基于无线传感器网络的输电线路覆冰监测系统设计

发布时间：2017-09-11 05:02

  本文关键词：基于无线传感器网络的输电线路覆冰监测系统设计

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【摘要】：输电线路是电力系统的命脉,输电线路覆冰超额将导致输电线路故障、大面积停电等严重后果,建立一套架空输电线路覆冰在线监测系统,能够有效减少输电线路故障的发生,对保障电网的安全稳定运行具有重要意义。本文提出一种基于无线传感器网络实现输电线路覆冰监测系统的设计方案,主要开展了以下研究工作:1、通过分析与比较确定了覆冰在线监测系统的结构。覆冰监测终端采用拉力传感器、倾角传感器、风速风向传感器和温湿度传感器采集覆冰状态信息和气象信息,并通过ZigBee无线传感器网络和GPRS无线通信技术将监测信息传输到远程监控中心。2、研究了基于静力学的等值覆冰厚度计算模型。对绝缘子串悬挂点进行静力学分析,在垂直平面竖直方向上建立静力学平衡方程;研究了基于卡尔曼滤波算法求取绝缘子串拉力、风偏角和偏斜角的方法;综合考虑温度和应力对导线长度的影响,考虑导线最低点落在档距外和偏移的情况,在风偏平面内根据导线应变参数关系求解导线自重载荷和冰载荷,对等值覆冰厚度计算模型进行了改进。3、研究了覆冰监测终端低功耗技术。从稳压芯片选型、供电控制方式、控制器休眠方式及通信控制方式等多角度降低系统功耗,基于低功耗技术设计输电线路覆冰监测终端的结构组成并分析各部分的电路原理及元器件选择。4、设计并实现了基于Z-Stack协议栈的覆冰监测终端软件。覆冰监测终端软件主要包括通信接口程序设计和传感器数据处理程序设计两方面,该软件实现了对导线覆冰状态数据和气象数据进行采集、处理和传输等功能。5、测试覆冰监测终端功能和性能并研究修正方法。结果表明:覆冰监测终端具有稳定的数据采集、数据处理和通信等功能,太阳能电池板和终端低功耗性能良好,等值覆冰厚度计算模型计算精度高,满足覆冰监测要求。
【关键词】：无线传感器网络 ZigBee技术 覆冰 在线监测 卡尔曼滤波 Z-Stack协议栈
【学位授予单位】：上海电力学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM752;TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 研究背景与意义10
• 1.2 输电线路覆冰在线监测技术研究现状10-13
• 1.3 无线传感器网络应用在电力设施监测领域的研究现状13-14
• 1.4 论文的主要工作和内容14-16
• 2 输电线路覆冰监测系统总体设计方案16-28
• 2.1 输电线路杆塔类型16
• 2.2 覆冰监测系统功能与结构框架16-18
• 2.3 覆冰监测终端供电方案研究18-20
• 2.4 无线通信技术方案研究20-23
• 2.4.1 远程无线通信方案研究20-22
• 2.4.2 短程无线通信方案研究22-23
• 2.5 多源传感器的选择23-24
• 2.6 覆冰监测系统结构24-26
• 2.7 论文的核心研究内容26-27
• 2.8 本章小结27-28
• 3 输电线路覆冰监测系统覆冰厚度计算模型28-41
• 3.1 风载荷对输电线路的影响28-29
• 3.2 基于静力学求解覆冰厚度计算模型的科学性证明29-30
• 3.3 绝缘子串悬挂点静力学分析30-31
• 3.4 绝缘子串稳态平衡参数的计算31-34
• 3.4.1 参数的最优状态估计31-32
• 3.4.2 卡尔曼滤波算法32-33
• 3.4.3 极值求解方法33
• 3.4.4 绝缘子串稳态风偏角与极值风偏角的关系33-34
• 3.4.5 绝缘子串稳态平衡参数的计算34
• 3.5 等值覆冰厚度计算模型34-40
• 3.5.1 垂直平面内线路静力学分析34-36
• 3.5.2 风偏平面内线路静力学分析36-37
• 3.5.3 风偏平面内导线自重和冰载荷的计算37-39
• 3.5.4 垂直平面内覆冰厚度计算39
• 3.5.5 更新线路长度和垂直综合比载39-40
• 3.6 本章小结40-41
• 4 输电线路覆冰监测终端硬件设计41-53
• 4.1 输电线路覆冰监测终端系统结构41-42
• 4.2 CC2530控制单元硬件设计42
• 4.3 TTL转RS485通信单元硬件设计42-43
• 4.4 GPRS通信单元硬件设计43-44
• 4.5 供电电源单元硬件设计44-51
• 4.5.1 隔离电源电路设计45-46
• 4.5.2 低功耗节能供电控制单元设计46-48
• 4.5.3 蓄电池容量计算模型48
• 4.5.4 太阳能电池板功率计算模型48-49
• 4.5.5 监测终端平均功耗估算49
• 4.5.6 太阳能电池板和蓄电池的选择49-50
• 4.5.7 太阳能自动充放电电路设计50-51
• 4.6 抗干扰设计51
• 4.7 输电线路覆冰在线监测系统实物图51-52
• 4.8 本章小结52-53
• 5 输电线路覆冰监测终端软件设计53-65
• 5.1 覆冰监测系统软件功能需求分析53
• 5.2 ZIGBEE无线传感器网络软件设计53-59
• 5.2.1 ZigBee无线传感器网络拓扑结构53-54
• 5.2.2 ZigBee无线传感器网络协议栈54-55
• 5.2.3 Z-Stack协议栈软件设计55-59
• 5.3 通信接.程序设计59-62
• 5.3.1 RS485通信程序设计60-61
• 5.3.2 ZigBee通信程序设计61
• 5.3.3 GPRS通信程序设计61-62
• 5.4 传感器数据处理程序设计62-64
• 5.4.1 气象参数计算62
• 5.4.2 等值覆冰厚度计算62-64
• 5.5 本章小结64-65
• 6 覆冰监测终端功能与性能测试65-75
• 6.1 传感器性能测试65-68
• 6.1.1 拉力传感器性能测试65-67
• 6.1.2 倾角传感器性能测试67-68
• 6.2 太阳能电池板性能测试68-70
• 6.3 覆冰监测终端低功耗测试70
• 6.4 传感器数据采集功能测试70
• 6.5 无线通信系统功能与性能测试70-73
• 6.5.1 ZigBee无线通信功能测试70-71
• 6.5.2 GPRS无线通信功能测试71-72
• 6.5.3 ZigBee无线通信丢包率测试72
• 6.5.4 ZigBee无线通信距离测试72-73
• 6.6 等值覆冰厚度计算模型测试73-74
• 6.7 本章小结74-75
• 7 结论与展望75-77
• 7.1 结论75
• 7.2 展望75-77
• 参考文献77-80
• 致谢80-81
• 攻读学位期间取得的研究成果81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 李成宾;杨志;黄春林;;光纤布里渊传感在输电线路覆冰监测中的应用[J];电力系统通信;2009年06期

2 冯建勤;冯巧玲;魏云冰;丁莉芬;;基于短信技术的电机转子温度在线监测(Ⅱ)——数据通信与通信协议[J];电力自动化设备;2008年11期

3 李正;杨靖波;韩军科;黄廷政;黄璜;;2008年输电线路冰灾倒塔原因分析[J];电网技术;2009年02期

4 胡毅;;电网大面积冰灾分析及对策探讨[J];高电压技术;2008年02期

5 张予;;架空输电线路导线覆冰在线监测系统[J];高电压技术;2008年09期

6 汪江;田万军;;输电线路覆冰重量和厚度在线监测系统的研究[J];华东电力;2009年09期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 敦卓;电容感应式架空输电线路覆冰厚度模拟监测传感器及其系统的研究[D];太原理工大学;2014年

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本文编号：828728