一种基于多传感器的输电线路状态监测系统
技术领域
本实用新型涉及输电线路监测技术领域，尤其涉及一种基于多传感器的输电线路状态监测系统。
背景技术
随着电力行业的迅猛发展，我国的电网规模及其覆盖范围不断扩大，电力资源以及电网线路所处的环境日趋复杂。每年由于恶劣环境造成的输电线路故障，给电力输电系统造成很大的亏损，经济损失巨大，因而对输电线路的参数监测是十分必要的。实时上传各项数据，监控输电线路的状态，及早发现事故的隐患并及时予以排除，使输电线路正常、安全、可靠的运行，对国民经济的又好又快发展具有重大意义。
起初，对输电线路情况的检测主要是人工巡视，实地测量，但输电线路多架设在人烟稀少、交通不便的地区，增加了巡检人员的劳动强度和危险系数，同时数据采集受主观影响较大，缺乏时效性和准确性。后来无人机技术的出现，极大地缓解了这些问题。但是当前由于无人机技术还处于刚刚发展的阶段，它存在技术不成熟，续航能力有限等问题，导致其无法持续工作，所以往往只有在应急巡检时才会使用无人机巡检的方式。
输电线路状态通常包括覆冰率、导线风偏、绝缘子污秽闪络、塔杆倒塌等。这些状态由温度湿度、风速风向、降雨量、空气质量、导线拉力倾角变化、植被、地形等决定的。传统的监测装置通过多个分散的传感器来获得这些数据，功耗大，同时也使得整个设备庞大、复杂，给安装人员带来了一定困难。此外，当前电网状态监测系统也极不稳定，数据时有时无，部分装置极易发生损坏，监测效率低。
实用新型内容
实用新型目的：针对以上问题，本实用新型提出一种输电线路状态监测系统，通过合理的结构化设计，使系统成为一个整体，解决了传统的监测装置体积大、各模块分散导致的安装困难问题，具有精度高、集成度高、全天候工作、数据实时传送的优点。
技术方案：为实现本实用新型的目的，本实用新型所采用的技术方案是：
一种输电线路状态监测系统，包括数据采集模块、单片机、无线传输模块、报警模块、上位机、供电模块；所述数据采集模块，置于电塔上并与单片机连接，用于采集气象数据，将采集到的气象数据传送至单片机；所述单片机，通过串口与数据采集模块相连接，用于处理数据采集模块传输的数据以及上位机发送的指令数据；所述无线传输模块，通过串口与单片机相连接，并与上位机无线连接，用于传输单片机发送的数据以及接收上位机发送的数据；所述报警模块，与单片机相连接，用于接收单片机的指令在线路状态异常时启动报警；所述上位机，用于接收处理以及展示无线传输模块发送的数据，根据电网故障等级模型生成故障等级并分级预警，将预警指令通过无线传输模块传递至单片机；所述供电模块，用于系统供电。
进一步，所述数据采集模块包括风速传感器、降雨量传感器、温度湿度传感器、空气质量传感器；所述风速传感器、降雨量传感器、空气质量传感器与温度湿度传感器放置于电塔上，并分别与单片机相连，用于采集气象数据，将数据传送给单片机；
进一步，所述数据采集模块还包括拉力传感器，拉力传感器分别与电线和单片机相连，用于采集输电线路形变数据，将数据传送给单片机。
进一步，所述数据采集模块还包括倾角传感器，倾角传感器置于绝缘子接地处，与单片机相连接，用于采集风偏角度数据，将数据传送给单片机。
进一步，所述数据采集模块还包括摄像机，摄像机置于电塔顶端，用于采集线路环境的图像和视频数据，摄像机与单片机相连接，将图像和视频数据传送给单片机。
优选的，所述风速传感器使用的是PH100SX数字式风速传感器。
优选的，所述降雨量传感器使用的是JD05雨量传感器。
优选的，所述温度湿度传感器使用的是DHT11温湿度传感器。
优选的，所述空气质量传感器使用的是PMS7003灰尘传感器。
优选的，所述拉力传感器使用的是FBG-S1贴片式应变传感器。
优选的，所述倾角传感器采用的是AS5047U磁性角度传感器。
优选的，所述摄像机使用的是OV7670摄像头。
优选的，所述单片机采用STM32F103VBT6单片机。
进一步，所述无线传输模块采用GPRS DTU模块。GPRS DTU模块通过串口与单片机相连，获取处理好的数据，将数据和所处地理位置信息发送到Internet网；上位机从Internet网中获取，处理，展示数据和图像，根据电网故障等级模型生成故障等级，并针对各个故障等级分别预警。气象部门、电力局、灾害监测部门可直接从Internet网中实时获取相关数据。
进一步，所述报警模块采用灯光报警装置，与单片机相连接，通过单片机控制报警。
进一步，所述供电模块包括太阳能电池板和蓄电池，用于数据采集模块、单片机、报警模块和无线传输模块的供电。
本实用新型将各类传感器和摄像机采集到的数据传送给单片机进行处理，单片机将处理好的数据和地理位置信息传送给GPRS DTU模块发送到Internet网并送达到上位机，上位机对数据进行复原、存储、展示，并根据故障等级模型结果和位置信息在电子地图上显示预警，同时通过GPRS DTU模块给装置反馈指令，单片机预设各个因素阈值，当数据出现异常时灯光报警器闪烁报警，同时上位机反馈的指令也可控制灯光报警器报警。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下有益的技术效果：
相比于人工输电线路监测，考虑到电网输电线路所处环境复杂，人工监测难度大，同时采集的数据易受主观因素影响，导致误差，且实时性较差，本实用新型通过传感器测量，单片机处理数据，GPRS DTU模块实时传输，保证了输电线路状态监测的高效率、准确性和实时性。
相比于现有的输电线路监测装置，仅获取到输电线路周围的气象信息，不能全面反映输电线路状态，本实用新型通过摄像机、拉力传感器和倾角传感器对输电线路周围的环境信息和线路的拉力、角度变化信息进行监测，获得的信息更全面，数据分析结果更精确。本实用新型对输电线路多种数据进行监测，数据可靠性高，结构合理，易于安装，预警显示直观清晰，同时具有实时性、持续性、高效性。
附图说明
图1是本实用新型实施例整体结构图；
图2是本实用新型实施例GPRS原理结构图；
图3是本实用新型实施例上位机数据处理流程图。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。
如图1所示，本实用新型所述的一种输电线路状态监测系统，包括风速传感器、降雨量传感器、温度湿度传感器、空气质量传感器、拉力传感器、倾角传感器、摄像机、单片机、灯光报警器、GPRS DTU模块和供电模块。
所述风速传感器、降雨量传感器、空气质量传感器与温度湿度传感器放置于电塔上，实现对气象数据的采集；拉力传感器与电线相连，实现对输电线路形变数据的采集；倾角传感器置于绝缘子接地处，实现对风偏角度数据的采集；摄像机置于电塔顶端，实现对环境图像数据的采集。
所述风速传感器使用的是PH100SX数字式风速传感器。
所述降雨量传感器使用的是JD05雨量传感器。
所述温度湿度传感器使用的是DHT11温湿度传感器。
所述空气质量传感器使用的是PMS7003灰尘传感器。
所述拉力传感器使用的是FBG-S1贴片式应变传感器。
所述倾角传感器采用的是AS5047U高分辨率磁性角度传感器。
所述摄像机使用的是OV7670摄像头。它的工作原理是光照射到感光阵列产生相应电荷，电荷传输到模拟信号处理单元，再由A/D转换器转换为数字信号，用于传输。 OV7670摄像头具有体积小，工作电压低，灵敏度高，支持I2C接口的优点。
所述单片机通过串口接收传感器和摄像机传来的数据进行处理，同时根据预设的阈值和接收的上位机的指令来决定是否启动灯光报警器。本实施例采用STM32F103VBT6 单片机，STM32系列单片机采用目前应用最广泛的ARM内核，集成了非常丰富的接口，通信模块以及其他功能模块，开发工具齐全，开发资料也比较丰富，有休眠、待机、停止这三种模式，具有高性能、低成本、低功耗、实时性强的优点，是目前中国第一大微控制器品牌。
所述GPRS DTU通过串口与单片机相连，将单片机处理好的数据和地理位置信息发送到Internet网并最终到达上位机，同时将上位机发出的指令送达单片机。本实施例中的GRPS模块使用的是SIM900A，GPRS信号覆盖范围广，传输速度快且稳定，适合实时传输小量数据。同时GPRS支持TCP/IP协议，很容易便可连接到Internet，如图2所示，GPRS结构主要分为无线接入部分和核心网络部分，无线接入部分作用是控制用户通过无线接入到移动通信网络中来。核心网络GSN在基站子系统与标准数据通信网边界网关之间中继传输数据，包括SGSN和GGSN两个部分。SGSN主要用于为在其地理范围内的移动站传递数据包，相当于无线网络中的路由节点，SGSN的位置寄存器保存着位置信息。GSGN是整个GPRS网络的网关，位于GPRS网络和外部分组交换网络 (Internet)之间，这样就可以将数据分享到各个需要的部门，如气象局、电力局、灾害监测中心。
所述上位机接收、处理、存储并展示数据，根据电网故障等级模型生成故障等级，并在电子地图上分级预警，同时发送预警指令到单片机。所述上位机接收来自Internet 的数据，接收流程如图3所示。上位机接收数据之前要对界面和套接字进行初始化操作，然后等待数据包的接收。当接收到数据包之后，首先对数据包的合法性进行判断，然后在根据数据包的类型进行气象/线路数据或图像数据的判别、提取和存储，并且更新气象 /线路或图像信息的界面，根据故障等级模型结果确定是否预警，最后回到等待接受的状态。所述上位机存储线路数据采用的是Oracle数据库。Oracle可存储大量数据，电路状态监测是一个长期的过程，会积累长时间的数据，数据量较大。同时Oracle安全性高，处理速度快。Oracle在数据库领域一直处于领先地位，由于有先进技术的不断更新，目前Oracle产品覆盖甚广，成为了世界上使用最广泛的关系数据系统之一。
所述灯光报警器，与单片机相连接，用于在线路状态异常时报警；本实施例采用的是YS01F声光报警器；YS01F小型声光报警器内芯采用先进的专用集成电路设计，具有抗干扰能力强，工作稳定的特点；闪光灯使用目前比较流行的LED灯管制造而成，使得灯管的使用寿命大大延长；同时YS01F还具有重量轻、防水、抗强震、安装便利的优点。
所述供电模块为传感器、摄像机、灯光报警器和单片机供电。所述供电模块采用的是蓄电池和太阳能相结合的方式，能够保证在输电线路发生故障的情况下，监测系统依然能够持续工作，保证数据的实时传输。
