基于ARM控制器的高压电塔倾斜监测系统设计

发表时间:2017/12/7   来源:《电力设备》2017年第23期   作者:王春达1 蔡海波2 刘颖3
[导读] 摘要:针对山林地区高压电塔受破坏率不可控性和难以可观性,本文设计一款基于ARM控制器的智能电力塔自动数据采集系统,使用倾斜角度传感器进行监控测量后,经GPRS远距离传输,在PC端用上位机软件进行数据分析。
        (1.国网浙江省电力公司宁波供电公司  315600)(2.国网浙江省电力公司杭州供电公司  310000)
        (3.国网浙江松阳供电公司  310000)
        摘要:针对山林地区高压电塔受破坏率不可控性和难以可观性,本文设计一款基于ARM控制器的智能电力塔自动数据采集系统,使用倾斜角度传感器进行监控测量后,经GPRS远距离传输,在PC端用上位机软件进行数据分析。对电力塔倾斜、倒塌进行有效的报警,可以尽快的定点修复,而且耗资较小,容易实现。经过现场实验,得到稳定数据,可以实时监控电力塔是否有倾斜现象。
        关键词:ARM控制器;数据采集;GPRS无线;上位机;定点修复
        1引言
        2008年的特大雪灾至今还令我们难忘,在电视新闻中常常出现这么一幕:倒塌的电力塔,使得山区或高原大风地区通讯不正常。以往,我们用直升机或者人工进行巡检,但是耗资大,而且由于航道过低,容易造成安全事故,巡航繁琐。系统主要运用在电力塔(电力塔)的倾斜安全方面的监控(本文以下内容以电力塔作为举例)。运用角度传感器进行数据采集。GPRS和RF模块进行无线数据传输,上位机软件进行数据的分析和保存。
        目前该系统在国内还没有大范围运用,市场前景很好。监测系统在arm控制器的使用领域占有重要地位,对于高压电塔的倾斜问题进行完整的监控,是制定并实施相关应对措施的关键性举措。尤其在我国电网建设工作规模日益扩大的情况下,对高压电塔的倾斜问题进行处置,是维护arm控制器操作质量的一项十分重要的因素。在国外有些地区已经应用的相当成熟,而我国电力系统检测安全类产品的研发起步较晚,且客观条件有限。所以,在现场远程数据监控定向控制系统的推进中,此类产品仍具有很广泛的市场[1]。
        2电力塔倾斜数据通讯系统简介
        实现本系统的主要内容:上位机数据处理、GPRS无线网络传输[4]、RF无线传输、倾斜检测和自主供电系统。本系统主要运用场所为山区、高原等地。主要应付大风天气、极端大雪天气和低温冰冻天气。
        整个系统工作过程如下:按不同的电力塔在其上安装若干个倾斜传感器(适当地区可以安装温度、湿度、风力等传感器),检测倾斜角度,一个电塔的若干个传感器组成无线局域网,按一定的时间传输给终端。高压电塔由于组成因素较为复杂,必须在相关技术监控措施的维护之下进行技术处置,才能有效的保证运行的稳定性,确保电力资源的有效安全供应。再通过GPRS无线网络传输给基地终端。通过上位机软件将这些数据进行分析,勾画图1系统概念图出电塔倾斜及其他参数,以此数据可以做到防护和定位维修。
        3硬件设计
        3.1倾斜角传感器
        SCA100T是一个内部有两个工字梁的硅微机械传感器,精度很高。其中D02的测量范围为正负90度,使用SPI通信。它提供了水平测量仪表级别的性能,双轴高精度倾角传感器芯片的传感元件在测量时需要与测量平台保持平行,并且传感器双轴需相互垂直,低温度依赖性、高分辨率、低噪声和健全的传感元件设计[2]。如图2为SCA100T与主控芯片相互连接电路图,采用模拟SPI与单片机通信。
        3.2无线传感网络
        UTC-1212SE模块是一款比较新颖的RF无线模块,传输距离有300-900米。抗干扰能力强,支持串口通信,不需要再写驱动,支持中断唤醒功能,功耗低[3]。在节点与GPRS模块[5]之间的传输就是用此模块组建无线网络,每个电塔按不同需求安放RF节点,数据经无线网络传输到位于电塔底部的RF无线终端上,然后经过GPRS[6][7]传输给数据基站。串口传输至PC机用上位机软件进行数据分析存储。
        3.3太阳能、风能供电系统
        由于本系统运用地点基本都是人烟罕至的地方,长期给系统供电也是一个比较难解决的事情。该系统产用德国锂电池,虽然系统也做到低功耗,但是考虑到能长期使用,还是加装了太阳能风能供电系统。在平时工作已太阳能和风能为主并给电池充满电量,在无风太阳光能量不足的情况下改用电池供电。


        4软件设计
        4.1 RF数据协议设计
        4.1.1从机发送数据包采用格式:
        传送数据包括:传感器数据、温度数据、电池电压数据、时间戳数据等。
        4.1.2主机发送命令数据包:
        需要实现的命令功能有以下几种:校时、设定采样周期、设定ID。
        4.1.3命令数据包格式如下:
        4.1.4解包过程:
        <1>接受到包头后,先匹配ID,若ID不匹配则解包结束,丢弃错误包不做处理,若匹配转至<2>;
        <2>读取命令字段,确定数据包长,读取完整包,判断包尾,若包尾不正确则解包结束,丢弃错误包不做处理,若包尾正确转至<3>;
        <3>进行校验和处理,结果有误则解包结束,丢弃错误包不做处理,若结果正确转至<4>;
        <4>解析命令,解包结束。
        4.2上位机软件的具体实现
        本系统上位机软件采用C#编写,C#软件具有个性化配置功能,同时还提供可视化的监控界面。本次设计目前应用于工作在点对点的通信模式,根据工业上的实际要求,对原先完整的通信模式做了精简处理,但并不影响通信的通用性和兼容性。
        系统中的串行通信功能使用了COM控件,由于GPRS通信[8]的数据传输速度远低于电脑的工作速度,故使用COM的事件触发方式,提高上位机的运行效率。先关闭通信端口,设置端口参数:波特率为9600 bit/s,数据位为8位,停止位为2位,这些参数必须与下位机程序里的设置一致,否则将导致通信失败。设置完成以后,打开通信端口,一旦上位机收到响应帧,中断子程序(即接收中断入口),至接收数据完毕,存储数据,退出中断。然后通过标志位检查响应帧的命令号,以及计算校验码检查响应帧是否出错。若核对无误,说明响应帧是完整的,提取其数据域部分的数据,经过数据包解包协议,进行数据解析,然后再界面上显示。
        5结论
        本文以电力塔数据监测为研究对象,开发了整套能运用于山区、高原地区的电塔安全监测系统,定时或实时监控电塔,使电力系统更加安全。系统抗干扰能力强,功耗低,能保证长时间稳定工作。但是系统在测量精度上还有所欠缺,一些高温、低温严寒地区的抗干扰能力也还有待提高。
        参考文献:
        [1]朱晓艳.我国电力产业管制治理结构理论与实证研究[D].浙江大学,2005,(02).
        [2]SCA100T_inclinometer_datasheet_8261800A.doc 1-15:http://www.vti.fi
        [3]杭州威步技术有限公司网址:http://www.newmsg.com
        [4]郑家莉,黄炜.无线远程监控系统的核心技术研究[J]单片机与嵌入式系统应用,2004,(06).
        [5]蔡锐丹,许少云,甘义成.GPRS无线数据传输系统的设计与应用[J]电子质量,2004,(01).
        [6]范闻博,姚远,张其善.基于GPRS的数据采集远程网络监控系统[J]无线电工程,2004,(01).
        [7]郭勇,罗运先,吴雄英,寸树苍,王万林.单片机80C31构成的无线远程通信系统设计[J]成都理工大学学报(自然科学版),2003,(03).
        [8]金艳.GPRS/GSM在安全监控及数据采集中的应用[D]浙江大学, 2006
        作者简介:
        1.王春达(1963-),男,汉族,浙江省宁海人,职称:工程师,学历:大学本科,研究方向:变电站方向。
        2.蔡海波(1988-),男,汉族,浙江省诸暨人。
        3.刘颖(1988-),女,汉族,浙江诸暨人。
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