1、 說 明 書基于加速度傳感器的輸電線路舞動在線監測系統 技術領域本發設備狀態在測試用例線監測技術領域，涉及一種輸電線路舞動在線線監測系統。近年來，受災害性氣象條件的影響，架空輸電線路舞動事故發生的頻率和強度明顯增加，造成了巨大的經濟損失，嚴重影響了電網的安全運行，對輸電導線舞動進行有效監測成為當務之急。目前，對輸電線路舞動的監測，是在覆冰在線監測系統測舞動的頻率等信息來進行計算，判斷輸電線路是否舞動。由于輸電線路舞動受隨機因素影響大，使得舞動數學模型不確定，造成計算不準確。同時，輸電線路的舞動特征隨不同影響參量而變化，僅僅監測舞動頻率線路的舞動波形。發明內容本發明的目的是提供一種基于加速度傳感

2、器的輸電線路舞動在線監測系統，實時在線監測輸電線路的舞動，能準確反映輸電線路的舞動波形，對輸電線路舞動進行直接有效的監測。本發明所采用的技術方案是，與權利要求對應，暫時不寫本發明監測系統的特點： 1.采用加速度傳感器測量相應監測點處的位移加速度，通過對輸電線路運動軌跡的擬合，實現對輸電線路舞動最直接、最直觀的監測，大大提高了監測的精度。2.采用ZigBee技術，通過ZigBee節點方便地組網，實現了低成本、低耗電、網絡節點多、傳輸距離遠的加速度無線傳感器網絡。3.采用GPRS無線通信技術進行數據傳輸與控制，避免了傳統數據傳輸方式帶來的電纜施工，大大降低了施工的難度和系統安裝成本；系統既可連續安

3、裝又可離散安裝。4.采用各種低功耗、超低功耗的傳感器和微處理器芯片，大大降低了系統的功耗；采用太陽能加蓄電池充放電電路，為系統提供穩定的電源，使得系統可以連續、長期、穩定地在野外工作。 5.采用B/S模式實現遠程監控，客戶端免維護，使系統的分布相對集中，有利于系統的維護，具有較好的可擴展性以及靈活性；6.基于對前期導線舞動相關數據的研究，監控中心的上位機軟件嵌入了多種智能算法，大大減小了數據的誤差，提高了數據的擬合精度；附圖說明圖1是本發明監測系統一種實施例的結構示意圖；圖2是本發明監測系統中桿塔監測分機的結構示意圖；圖3是本發明監測系統中的無線加速度傳感器節點的結構示意圖；圖4是本發明監測系

4、統中電源模塊的結構示意圖；圖5是本發明監測系統中的無線加速度傳感器節點的程序流程圖；圖6是本發明監測系統中桿塔監測分機的流程圖。圖中，1.無線加速度傳感器節點，2.桿塔監測分機，3.GPRS通信模塊，4.監控中心，5.電源模塊，6.微處理器單元，7.ZigBee通信模塊，8.數據存儲單元，9.液晶顯示模塊，10.雨量傳感器，11.壓力傳感器，12.角位移傳感器，13.溫濕度傳感器，14.風速傳感器，15.風向傳感器，日照強度傳感器，17.舞動信息信號處理單元，18.加速度傳感器。其中，5-1.太陽能電池，5-2.充電保護電路，5-3.場效應管A，5-4.+12V蓄電池，5-5.場效應管B，5-

5、6.放電保護電路，5-7定時斷電復位電路，5-8. +5V電源穩壓器，7-1.無線單片機，7-2.外部天線，7-3.印刷版微波傳輸線。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。本發明監測系統一種實施例的結構，如圖1所示，包括多個無線加速度傳感器節點1、多個桿塔監測分機2、GPRS通信模塊3、監控中心4和電源模塊5。無線加速度傳感器節點1，用于采集輸電線路監測點的位移加速度信號，并將采集的信號傳輸給桿塔監測分機2；桿塔監測分機2用于監測采集輸電線路周圍環境的局部氣象信息和桿塔線路的覆冰狀況信息，用于接收無線加速度傳感器節點1發送的信號，用于將采集的信息和接收到的信號進行分析處理

6、、儲存和顯示，并將處理得到的數據送到GPRS通信模塊3，且一個桿塔監測分機2用于接收若干無線加速度傳感器1傳輸的信號；GPRS通信模塊3采用H7118C GPRS DTU，用于接收桿塔監測分機2發送的信息，并將接收到的信息傳輸至監控中心4，用于接收監控中心4發出的指令，并將接收到的指令傳輸給桿塔監測分機2；監控中心4，用于發出指令，并將該指令發送給GPRS通信模塊3，用于接收GPRS通信模塊3發送的數據，對接收到的數據進行處理、分析和存儲；電源模塊5由蓄電池、太陽能電池板和太陽能充放電電路組成，用于為無線加速度傳感器節點1、桿塔監測分機2和GPRS通信模塊3提供穩定的5V及12V電源。各無線加

7、速度傳感器節點1都具有獨立的控制器和電源，多個無線加速度傳感器節點1組成傳感器網絡。本發明監測系統中桿塔監測分機2的結構，如圖2所示，包括微處理器單元6，微處理器單元6分別與電源模塊5、ZigBee通信模塊7、數據存儲單元8、液晶顯示單元9和舞動信息信號處理單元17相連接，舞動信息信號處理單元17分別與雨量傳感器10、壓力傳感器11、角位移傳感器12、溫濕度傳感器13、風速傳感器14、風向傳感器15和日照強度傳感器16相連接。 桿塔監測分機2主要完成輸電線路周圍環境氣象信息以及桿塔線路環境溫濕度、風速、風向、雨量、日照強度、桿塔處線路的拉力和風偏角等信息的采集，并將接收到的無線加速度傳感器節點

8、1發送的數據進行處理、打包，并存儲重要信息，同時控制液晶顯示和GPRS通訊等。桿塔監測分機2中的微處理器單元6選用TI公司的16位MSP430F247微處理器，具備超低功耗和豐富的外設，具有1個帶有3個比較/捕獲通道的16位定時器A和1個帶有7個比較/捕獲通道的16位定時器B，微處理器內部集成了多個12位ADC模塊，可以快速處理各種數字信號、模擬信號以及脈沖信號，該微處理器除了活動模式外還有4種低功耗模式，在實現高性能的同時，降低系統功耗。 溫濕度傳感器13選用瑞士Sensirion公司基于CMOSensTM技術的溫濕度傳感器SHT1x，該傳感器將CMOS芯片技術與傳感器技術相結合，并帶有工業

9、標準的I²C總線數字輸出接口，濕度值和溫度值的輸出分辨率分別為14位和12位，并可編程為12位和8位。該傳感器測量時的電流消耗為550A，平均為28A，休眠時為3A，并且具有很好的穩定性。風速傳感器14采用低門檻值（0.4m/s）、測量范圍075m/s 的三杯式光電風速傳感器WAA15，其輸出信號為脈沖信號，信號頻率與風速成正比，通過單位時間內的計頻完成風速測量。風向傳感器15為單翼風標，風標轉動時，帶動格雷碼盤（七位，分辨率為2.80）轉動，格雷碼盤每轉動2.80，光電管組產生新的七位并行格雷碼數字信號輸出。雨量傳感器10采用翻斗雨量傳感器，輸出脈沖信號。角位移傳感器12和壓力傳感

10、器11分別輸出05V的模擬信號，該模擬信號直接輸入接到微處理器單元6的模擬I/O進行處理。日照強度傳感器16采用錦州陽光科技發展有限公司的TBQ-2傳感器，用于測量日照強度，該傳感器輸出020mV的模擬電壓信號，經過多極放大后調制為02.5V的模擬信號。桿塔監測分機2的微處理器單元6為3.3V低功耗系統，很多輸入輸出信號不匹配，為此系統中采用了大量的保護電路，同時由于工作在2.4G頻率帶上的ZigBee節點，系統采用了高頻干擾，在桿塔監測分機2中采取了多種抗干擾措施，確保了桿塔監測分機2工作的穩定性。本發明監測系統中無線加速度傳感器節點1的結構，如圖3所示，包括相連接的ZigBee通信模塊7和

11、加速度傳感器18，ZigBee通信模塊7包括無線單片機7-1，無線單片機7-1的引腳16、引腳17和引腳18分別與加速度傳感器18的引腳12、引腳10和引腳8相連接，無線單片機7-1的引腳44與電容C1串聯，電容C1接地，無線單片機7-1的引腳43與電容C2串聯，電容C2接地，引腳44與引腳43之間并聯有晶振1；無線單片機7-1的引腳19與電容C5串聯，電容C5接地，無線單片機7-1的引腳21與電容C4串聯，電容C4接地；無線單片機7-1的引腳32分別與電感L2的一端和印刷版微波傳輸線7-3的一端相連接，電感L2的另一端與無線單片機7-1的引腳34相連接，印刷版微波傳輸線7-3的另一端分別與電

12、感L2的另一端、引腳34和電感L3的一端相連接，電感L3的另一端與電容C3串聯，電容C3與外部天線7-2相連接。加速度傳感器18采用三軸加速度傳感器ADXL330。三軸加速度傳感器ADXL330功耗低、靈敏度高，最大測量范圍為+/-3g，X軸和Y軸的帶寬為0.51600Hz，Z軸帶寬為0.5550Hz；ZigBee通信模塊7采用TI公司的低功耗芯片CC2430，工作時的電流損耗為27mA，在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA 或25 mA。可提供模擬電壓輸出，能測量出任意時刻輸出導線沿X軸、Y軸和Z軸三個方向的位移加速度分量。ZigBee通信模塊7基于TI公司的低功耗芯片CC2430

13、，采用了非平衡天線和與其相連接的非平衡變壓器。非平衡變壓器由電感L1、電感L2和印刷版微波傳輸線7-3組成，能滿足RF輸入/輸出匹配電阻（50）的要求，為了進一步提高無線傳輸距離，增加了接收天線,該接收天線由電容C3、電感L3H和外部天線7-3構成；晶振1、電容C1和電容C2 為無線單片機7-1提供32.768KHz的時鐘源；晶振2、電容C4和電容C5為無線單片機7-1提供32M的時鐘源。加速度傳感器18三個方向的輸出引腳12、引腳10和引腳8分別接到無線單片機7-1的模擬輸入引腳16、引腳17和引腳18，實現了無線單片機7-1對加速度傳感器18產生的信號數據的采集。無線加速度傳感器節點1由兩

14、節串聯的1.5伏電池提供3伏電源。在一段輸電線路上布置若干個無線加速度傳感器節點1，各無線加速度傳感器節點1共同組成樹狀的無線加速度傳感器網絡，該傳感器網絡中，路由器節點和終端節點定時/實時發送各自的三個方向的加速度分量至桿塔監測分機2的接收模塊（協調器節點），同時各路由器節點還負責該傳感器網絡中數據的中繼。協調器節點一方面負責整個網絡的維護工作，另一方面將接收的數據發送給桿塔監測分機2的微處理器單元6。本發明監測系統中電源模塊5的結構，如圖4所示，包括依次并聯設置的太陽能電池5-1、電阻R1、充電保護電路5-2、場效應管A5-3、+12V蓄電池5-4、放電保護電路5-6、定時斷電電路5-7和

15、+5V電源穩壓器5-8，太陽能電池5-1的正極和負極分別與+12V蓄電池5-4的正極和負極相連接，太陽能電池5-1和+12V蓄電池5-4的負極接地，太陽能電池5-1的正極與+12V蓄電池5-4的正極之間串聯有二極管D1，二極管D1位于+12V蓄電池5-4和場效應管A5-3之間，二極管D1的負極與+12V蓄電池5-4的正極相連接，場效應管A5-3還與充電保護電路5-2相連接，電阻R2與放電保護電路5-6之間連接有場效應管B5-5，場效應管B5-5與+12V蓄電池5-4的負極相連接。本監測系統在野外工作，很難取電，電源模塊5采用太陽能加蓄電池的供電模式，為系統提供穩定的5伏和12伏電源。并采用了充

16、電保護電路5-2、放電保護電路5-6和定時斷電復位電路5-7。二極管D1用于陰雨天和夜晚無太陽光時，+12V蓄電池5-4對太陽能電池5-1放電；電阻R1和電阻R2 為壓敏電阻，用于防雷擊保護；場效應管A5-3用于充電控制，場效應管B5-5用于放電控制。GPRS通信模塊3支持雙頻GSM/GPRS，符合ETSI GSM Phase 2+標準，數據終端永遠在線，支持A5/1&A5/5加密算法、透明數據傳輸與協議轉換，支持虛擬數據專用網、短消息數據備用通道（選項），支持動態數據中心域名和IP地址，支持RS-232/422/485或以太網接口，可通過Xmodem協議進行軟件升級，并具備自診斷、告

17、警輸出和抗干擾性能，適于電磁環境惡劣環境中應用的需求，該模塊采用先進電源技術，供電電源適應范圍寬，穩定性較好，選配防潮外殼，適合室外使用。可直接與監控終端設備連接，實現GPRS撥號上網功能。該模塊性能穩定，足以滿足系統設計需要。本監測系統中各個無線加速度傳感器節點1為了降低功耗，上電后就處于睡眠狀態（低功耗狀態），當接收到協調器節點發送的采集加速度值的命令后，即刻從休眠模式轉到主動模式，開始采集監測點處輸電導線三個方向的位移加速度值，并將采集的位移加速度值發送給協調器節點，發送成功后無線加速度傳感器節點1再次轉入睡眠模式，其流程圖，如圖6所示。桿塔監測分機2的流程圖，如圖7所示，桿塔監測分機2

18、上電自檢成功后，為減少系統的功耗，轉入低功耗模式。當桿塔監測分機2接收到監控中心4發出的采集和發送數據的命令后，立刻從低功耗模式轉入活動模式，一方面讓安裝于桿塔監測分機2上的協調器節點向其它節點發送采集加速度值的命令，另一方面微處理器單元6開始采集桿塔上各個傳感器發出的信號，當兩路數據全部采集完畢后，微處理器單元6控制GPRS通信模塊3，將采集的數據發送至監控中心4，數據發送成功后，桿塔監測分機2再次轉入低功耗狀態。本發明監測系統的工作過程：將傳感器網絡的各節點安裝于輸電導線的特征點上，在輸電導線運動過程中協調器節點命令其它各節點控制器，通過加速度傳感器18采集輸電導線各監測點在運動過程中三個

19、坐標的位移加速度分量。終端節點、路由節點與協調器節點之間采取樹形網絡拓樸結構，利用ZigBee無線方式進行短距離通信，將采集的信息發送至桿塔監測分機2。桿塔監測分機2一方面集中各傳感器節點上傳的信息，另一方面通過對輸電線路覆冰厚度（桿塔線路處的拉力、風偏角）、氣象信息（溫度、濕度、風速、風向和雨量等），計算出一些重要的輸電線路舞動信息，并對該兩部分信息進行分析和相應的數據處理后，將處理后的數據通過GPRS通信模塊3遠距離無線輸送到監控中心4。監控中心4根據接收到的實時輸電線路舞動信息數據進行不同的處理，對相應的數據進行擬合，實時生成輸電導線某一監測點在不同時期的位移變化圖以及整條輸電線路的位移

20、變化圖，還可以根據得到的相關信息預測未來某一時刻輸電線路位移變化的圖形。本發明監測系統，實時/定時采集輸電線路各監測點處三個方向的位移加速度值，經過定量計算和定性分析，準確得到輸電線路各監測點處的相對位移，并擬合出輸電線路在每一時刻的運動軌跡，實現了對輸電線路導線舞動最直接、最有效的監測。 說 明 書 附 圖圖1圖2（圖中17是獨立的一個單元？如是自己設計的，請給出該單元的結構圖）圖3圖4圖5 圖6 權 利 要 求 書1. 基于加速度傳感器的輸電線路舞動在線監測系統，其特征在于，該監測系統包括多個無線加速度傳感器節點（1）、多個桿塔監測分機（2）、GPRS通信模塊（3）、監控中心（4）和電源模

21、塊（5），其中， 無線加速度傳感器節點（1）用于采集輸電線路監測點的位移加速度信號，并將采集的信號傳輸給桿塔監測分機（2）；桿塔監測分機（2），用于監測采集輸電線路周圍環境的局部氣象信息和桿塔線路的覆冰狀況信息，用于接收無線加速度傳感器節點（1）發送的信號，用于將采集的信息和接收到的信號進行分析處理、儲存和顯示，并將處理得到的數據送到GPRS通信模塊（3），且一個桿塔監測分機（2）用于接收若干無線加速度傳感器節點（1）發送的信號；GPRS通信模塊（3）采用H7118C GPRS DTU，用于接收桿塔監測分機（2）發送的信息，并將接收到的信息傳輸至監控中心（4），用于接收監控中心（4）發出的指令

22、，并將接收到的指令傳輸給桿塔監測分機（2）；監控中心（4），用于發出指令，并將該指令發送給GPRS通信模塊（3），用于接收桿GPRS通信模塊（3）發送的數據，對接收到的數據進行處理、分析和存儲；電源模塊（5），用于為無線加速度傳感器節點（1）、桿塔監測分機（2）和GPRS通信模塊（3）提供穩定的5V及12V電源。2. 按照權利要求1所述的監測系統，其特征在于，所述的無線加速度傳感器節點（1）包括相連接的ZigBee通信模塊（7）和加速度傳感器（18），所述的加速度傳感器（18）采用三軸加速度傳感器ADXL330，所述的ZigBee通信模塊（7）包括無線單片機（7-1），無線單片機（7-1）的引

23、腳16、引腳17和引腳18分別與加速度傳感器（18）的引腳12、引腳10和引腳8相連接，無線單片機（7-1）的引腳44與電容C1串聯，電容C1接地，無線單片機（7-1）的引腳43與電容C2串聯，電容C2接地，無線單片機（7-1）的引腳44與引腳43之間并聯有晶振1，無線單片機（7-1）的引腳19與電容C5串聯，電容C5接地，無線單片機（7-1）的引腳21與電容C4串聯，電容C4接地，無線單片機（7-1）的引腳32分別與電感L2的一端和印刷版微波傳輸線（7-3）的一端相連接，電感L2的另一端與無線單片機（7-1）的引腳34相連接，印刷版微波傳輸線（7-3）的另一端分別與電感L2的另一端、引腳34和電感L3的一端相連接，電感L3的另一端與電容C3串聯，電容C3與外部天線（7-2）相連接。3. 按照權利要求1或2所述的監測系統，其特征在于，所述的桿塔監測分機（2）的結構包括：微處理器單元（6）分別與數據存儲單元（8）、液晶顯示單元（9）和舞動信息信號處理單元（17）相連接，舞動信息信號處理單元（17）分別與雨量傳感器（10）、壓力傳感器（11）、角位移傳感器（