1、I摘 要随着我国电力事业的快速发展，输电线路网络大面积铺设，并呈现出杆塔多、线路长的特征。输电杆塔大多处在复杂的野外自然环境，并且具有高耸入云的特殊结构。一旦输电杆塔遭到破坏，将导致电力供应中断，影响工农业生产及人民群众的正常生活，严重时会导致火灾等次生灾害，造成无法挽回的经济损失。因此，杆塔振动分析及监测具有重要的研究价值和使用价值。本文研究的主要内容：针对输电杆塔高耸入云的特殊结构及其所处的特殊外部环境，设计一种输电线路杆塔振动状态识别单元。具体方法：在输电杆塔上安装振动传感器，采集输电杆塔受外部异物撞击时的振动信号。信号经调理电路处理后，送入单片机进行处理。采样得到的振动数据信息，经傅里
2、叶变换（FFT）后，得到振动信号的振动频率及其对应的幅值，将其作为振动特征参数，判断输电杆塔的振动情况。同时利用无线通信 ZigBee 技术将监测结果实时地发送至远端的主站。经仿真实验及实践分析表明，输电杆塔振动识别单元准确性高，监测距离长，具有较强的抗干扰能力。杆塔振动识别单元具有重要的研究意义和现实价值。关键词： 输电线路杆塔； 快速傅里叶变换(FFT)； ZigBee 技术； 振动检测IIAbstractWith the rapid development of Chinas power industry, transmission line network shows the char
3、acteristics of having more tower and longer cable. Transmission towers are mostly in complex natural environment, and having a special structure high into the air. Once the transmission towers are destroyed, it will cause power outages, and will influence industrial and agricultural production and p
4、eoples normal life, even will lead to serious secondary disasters such as fire, resulting in irreparable economic losses. Therefore, the tower vibration analysis and monitoring has important research value and use value.The main content of this paper: in view of the special structure of the transmis
5、sion tower high into the sky and the special external environment around it, a transmission line tower vibration state recognition unit is designed. Specific methods: vibration sensors are installed on transmission tower, collecting the vibration signals when transmission tower is hit by objects fro
6、m outside. After processed by adjusting circuit，signals are sent into the microcontroller for processing. It will get the vibration frequency and the corresponding amplitudes after Fourier transform (FFT) of the sampled Vibration data, as vibration characteristic parameters to determine the vibratio
7、n transmission tower. At the same time using the ZigBee wireless communication technology, the monitoring results in real-time will be sent to the remote host.The simulation experiments and practical analysis have showed that the transmission tower vibration identification unit has the features of h
8、igh accuracy, long distance monitoring and strong anti-interference ability. Tower vibration identification unit has important research significance and practical value.Key words： Transmission line tower； Fast Fourier transform(FFT)； ZigBee； Vibration detectionIII目 录1 绪论.11.1 课题研究的意义 .11.2 国内外发展与现状
9、.11.3 本文主要研究内容 .22 输电杆塔振动识别单元的整体设计方案.32.1 输电杆塔振动识别单元的硬件设计方案 .32.1.1 传感器.42.1.2 微处理器.52.1.3 无线通信.52.1.4 电源转换模块.62.2 软件设计方案 .82.3 本章总结 .83 输电杆塔振动识别单元的硬件实现.103.1 系统电源设计 .103.1.1 IAS-2W 系列 DC-DC 转换器 .113.1.2 AS1117 芯片电路连接图 .113.1.3 MC1403 电路连接图 .123.2 振动信号调理电路设计 .123.2.1 放大电路设计.123.2.2 滤波电路设计.133.2.3 限幅
10、电路设计.143.2.4 加法电路设计.153.3 微处理器芯片外围电路设计 .163.3.1 JTAG 调试接口 .173.3.2 晶体振荡电路.173.4 通讯模块的实现 .183.5 本章总结 .184 输电杆塔振动识别单元的软件实现.204.1 总体程序设计 .20IV4.2 单片机相关配置 .224.2.1 端口配置.224.2.2 ADC0 和 DMA0.234.3 MODBUS 通信协议 .244.4 快速傅里叶变换 .244.5 本章总结 .275 测试与分析.285.1 系统功耗测试 .285.2 调理电路测试与分析 .285.3 无线通信测试与分析 .306 结束语.32参
11、考文献.33致 谢.35附录 A.3611 绪论1.1 课题研究的意义安全生产是电力企业永恒的主题，一旦电网出现故障，停电区域的工农业生产将完全停止，而电力安全事故绝大多数是由于输电网络的杆塔倒塔、导线断线等造成的。输电网络分散，区域跨度大，基本延伸到了每一个角落，一般处在高山，河流等地质环境复杂的区域，仅靠电力系统的巡线人员去定期巡检，将会浪费大量的人力、物力，且不可能取得好的巡检效果。随着智能电网建设的加速及国民经济高速发展导致用电量激增，国家电网为减少因为定期人工检修从而对设备“过渡”检修及造成人力浪费和对设备漏检造成杆塔灾害事故，进而降低输电杆塔运行的可靠性和造成电力企业自身的经济损失
12、，迫切需要输电杆塔在线监测装置和故障诊断系统来即使可靠的提供杆塔运行状态以提示寻线人员进行针对性的巡检，以降低电力安全事故的发生概率，确保电网安全稳定运行。本课题的研究意义为通过研制一套针对输电杆塔振动的在线识别监测系统为输电杆塔的安全稳定运行“保驾护航” 。通过实时动态监测，及时掌握输电杆塔的运行工作状态使输电杆塔的监测达到智能化水平；通过故障诊断使得在后续的检修中，能够对故障点快速定位和对故障原因的了解，使得巡线人员能够及时地进行有针对性的故障排除工作，从而大大提高工作效率。1.2 国内外发展与现状国外对输变电设备工作状态的监测研究工作开展的比较早，早在 20 世纪 70 年代，美国就开始
13、了以在线监测为基础的状态检修技术的研究与应用，但是该技术应用到输变电设备上是从 80 年代才开始的，比较成功的有澳大利亚昆士兰的合成绝缘子泄漏电流监测设备；美国电气研究协会研发的输电线路动态容量监测系统，国内方面，输变电设备的检修机制经历了故障发生后的事后检修到定期检修的管理制度再到现在先进的状态检修机制三个阶段。随着近年来输电事故的频发，特别是 2008 年的南方电网特大冰雪灾害增强了对输电线路杆塔监测的紧迫性和必要性，国内科研院所也陆续展开了针对输电设备监测系统的研究与开发工作，武汉超高压研究所、国网电力科学研究院对雷击定位系统的研究；清华大学和武汉超高压研究所研制了以微处理器为主的泄漏电
14、流监测系统；上海交通大学研究了通过对输电设备现场实际气象条件和输电线路自身属性参数等数据的综合分析来实时动态确定输电容量的监测系统；视频远程监控方面，随着三大电信运营商 3G 无线通信网络的社会化和商用化，使得输电设备远程视频监控系统的应用发展迅速，在 2008 年南方电网冰雪灾害事故中，通过视频监控系统远程查看杆塔、导线的2现场覆冰情况，有针对性地指导除冰融冰工作，总体上取得了比较理想的效果，武汉星创源科技有限公司，北京得多电力技术有限公司，杭州东信电力科技有限公司研制了系统化的诸如输电线路视频监测系统，输电线路覆冰在线监测系统，输电线路微气象在线监测系统，输电杆塔倾斜在线监测系统，输电线路
15、风偏在线监测系统，输电线路导线温度在线监测系统等专业性的输电设备在线监测系统，实现一个屏幕控制整个电网的目标。近年来，国内外相关研究机构和企业正在积极开展机器人和无人直升机对输电线路的检修工作。1.3 本文主要研究内容本文主要研究的内容是设计出对高压输电杆塔振动的识别单元，整个单元的设计分为硬件部分和软件部分，主要实现的内容具体可分为三个部分：信号采集，数据处理，无线通信技术。其具体流程简单描述如下：安装在输电杆塔上的传感器，将杆塔的振动情况转换成电信号，采集信号送入调理电路，调理电路对信号进行放大，滤波，限幅等，将信号处理成可用的有效信号。经调理电路处理后的信号，送入单片机。单片机连续采样得
16、到信号的数据信息，经快速傅里叶变换（FFT）处理数据后，得到振动信号的频率及振幅，据此判断输电杆塔的振动情况。同时利用无线通信 ZigBee 技术将判定结果实时的发送至远端的上位机主站。本文在如下的内容中详细介绍整个系统的整体设计方案，硬件设计，软件设计以及系统测试与分析。32 输电杆塔振动识别单元的整体设计方案输电杆塔振动识别单元是针对输电杆塔特殊的高耸入云结构及所处的特殊外部环境，设计的一套针对高压线路杆塔的振动识别实时系统。其具体组成为是：输电杆塔上安装的感应设备传感器；针对监测输电杆塔面临的外部异物撞击振动信号的调理电路调理电路块；用来处理信号数据信息的微处理器单片机；以及处理后数据的
17、传输通信模块等。其连接示意图如图 2.1 所示。微处理器ZigBee模块传感器L C 0 1 0 4调理电路ZigBee模块主站Z i g B e eU A R TR S 2 3 2图 2.1 系统整体构架振动识别系统的操作原理为：安装在输电杆塔上的传感器，实时地将杆塔的振动情况转换成电信号，转换过来的信号将直接送入调理电路，调理电路中将信号放大适当倍数并作滤波处理，同时通过限幅，加法等电路，将信号处理成单片机可采样的信号（单片机 C8051F060 采样引脚电压输入范围 0-2.5V） 。经调理电路处理后的信号，送入单片机。单片机连续采样得到信号的数据信息，经傅里叶变换（FFT）处理数据后，
18、得到振动信号的频率及振幅，据此判断输电杆塔的振动情况。同时利用无线通信 ZigBee 技术将判定结果实时的发送至远端的上位机主站。2.1 输电杆塔振动识别单元的硬件设计方案振动识别单元的硬件设计结构图如图 2.2 所示，从图中我们可以看出，整个硬件电路可以分为信号调理电路，电源模块，微处理器电路，及通信模块。4放大电路滤波电路 跟踪 - 限幅 减法 - 反相S i g n a lS i g n a l电源转换模块输入电源2.5V3124传感器 V125V2.5V微处理器C 8 0 5 1 F 0 6 0A D C 0UART0电源Z i g B e e模块U A R T发送至远端图 2.2 系
19、统硬件设计结构框架2.1.1 传感器系统采用秦皇岛朗斯公司 LC01 系列的内装微型 IC 放大器的振动传感器LC0104，在传感器内部，它将传统的压电式加速度传感器与电荷放大器集成在一起，同时它兼容性良好，能直接与具有记录、显示功能的采集仪器相连接，从而很大程度上降低了测试系统的复杂性，同时在确保系统可靠性的情况下，提高系统的测试精度，该类传感器广泛用于航空航天、电力、机械、铁路、桥梁、建筑、车船、地质等领域。内装 IC 压电加速度传感器有微型 IC 放大器和压电加速度传感器组成。传感器信号输出具有两线联接特征，信号输出线与供传感器工作用的恒流源输入线为同一根线，另一根线为地线。传感器与外接
20、信号调理电路原理简图如图 2.3 所示。P SA2 4 V调理电路微型 I C放大器压 电加速度传感器内装 I C 压电加速度传感器外接信号调理电路图 2.3 压电加速度传感器与外界电路原理图LC0104 内装 IC 压电加速传感器技术指标参数如表 2.1 所示，另有指标如下：输出偏压：8-12VDC5恒定电流：2-20mA，典型值：4mA激励电压：18-30VDC，典型值：24VDC表 2.1 LC0104 技术指标参数型号 灵敏度 mV/g 量程 g 频率范围（Hz）分辨率 g 重量 mg 用途LC0104 100 50 0.5-9000 0.0002 28 通用测振2.1.2 微处理器C
21、8051F060 是完全集成的混合信号片上系统型 MCU，采用 Silicon Lab 的专利 CIP-51 微控制器内核，具有 59 个数字 I/O 引脚。下面列出了一些主要特性： 高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP-51 内核（可达 25MIPS） ； 两个 16 位、1Msps 的 ADC，带 DMA 控制器； 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内） ； 两个 12 位 DAC，具有可编程数据更新方式； 64KB 可在系统编程的 FLASH 存储器； 4352（4K+256）字节的片内 RAM； 硬件实现的 SPI、SMBus/I2C 和两个 UART 串行接口； 5 个通用的
22、 16 位定时器； 片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器。本文用到了微处理器中 ADC16 位数据采样、DMA 接口、UART 串口通信、定时器。C8051F060 的 ADC 系统包括两个 1Msps、16 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，其中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和 DMA 接口。两个 ADC 及相应的跟踪保持电路都可以被独立使能和禁止。当禁止时 ADC 处于低功耗关断方式。DMA 接口的作用是与 ADC 协同工作，将 ADC 输出数据在不经过处理器指令而直接写入指定的 XRAM 区域。C8051F060MCU 内部有两个全双工增强型 UART， UART0 是一个
23、具有地址识别硬件和帧错误检测的增强型串行口。它可以工作在半双工同步方式和全双工一步方式。UART0 有两个中断源，一个发送中断标志和一个接收中断标志。 UART0 提供四种工作方式，四种方式提供不同的波特率和通信协议。C8051F060 MCU 内部有 5 个计数器/定时器，这些计数器/定时器可以用于测量时间间隔、对外部事件计数或产生周期性的中断请求。其中定时器 0 和定时器 1 有四种工作方式；定时器 2、定时器 3 和定时器 4 是 16 位自动重装载并具有捕捉功能的定时器，这三个定时器用法完全相同。62.1.3 无线通信Zigbee 是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗广域网协
24、议。ZigBee 技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee 协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层 (NWK)、应用层(APL) 等。其中物理层和媒体访问控制层遵循 IEEE802.15.4 标准的规定。ZigBee 模块以其工业级应用设计、稳定可靠、标准易用、功能强大等突出特点，在通信市场发展迅猛，已广泛应用于物联网产业链中的 M2M 行业，如智能电网、智能交通、移动 POS 终端、工业自动化、供应链自动化、智能建筑、公共安全、环境保护、遥感勘测、农业、煤矿、石化等领域。本文所采用 ZigBee 模块是基于 ZigBee2007 协议
25、，可视传输距离可达 1600 米的ZigBee 技术应用，该模块具有自动组网的功能，所有的模块上电即自动组网。Zigbee网络通常由三种节点构成：Coordinator：用来创建一个 Zigbee 网络，并为初次加入网络的节点分配地址，每个 Zigbee 网络需要且只需要一个 Coordinator；Router：可以收发数据，起到路由的作用；End Device：终端节点，通常定义为电池供电的低功耗设备。本文中配置振动识别端 ZigBee 模块为 Router，用来为下位机收发数据；上位机端ZigBee 模块为 Coordinator，作为组网的主机；当全部上电，Coordinator 自动
26、将所在范围内所有 Router 组网并分配地址。组网完成后，ZigBee 模块间实行透明传输数据方式。ZigBee 模块参数如下：输入电压范围：2.6V-3.6V，标准电压 DC3.3V；串口速率可设置 9600bps，19200bps，38400bps，57600bps ，115200bps ；无线频率：2.4G(2460MHz)；传输距离：可视，开阔，传输距离 1600 米；工作电流：发射：120mA（最大） ，80MA（平均） ，接收：45mA（最大） ，待机：40MA（最大）；接口：UART 3.3V。2.1.4 电源转换模块从图 2.2 系统硬件设计结构框架中，我们可以看到，本系统需要的电源种类多，因此为了使用方便，在硬件电路中，我们设计了多种电源转换模块，其中涉及到总输入电源转换，直流 5V 转 24V，直流 5V 转12V，直流 5V 转5V ，直流 5V 转 3.3V，直流 5V 转 2.5V。在本设计中用 IA_S-2W 系列 DC-DC 转换器实现直流 5V 转24V、12V 和5V；用 AS1117 低压差的线性稳压器实现直流 5V 转 3.3V，用
