特高压输电塔在线监测系统.docx
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特高压输电塔在线监测系统
特高压输电塔在线监测系统
摘要………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………Ⅱ
1绪论…………………………………………………………………………………1
1.1特高压输电塔在线监测系统的背景…………………………………………
1.2特高压输电塔在线监测系统的研究意义……………………………………
1.3本课题国内外现状……………………………………………………………
1.4本课题研究的主要内容………………………………………………………
本章小结……………………………………………………………………………
2特高压输电塔在线监测系统………………………………………………………2
2.1系统的结构组成………………………………………………………………2
传感器系统……………………………………………………………
数据采集系统…………………………………………………………
数据传输系统…………………………………………………………
2.2系统实现的功能………………………………………………………………3
本章小结……………………………………………………………………………6
3数据传输系统………………………………………………………………………8
3.1数据传输系统设计……………………………………………………………8
3.2数据传输系统工作原理………………………………………………………10
3.3数据传输的方式………………………………………………………………
本章小结……………………………………………………………………………
4GPRS介绍及系统软、硬件设计……………………………………………………77
4.1GPRS模块………………………………………………………………………
GPRS技术简介…………………………………………………………
GPRS选型………………………………………………………………
GPRS模块………………………………………………………………
4.2系统硬件设计…………………………………………………………………
4.3系统软件设计…………………………………………………………………
本章小结……………………………………………………………………………
6、结语………………………………………………………………………………
致谢……………………………………………………………………………………78
参考文献………………………………………………………………………………80
文献综述………………………………………………………………………………83
摘要
简述了特高压输电塔在线监测系统的国内外发展现状,分别从传感器系统、数据采集系统、数据传输系统做了简单介绍，并重点对数据传输系统进行设计、分析。
通过数据采集系统对输电塔加速度、位移、温度、湿度、风向、风速等参数的采集，再通过数据传输系统将各项参数发送至监控中心对输电塔的状态进行实时在线监测。
本课题采用GPRS设计数据传输系统，并对GPRS做了介绍。
关键词：
特高压输电塔在线监测GPRS
Abstract
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小四号、TimesNewRoman字体
Keywords:
WageIncentive……
小四号、TimesNewRoman字体、加粗小四号、TimesNewRoman字体
1绪论
1.1特高压输电塔在线监测系统的背景及意义
2008年1月震惊全国的特大冰灾，使湖南电网受到了重大的创伤。
据统计，整个湖南电网500kv线路一共有33条,其中有14条线路受到严重破坏,共倒塔182基,变形68基,导线断线等受损159处,地线断线等322处,绝缘子掉串284处。
其余线路如220kv、110kv、35kv、10kv及各变电站均受到重大创伤（见右图），全国直接经济损失超过了1000亿元。
自1932年美国首次发生输电线路覆冰灾害以来，加拿大、俄罗斯、法国、冰岛和日本都发生过非常严重的冰灾事故。
我国因大气候和微地形的影响，冰灾事故也时有发生。
对我国电力线路的安全与人民的正常
生活造成了非常大的影响。
特别是西电东送、北电南送的战略目标的确定，大量的输电线路必然要经过高海拔、重覆冰的地区。
覆冰可以引起输电线路过荷载、导线舞动、杆塔倾斜、倒杆（塔）、断线及绝缘子闪络及发生不均匀覆冰或不同期脱冰等重大事故，严重威胁电力系统的安全运行，从而造成巨大的经济损失和一定的社会影响。
表1-1是我国近年来500kv线路的倒塔情况。
因此，对输电塔-线系统的状态进行实时在线的监测是非常有必要的，这有助于工作人员在第一时间掌握输电塔的各种情况，在发生意外时也能及时并准确的对其进行抢修，这与普通的单纯依靠人工对输电塔进行巡线检测相比，大大降低了费用，并更加实际、可靠。
因此，对特高压输电塔在线监测系统的研究将是各个国家的重点研究项目。
1988
1989
1990
1991
1992
1993
线路总长度（m）
5738
7086
7122
7523
8127
10023
塔总基数（基）
14345
17715
17805
18808
20318
25058
累计倒塔次数
1
2
2
2
3
4
累计倒塔基数
4
8
8
8
12
19
倒塔频度
4.5×10－3
5.0×10－3
3.1×10－3
2×10－3
2.2×10－3
2.1×10－3
倒塔量度
7.2×10－5
8.0×10－5
4.9×10－5
2.5×10－5
3.5×10－5
4.1×10－5
图1-1
1.2特高压输电塔在线监测系统的研究意义
输电塔作为重要的电力能源输送设施，其安全性直接关系到电网供电的可靠性，高压输电塔，特别是大跨越输电塔，具有塔体高、跨距远、柔度大等特点，对地震、强风及导线覆冰等环境载荷反应强烈，经过长时间的运营和使用后，塔体某些部位会出现一定程度的振动疲劳损伤，在遭遇冰雪等恶劣天气时，容易发生极端条件下的动态倒塌破坏。
随着通信技术和自动化建设的不断发展，很多领域里工作都有了联网的需求，并且有大量的数据必须实现远距离传输。
而此项目的研究能够为电力甚至各个领域中的在线监测及信息传输提供强有力的保障。
要建设一座城市必须要先建设好这座城市的交通，而数据传输系统就是整个系统的高速公路，有了它，很多难题都能迎刃而解。
在远程监控领域,无线监控技术越来越受到关注,相对于人工方式,无线监控系统具有很多优点:
节省了大量的人力物力,可以随时抽测电力线路的各项运行参数,实时发现环境变化,实现对电力线路的实时控制等,真正地体现了智能化管理。
目前的检测系统主要有基于有线通讯和无线通讯两种方式,对于有线通讯方式,虽然实现简单,但由于需要使用电缆等作为传输媒介,所以,极大的限制了系统的运用范围,很不适合现有的监测点分散且不容易进入的特点,而且这种系统需要长距离的布线,成本比较高,受干扰大,实时性较差,不利于及时解决监测点出现的问题.随着工业化的不断发展及人们需求的不断提高,人们更倾向于寻求一种能够对远程监测点进行准确、实时监测的系统。
因此远程监测系统逐渐成为当前研究领域的一大热点，也成为未来监测领域发展的必然趋势。
基于GPRS的无线数据采集系统恰恰能够消除有线通讯的弱点，它以GPRS网络作为传输平台，采用中心对多点的数据传输模式，将数据终端单元和数据业务中作为终端设备接入到GPRS网络平台中来实现最终用户数据的透明传输，不仅具有成本低，速率快，实时性强等特点。
而且通信的覆盖范围广，特别适合监测点分散的场合，很好地满足了当前人们的高要求，具有广阔的应用前景和现实意义。
1.3本课题国内外现状
我国将交流1000kv和直流±800kv的电压等级称为特高压。
基于特高压输电塔的特性以及特高压电网存在的电压危险、可听噪音危害、电磁场对环境的影响及无线电干扰，全世界各国都对特高压输电的相关技术进行了长期深入的研究，并有了显著的成果。
目前我国的输电高速公路-特高压输电电网主要是500kv交流和500kv直流输电系统。
近年来，随着国家在输电线路在线监测技术方面投入的研究，输电线路在线监测技术得到了飞速的发展。
在2008年冰雪灾害后，国家电网、南方电网均分别加大了对输电线路覆冰、舞动的研究投入。
2010年开始国家智能电网报告提出要加强对在线监测装置及系统的研制开发，完成覆盖整个电网的在线监测系统建设，利用测量、采集、通信、控制等高端技术，以输电线路运行环境和状态参数的在线监测为基础，实现对全国电网线路的实时在线监测，对其开展状态评估，实现灾害预警。
自1998年开始，我国各高等院校和厂家相继开始对输电线路在线监测方面的技术和产品进行研发。
于2000年研发成功的绝缘子泄漏电流在线系统虽然因缺乏应有的判据一直处于停滞不前状态，但却未后期其他在线监测产品的开发提供了很大的帮助。
2002年至2004年国内相继成功研发出输电线路图像监测系统和输电线路覆冰监测系统，这两个系统到目前为止在国内应用量非常的大，并对覆冰监测及线路巡视维护方面提供了很大的帮助。
从2004年后，相关厂家又开发了线路导线温度监测系统、线路导线舞动监测系统、线路微气象监测系统等产品，都得到了比较广泛的应用。
在线监测厂家多大10余家，监测装置产品多达1万余台已投入使用当中。
直到2008年为止，南方电网公司召集包括清华大学在内的10余家厂商召开了技术交流会，会上对在线监测的规约及通讯标准做出了规定，改善了从前因厂家各自为政，出现同一监控中心监测主机却来自多个厂家，对系统维护造成的巨大困难。
2009年国家电网公司也开始了相关标准的起草工作。
历经10余年，我国的电力线路在线监测系统可以说是从牙牙学语开始，一步一步走向成熟，虽然还有很多的盲区及不足的地方，当凭借通信等技术的迅速发展，在线监测技术一定会在不久的将来为全世界的电网安全提供最可靠的保障。
1.4本课题研究的主要内容
本课题主要研究的主要内容为特高压输电塔在线监测系统中的数据传输系统。
信息技术在当今社会发展非常迅猛，可谓是日新月异。
因此对于特高压输电塔的监控方式，与曾经常见的人工方式相比，无线监测系统优良了许多。
不仅可以节省大量的人力物力，还可以定时甚至随时掌握输电塔各项运行参数和环境参数，实现了对输电塔的实时监控，真正体现了智能化管理。
而现如今的无线监控系统数据传输方式中最常见的集群电台、短消息（SM）以及GPRS模式。
考虑到特高压输电塔所处的环境一般比较恶劣，本文将基于GPRS来设计特高压输电塔在线监测系统的数据传输系统。
在本课题中，首先将为大家对整个特高压输电塔在线监测系统作总体介绍。
再从数据传输系统的设计以及数据传输的过程开始，着重对数据传输系统进行研究，并对GPRS相关技术作介绍。
从系统硬件及软件两个方面去剖析整个数据传输系统，并对GPRS模块选型及数据传输方式的设计都作了详细介绍。
从宏观上本论文将呈现整个检测系统的大致框架，从微观上本论文将呈现数据传输系统的具体设计方案。
本章小结
本章主要介绍了特高压输电塔在线监测系统今年的发展，分析了国内外对该项目的研究方向及取得的成果，展望了此技术将会在未来成为电网系统的主流监测系统。
最后概述了本课题的研究内容，对本论文的内容作了简单介绍。
2特高压输电塔在线监测系统
2.3系统的结构组成
2.3.1系统总览
特高压输电塔在线监测系统主要由传感器系统、数据采集系统、数据传输系统三部分组成。
首先通过传感器系统的对输电塔环境参数及振动参数进行进行监测。
再在数据采集系统的作用下对监测到的各项数据参数进行采集、处理，在设定的采集间隔内,由MCU控制完成张力和气象数据的采集,再通过串口将信息传递到数据传输系统。
数据传输系统中GPRS模块将会对信息进行打包分组、协议封装，然后再有GPRS模块进行GPRS网络连接，在拨号之后，经过一系列的握手协议操作，数据将通过GPRS模块传送至GPRS网络。
最后由监测中心对接受的数据进行分析和处理，并将有用的信息进行保存。
与此同时，监测中心也能对监测终端发出各种指令，实现远程控制。
图2-1为系统整体结构总览图。
图2-1
2.3.2传感器系统
该系统目前可进行环境参数（风向、风速、温度、湿度）及振动参数（加速度、位移）的监测。
自动记录任意时刻的环境参数和振动参数，通过GPRS把采集到的数据传输到远程控制中心并进行长期的振动趋势分析、波形分析、频率分析等状态监测，为特高压输电塔振动状态的评估提供依据，并能记录在突发载荷作用下输电塔的振动变形，与有限元动力分析计算对比，分析输电塔受力状态。
振动传感器在测试技术中士关键部件之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。
它也是一种机电转换装置。
所以我们有时也称它为换能器、拾振器。
振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量作为振动传感器的输入量Ma，然后由机械接收部分加以接收，形成一个适合于变换的机械量Mb,最后由机电变换部分在将Mb变换为电量E，因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。
如图2.所示。
图2振动传感器的工作原理
风向风速监测仪的风速传感器的感应组件为三杯式风杯组件,当风速大于0.4m/s时就产生旋转,信号变换电路为霍尔集成电路。
在水平风力驱动下风杯组旋转,通过主轴带动磁棒盘旋转,其上的数十只小磁体形成若干个旋转的磁场,通过霍尔磁敏元件感应出脉冲信号,其频率随风速的增大而线性增加。
计算公式:
V=0.1F；V:
风速,单位:
m/s;F:
脉冲频率,单位:
Hz；风向风速监测仪的风向传感器的感应组件为前端装有辅助标板的单板式风向标。
角度变换采用的是七位格雷码光电码盘。
当风向标随风旋转时,通过主轴带动码盘旋转,每转动2.8125°,位于码盘上下两侧的七组发光与接收光电器件就会产生一组新的七位并行格雷码,经过整形、倒相后输出。
方位-角度-格雷码-二进制码对照表是风向测量单片机编程的重要依据。
风向风速监测仪的两个传感器具有动态性能好、线性精度高、灵敏度高、测量范围宽、互换性好、抗风强度大等特点。
温湿度传感器选用湿敏电容型传感器，该传感器是温湿感应元件共体，具有防电磁干扰的性能。
测温是一个标准的铂电阻Pt100，以四线制方式测量，减少长引线带来的测量误差。
传感器主要由湿敏电容和转换电路两部分组成。
它由玻璃底衬、下电极、湿敏材料、上电极几部分组成。
两个下电极与湿敏材料，上电极构成的两个电容成串联连接。
湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。
当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当相对湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小（电容量通常在48～56pf间）。
传感器的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化，对应于相对湿度0～100%RH的变化，传感器的输出呈0～1v的线性变化。
2.3.3数据采集系统
2.3.4数据传输系统
数据是整个特高压输电塔在线监测系统的核心部分,因此数据的安全准确的传送石整个系统最重要的任务之一。
首先，数据传输系统必须是一个全双工工作方式系统。
因为它必须在满足数据上行传输的同时还要能够使各种指令准确下达到监测终端，要保证数据和指令准确地上行下达。
因此，传输系统是整个系统的关键组成部分，十分的重要。
下图2-2是特高压输电塔在线监测系统的一个总体结构框图，并重点呈现出本文主要内容数据传输系统的各部分组成及流程。
它从全面的角度概述了整个系
图2-2系统总体框图
统的工作过程，并指出了各部分的重点。
现如今的通信技术已非常的成熟、发达，因此本文对数据传输系统的设计将基于GPRS进行设计，关于GPRS相关技术的介绍将在后面第四章为大家呈现。
特高压输电塔在线监测系统的第一个重要部分就是传感器系统，它主要负责测量输电塔的各项环境、振动状态参数，再由采集系统对各项数据进行采集，然后由GPRS模块对数据进行打包、分组、编码，再有GPRS进行拨号并与互联网连接，将数据上传。
当监控中心受到数据后对数据进行分析、处理再做出相应的指示回传。
这就是数据传输的基本过程。
传输系统在特高压输电塔在线监测系统中起到了举足轻重的作用，负责完成整个通讯过程。
2.4系统实现的功能
系统实现的主要功能有数据采集传送、故障报警、实时控制和数据处理。
传感器系统设备采集加速度、位移、温度、湿度、风向、风速等6项数据参数后,根据中心指令实时上传。
监控中心接收到数据信息后,绘出电力线路一个运行周期内各项数据的曲线图,再由技术人员对信息进行分析处理。
在现场出现故障温度过高、风速太大、通讯不畅等情况时,监控终端也能够实时上传故障信息。
该设计利用GPRS能接入Internet的功能，实现数据的实时采集与传输。
由此可见，该技术将在电力系统及其它各领域里面取得广泛运用，获得人们的好评。
本章小结
本章先从总体上介绍了特高压输电塔在线监测系统的组成以及工作过程,概述了传感器系统和采集系统的功能特点。
重点介绍了数据传输系统特点及工作方式，并给出了系统总体框图。
3数据传输系统
3.3数据传输系统设计
如前面第二章所讲，传输系统是负责将数据传送到监控中心，远程控制中心和本地状态监测系统物理位置上相隔遥远，不可能也没有必要自己搭建一个无线传输系统，一方面需要大量的资金作为保障，另一方面无线数据传输系统在电信等部门已经作为一个成熟的技术，得到了广泛的使用，所以，本系统的数据传输系统主要是利用电信成熟的GPRS/CDMA系统，将特高压大跨越塔本地状态监测系统（即自动监测站）和远端的控制中心连接起来。
如图3-1所示为数据传输系统的设计原理图。
状态监测系统和远程控制中心均连接有GPRS/CDMA设备，监测数据保存在本地NAS中。
数据远程传输的过程是：
输电塔本地状态监测系统利用GPRS/CDMADTU设备（DataTransmitUnit，数据传输单元）通过移动运营商提供的GPRS/CDMA系统点对点业务（P2P）与远程控制中心的GPRS/CDMADTU设备建立双向无线传输链接，远程控制中心通过无线数据传输将监测数据下载存放至中心数据库中，同时利用上传方式将指令和信息传输到本地状态监测系统。
图3-1数据传输系统原理图
许多在线监测系统的通信首要难题就是要克服地理环境所带来的限制，由于特高压输电线路通常是在环境恶劣的地方，架设一个庞大的通信系统是一项非常耗费时间和金钱的工作，也给系统维护带来巨大的困难，地形山峦起伏、凹凸不平导致铺设电缆后不宜传导。
GPRS无线网络在此领域中的应用充分发挥了它的优势，以上所描述的难题也迎刃而解。
同时从很大程度上提高了生产效率，降低了生产成本。
因此，将以“中心采用主副GPRS-DTU，采用移动APN专网固定IP”的组网方案进行设计。
此种方案客户要先向中国移动通信公司申请APN专网业务。
移动为用户分配专用的APN，普通用户不能申请该APN。
用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN，限制使用其他的APN。
得到APN后，给所有的监控点及中心分配移动内部固定的IP。
此种方案中心采用主副两个GPRS-DTU作接收端，冗余备份，无需DNS解析，本身拥有移动内网固定IP，减少中间环节，稳定性得到增强；且所有数据都在移动GPRS的APN内网传输，无需经过公网，安全性得到增强。
此种方案无需负担宽度专线月租费用，性价比较高。
3.2数据传输系统工作原理
基于GPRS的数据传输原理就是采用TCP/IP协议的方式进行监控终端与监控中心的通信，具体通讯过程如下：
监控终端将采集到的信息通过RS232接口与GPRS数据传输单元（GPRSDTU）相连，GPRSDTU的内置嵌入式处理器对数据进行打包、分组、协议封装后转换为GPRS分组，通过BTS发送到GPRS服务支持节点（SGSN）,SGSN根据监控中心的IP地址，通过GPRS隧道协议（GTP）发送分组到相应的GPRS网关支持节点（CGSN）,CGSN对分组数据进行处理后发送到Internet上的通信服务器并下载到监控中心的显示控制平台上。
来自监控中心的命令帧，首先被分装成IP包，由GGSN接收，再通过GTP转发到SGSN，最后由BTS传送到监控终端。
数据传输机制如图3-2所示。
3.3数据传输方式
随着电信技术的迅猛发展，可用于传输数据的通讯方式有多种，大致可分为有线通讯方式、无限集群通信方式、GSM短消息通信方式、CDPD通信方式和GPRS通信方式。
由于我国移动通信发展的速度较快，GPRS无线业务开始在国内得到大范围的应用，但是我国还不能彻底地摆脱有线传输的方式。
GPRS无线数据传输的优点已经有目共睹，这也是本论文采用GPRS作为数据传输平台的原因之一，表一是几种通信方式的简略比较。
方案
传输距离
传输速度
实时性
差错率
数据量
覆盖范围
工程量
线路投资
维护量
通信费用
电力载波
近
中
实时
高
大
中
小
无
大
低
RS485总线
近
高
实时
无
大
小
大
大
中
低
短消息
远
不确定
非实时
无
小
大
小
无
无
大
有线网
远
高
实时
无
大
中
大
租用
小
大
GPRS
远
高
实时
无
大
大
小
无
无
低
由此可知，GPRS对其他通讯方式而言，有着绝对性的优点，基于GPRS的数据传输系统就目前来讲是比较稳定、先进的传输系统，它具有周期短、数据传输速率快、监控覆盖范围广、通信费用低、通信服务质量安全可靠等特点。
数据传输时使用的是TCP/IP协议，具体的连接过程是首先将GPRS模块正常启动，然后通过单片机和GPRS模块连接的串口，向GPRS模块写入相应的AT指令，进行初始化，使模块成功附着在GPRS网络上，获得网络运行商分配的动态IP地址，从而与目的地端口建立连接，由于GPRS模块内部集成了TCP/IP协议，所以对于与IP协议相关的程序则不必编写，可以直接通过发送相应的AT指令发送数据。
此外需要注意的是，GPRS模块与Internet上的PC机在进行数据传输的时候，要求PC机具有公网的IP地址和开放的端口，以及监视传输报文的监视软件，这样，GPRS模块成功连接入网络之后，单片机只要将发送的数据通过串口发送给SIM300模块，SIM300模块就会将数据发送给具有相应IP地址的PC机，从而实现数据的传输。
4GPRS介绍及系统软、硬件设计
4.1GPRS模块
4.1.1GPRS技术简介
GPRS（GeneralPacketRadioSystem）是通用无线分组业务的缩写，它是介于第二代和第三代之间的一种技术，所以也被称为2.5G，它是在现有的GSM基础上叠加一个新的网络，形成了一种基于GSM的新型移动分组数据包交换技术，主要是通过升级GSM网络实现的，充分地利用GSM网络已经拥有的技术资源，也对原GSM系统的一些硬件设备和软件进行了升级。
与GSM系统相比，GPRS系统更具有优越性。
GPRS采用分组交换的传输模式，每个用户可同时占用一个或多个无线信道，同一无线信道又可由多个用户同时占有，用户只有在发送和接受数据的时候才占用资源，资源利用率
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