基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计大学毕业设计论文.docx

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基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计大学毕业设计论文

摘　　要

随着我国电力事业的快速发展，输电线路网络大面积铺设，并呈现出杆塔多、线路长的特征。

输电杆塔大多处在复杂的野外自然环境，并且具有高耸入云的特殊结构。

一旦输电杆塔遭到破坏，将导致电力供应中断，影响工农业生产及人民群众的正常生活，严重时会导致火灾等次生灾害，造成无法挽回的经济损失。

因此，杆塔振动分析及监测具有重要的研究价值和使用价值。

本文研究的主要内容：

针对输电杆塔高耸入云的特殊结构及其所处的特殊外部环境，设计一种输电线路杆塔振动状态识别单元。

具体方法：

在输电杆塔上安装振动传感器，采集输电杆塔受外部异物撞击时的振动信号。

信号经调理电路处理后，送入单片机进行处理。

采样得到的振动数据信息，经傅里叶变换（FFT）后，得到振动信号的振动频率及其对应的幅值，将其作为振动特征参数，判断输电杆塔的振动情况。

同时利用无线通信ZigBee技术将监测结果实时地发送至远端的主站。

经仿真实验及实践分析表明，输电杆塔振动识别单元准确性高，监测距离长，具有较强的抗干扰能力。

杆塔振动识别单元具有重要的研究意义和现实价值。

关键词：

　输电线路杆塔；　快速傅里叶变换（FFT）；　ZigBee技术；　振动检测

Abstract

WiththerapiddevelopmentofChina’spowerindustry,transmissionlinenetworkshowsthecharacteristicsofhavingmoretowerandlongercable.Transmissiontowersaremostlyincomplexnaturalenvironment,andhavingaspecialstructurehighintotheair.Oncethetransmissiontowersaredestroyed,itwillcausepoweroutages,andwillinfluenceindustrialandagriculturalproductionandpeople'snormallife,evenwillleadtoserioussecondarydisasterssuchasfire,resultinginirreparableeconomiclosses.Therefore,thetowervibrationanalysisandmonitoringhasimportantresearchvalueandusevalue.

Themaincontentofthispaper:

inviewofthespecialstructureofthetransmissiontowerhighintotheskyandthespecialexternalenvironmentaroundit,atransmissionlinetowervibrationstaterecognitionunitisdesigned.Specificmethods:

vibrationsensorsareinstalledontransmissiontower,collectingthevibrationsignalswhentransmissiontowerishitbyobjectsfromoutside.Afterprocessedbyadjustingcircuit，signalsaresentintothemicrocontrollerforprocessing.ItwillgetthevibrationfrequencyandthecorrespondingamplitudesafterFouriertransform（FFT）ofthesampledVibrationdata,asvibrationcharacteristicparameterstodeterminethevibrationtransmissiontower.AtthesametimeusingtheZigBeewirelesscommunicationtechnology,themonitoringresultsinreal-timewillbesenttotheremotehost.

Thesimulationexperimentsandpracticalanalysishaveshowedthatthetransmissiontowervibrationidentificationunithasthefeaturesofhighaccuracy,longdistancemonitoringandstronganti-interferenceability.Towervibrationidentificationunithasimportantresearchsignificanceandpracticalvalue.

Keywords：

　　Transmissionlinetower；　　FastFouriertransform（FFT）；　　ZigBee；　　Vibrationdetection

目　录

1绪论

1.1课题研究的意义

安全生产是电力企业永恒的主题，一旦电网出现故障，停电区域的工农业生产将完全停止，而电力安全事故绝大多数是由于输电网络的杆塔倒塔、导线断线等造成的。

输电网络分散，区域跨度大，基本延伸到了每一个角落，一般处在高山，河流等地质环境复杂的区域，仅靠电力系统的巡线人员去定期巡检，将会浪费大量的人力、物力，且不可能取得好的巡检效果。

随着智能电网建设的加速及国民经济高速发展导致用电量激增，国家电网为减少因为定期人工检修从而对设备“过渡”检修及造成人力浪费和对设备漏检造成杆塔灾害事故，进而降低输电杆塔运行的可靠性和造成电力企业自身的经济损失，迫切需要输电杆塔在线监测装置和故障诊断系统来即使可靠的提供杆塔运行状态以提示寻线人员进行针对性的巡检，以降低电力安全事故的发生概率，确保电网安全稳定运行。

本课题的研究意义为通过研制一套针对输电杆塔振动的在线识别监测系统为输电杆塔的安全稳定运行“保驾护航”。

通过实时动态监测，及时掌握输电杆塔的运行工作状态使输电杆塔的监测达到智能化水平；通过故障诊断使得在后续的检修中，能够对故障点快速定位和对故障原因的了解，使得巡线人员能够及时地进行有针对性的故障排除工作，从而大大提高工作效率。

1.2国内外发展与现状

国外对输变电设备工作状态的监测研究工作开展的比较早，早在20世纪70年代，美国就开始了以在线监测为基础的状态检修技术的研究与应用，但是该技术应用到输变电设备上是从80年代才开始的，比较成功的有澳大利亚昆士兰的合成绝缘子泄漏电流监测设备；美国电气研究协会研发的输电线路动态容量监测系统，国内方面，输变电设备的检修机制经历了故障发生后的事后检修到定期检修的管理制度再到现在先进的状态检修机制三个阶段。

随着近年来输电事故的频发，特别是2008年的南方电网特大冰雪灾害增强了对输电线路杆塔监测的紧迫性和必要性，国内科研院所也陆续展开了针对输电设备监测系统的研究与开发工作，武汉超高压研究所、国网电力科学研究院对雷击定位系统的研究；清华大学和武汉超高压研究所研制了以微处理器为主的泄漏电流监测系统；上海交通大学研究了通过对输电设备现场实际气象条件和输电线路自身属性参数等数据的综合分析来实时动态确定输电容量的监测系统；视频远程监控方面，随着三大电信运营商3G无线通信网络的社会化和商用化，使得输电设备远程视频监控系统的应用发展迅速，在2008年南方电网冰雪灾害事故中，通过视频监控系统远程查看杆塔、导线的现场覆冰情况，有针对性地指导除冰融冰工作，总体上取得了比较理想的效果，武汉星创源科技有限公司，北京得多电力技术有限公司，杭州东信电力科技有限公司研制了系统化的诸如输电线路视频监测系统，输电线路覆冰在线监测系统，输电线路微气象在线监测系统，输电杆塔倾斜在线监测系统，输电线路风偏在线监测系统，输电线路导线温度在线监测系统等专业性的输电设备在线监测系统，实现一个屏幕控制整个电网的目标。

近年来，国内外相关研究机构和企业正在积极开展机器人和无人直升机对输电线路的检修工作。

1.3本文主要研究内容

本文主要研究的内容是设计出对高压输电杆塔振动的识别单元，整个单元的设计分为硬件部分和软件部分，主要实现的内容具体可分为三个部分：

信号采集，数据处理，无线通信技术。

其具体流程简单描述如下：

安装在输电杆塔上的传感器，将杆塔的振动情况转换成电信号，采集信号送入调理电路，调理电路对信号进行放大，滤波，限幅等，将信号处理成可用的有效信号。

经调理电路处理后的信号，送入单片机。

单片机连续采样得到信号的数据信息，经快速傅里叶变换（FFT）处理数据后，得到振动信号的频率及振幅，据此判断输电杆塔的振动情况。

同时利用无线通信ZigBee技术将判定结果实时的发送至远端的上位机主站。

本文在如下的内容中详细介绍整个系统的整体设计方案，硬件设计，软件设计以及系统测试与分析。

2输电杆塔振动识别单元的整体设计方案

输电杆塔振动识别单元是针对输电杆塔特殊的高耸入云结构及所处的特殊外部环境，设计的一套针对高压线路杆塔的振动识别实时系统。

其具体组成为是：

输电杆塔上安装的感应设备——传感器；针对监测输电杆塔面临的外部异物撞击振动信号的调理电路——调理电路块；用来处理信号数据信息的微处理器——单片机；以及处理后数据的传输——通信模块等。

其连接示意图如图2.1所示。

图2.1系统整体构架

振动识别系统的操作原理为：

安装在输电杆塔上的传感器，实时地将杆塔的振动情况转换成电信号，转换过来的信号将直接送入调理电路，调理电路中将信号放大适当倍数并作滤波处理，同时通过限幅，加法等电路，将信号处理成单片机可采样的信号（单片机C8051F060采样引脚电压输入范围0-2.5V）。

经调理电路处理后的信号，送入单片机。

单片机连续采样得到信号的数据信息，经傅里叶变换（FFT）处理数据后，得到振动信号的频率及振幅，据此判断输电杆塔的振动情况。

同时利用无线通信ZigBee技术将判定结果实时的发送至远端的上位机主站。

2.1输电杆塔振动识别单元的硬件设计方案

振动识别单元的硬件设计结构图如图2.2所示，从图中我们可以看出，整个硬件电路可以分为信号调理电路，电源模块，微处理器电路，及通信模块。

图2.2系统硬件设计结构框架

2.1.1传感器

系统采用秦皇岛朗斯公司LC01系列的内装微型IC放大器的振动传感器LC0104，在传感器内部，它将传统的压电式加速度传感器与电荷放大器集成在一起，同时它兼容性良好，能直接与具有记录、显示功能的采集仪器相连接，从而很大程度上降低了测试系统的复杂性，同时在确保系统可靠性的情况下，提高系统的测试精度，该类传感器广泛用于航空航天、电力、机械、铁路、桥梁、建筑、车船、地质等领域。

内装IC压电加速度传感器有微型IC放大器和压电加速度传感器组成。

传感器信号输出具有两线联接特征，信号输出线与供传感器工作用的恒流源输入线为同一根线，另一根线为地线。

传感器与外接信号调理电路原理简图如图2.3所示。

图2.3压电加速度传感器与外界电路原理图

LC0104内装IC压电加速传感器技术指标参数如表2.1所示，另有指标如下：

输