线振动状态的自治监测系统的构成原理图。
17.图2是高压输电导线振动状态的自治监测移动终端的数据库系统e-r模型构建框图。
18.图3是高压输电导线振动状态的自治监测移动终端的实时及历史数据监测界面图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施方案中的附图，对本发明实施方案中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方案仅仅是本发明一部分实施方案，而不是全部的实施方案。基于本发明中的实施方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方案，都属于本发明保护的范围。
20.如图1-图3所示，一种用于高压输电导线振动状态的自治监测系统，包括自治监测系统、多个无线加速度传感器节点和移动app终端，自治监测系统包括环形磁电能量采集器和能量管理模块，环形磁电能量采集器的输出端与能量管理模块的输入端相连接，能量管理模块的输出端与多个无线加速度传感器节点的输入端相连接，多个无线加速度传感器节点的输出端与移动app终端的输入端相连接，环形磁电能量采集器由镍锌铁氧体环和压电环层叠交错黏合而成，并在其非磁性支撑骨架的外围密绕铜制漆包线圈，环形磁电能量采集器为严格同心圆环结构，且具有双输出端口，其中一个输出端口由压电环上下表面所连接的电极线引出，另一个输出端口由绕制后的漆包线端引出，能量管理模块完成对磁电能量采集器采集导线周围的空间电磁场能量的存储与释放，能量管理模块包括谐振匹配单元、整流单元、稳压输出单元以及能量存储单元，环形磁电能量采集器将导线周围的电磁能俘获后，分别针对采集器的两个输出端口进行感或容性匹配使其产生谐振目的是为了能够大幅提高能量采集器的初始采集效率，谐振匹配后经整流桥输出，由充电逻辑控制电路对超级电容进行充放电控制，用超级电容将换能器采集到的能量进行存储，当超级电容能量积累到一定程度，控制电路启动低功耗稳压输出器将电能释放，最后由稳压输出电路为加速度传感器节点供电，多个无线加速度传感器节点均包含4g dtu无线传输模块和加速度传感器，无线加速传感器通过4g dtu无线传输模能够无死角全方位的进行传输，而且可以适配不同数据服务商的无线标准以实现不同运营商之间实现数据交互和通讯功能，移动手机app终端是采用android studio的高压线舞动实时监测终端设计，移动手机app终端通过窄带物联网等技术将所采集的导线振动数据信息直接上传至云服务器端，mysql数据库调用云服务器ip地址中的相关数据，同时运行的android studio调用数据库中的数据，移动app的用户可以通过gprs的数据流量和wifi从云服务器端获取高压线舞动相关的数据，若舞动
超过阈值，则会产生手机弹窗，提醒相关工作人员。
21.一种用于高压输电导线振动状态的自治监测方法，包括以下步骤：s1：利用环形磁电能量采集器的磁电效应采集导线周围的电磁能，镍锌铁氧体环将感应到的工频闭合磁场转化为同频率的周向应变，然后经层间耦合传递至压电环并以电压的形式从压电环的上下电极输出；同时，工频交变磁场通过切割磁感线于线圈端产生感应电动势，也会以电压的形式从线圈的两个线端输出。
22.s2：能量管理模块依次对所采集的电能完成感或容性谐振匹配、整流稳压以及存储或释放后，为4g无线加速度传感器节点进行信号采集和数据发射提供驱动电源。
23.s3：利用android studio设计的高压导线振动移动app终端可以接收通过4g和窄带物联网传输的实时高压线舞动状态信息，操作员通过手机端app客户端登录后可随时随地查询高压线实时舞动状态，并且回溯指定时间内的高压线历史舞动数据和历史数据曲线图，当x，y，z轴的总位移矢量和超过界定值后，系统会产生报警弹窗，及时地提醒工作人员采取相应措施防止舞动的继续发生。
24.本发明的工作原理及使用流程：鉴于环形磁电能量采集器的输出端口分别为容性和感性，因此对采集器进行感或容匹配，此时电路工作在串联谐振状态下并能够使采集器输出的有功功率达到最大，无功功率最小，可进一步提高采集器的采集效率，以线圈端口输出为例，线圈的等效电路可简化为电压源、电阻、电感的串联电路，此时整个采集器的阻抗可表示为，其中，r为线圈内阻，2πfl为线圈感抗，上式可知，取能线圈此时输出较大的无功功率，由于感抗的存在，降低了采集器的有功功率，在电路中串联匹配电容之后，回路的总阻抗最小，电路发生谐振，回路电流达到最大，电路呈纯电阻性，经过对匝数为300的线圈进行谐振匹配测试，匹配的电容约为48nf，匹配后所输出的交流信号经全波整流桥将交流电压信号转换为直流信号，整流桥由四个二极管构成，超级电容与传感器节点两端相连接，当超级电容能量积累到一定程度时，电容放电驱动无线传感节点工作，本发明的加速度传感器选用了维特智能的wt-adxl345加速度传感器模块，该模块的正常运行电压为3.3v或5v，其正常工作电流低于6ma，量程为
±
16g，它具有极小的封装体积，尺寸仅为3mm
×
5mm
×
1mm，同时它拥有超低的功耗，在电压为2.5v时（典型值），测量模式电流很低，低至23μa，待机模式下为0.1μa，而且可以自动调节功耗，如果需要额外省电，还可以采用低功耗模式，在静置时还可以自动切换至休眠状态，传感器节点在一个工作周期内，当超级电容两端电压超出传感器工作电压时，控制电路启动稳压输出电路使电容放电，传感器两端获得稳定的3.3v工作电压，随着放电过程的进行，超级电容两端的电压不断下降，当传感器处于数据发射状态时，超级电容两端电压瞬间下降，完成数据发射后，电容两端电压上升到工作电压，至此，无线传感器完成一次数据采集处理、数据发射的工作，进入低功耗休眠状态，等待进入下一个工作周期，在一个周期的工作过程中，无线传感节点两端电压稳定，保持工作状态，最后，为确保节点在工作电压范围内正常运行，选用adi adp3300系列低压差线性稳压器（ldo）设计稳压输出电路，当电池电压大于2.9v时，比较器输出高电平开启稳压输出芯片；电池电压在2.9v-3.3v的范围内，芯片输出电压与超级电容电压相同；电池电压在3.3v-4.2v范围内，芯片输出电压为3.3v，可以防止无线传感器因电源电压过高而烧坏，可以看出，电源管理电路能够有效地采集输电导线周围电磁场能量并进行存储，电路整体功耗较低，为无线传感节点输入高精度的直流电压值，app软件部分设计思路如图2所示，其中，矩形表示数据采集
系统中的实体型，椭圆表示数据采集系统中实体拥有的属性，菱形表示数据采集系统中实体型之间的联系，并用实线将实体、属性及联系进行连接，图中工作人员作为实体部分，用户密码、用户名、站点名称、站点编号和站点地址作为工作人员的特有属性；一个工作人员管理着多个线路舞动采集设备，采集设备的属性包括设备编号、设备名称、生产日期；而线路舞动采集设备与站点之间是多对多的关系，且采集x、y、z轴角速度、x、y、z轴加速度等数据；而站点又有站点编号、站点名称、站点地址等属性，另外如图3所示，在工作人员成功登录该系统后，app界面会直接跳转并进入高压线舞动实时监测终端的主界面（即舞动实时数据界面），本页面能直接显示实时的高压线舞动实时数据，例如x、y、z轴加速度和x、y、z轴角速度，通过下方三个按键来切换不同的页面，每次切换页面都会刷新最新的数据，最新的数据在单独的数据表中，该数据表的数据会调用历史数据表中最近的一组数据，保证数据的实时准确性，对于历史数据的回溯，历史舞动曲线图界面加入了时间选择器功能，在此处设置了一个on click的点击事件，点击“请选择开始时间”、“请选择结束时间”即可加载出时间选择器的界面，若初次点击，弹出的时间默认为今天的日期时间，只需滑动时间轴就可以选择想要显示的时间区间。
25.尽管已经示出和描述了本发明的实施方案，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施方案进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。