武汉风河高压输电线路覆冰监测装置技术方案书.doc

高压输电线路覆冰在线监测系统技术解决方案 输电线路覆冰在线监测系统技术方案书一、 前言2二、系统概况2三、 系统功能33.1系统组成33.2技术性能参数43.3产品特性5四、硬件技术参数要求74.1拉力采集单元74.4电池供电单元84.5充放电保护单元84.6箱体、安装夹具及辅材单元8五、监控中心管理平台要求85.1硬件环境要求95.2网络要求9六、无线通信网络解决方案9七、远程数据采集处理单元10八、硬件性能118.1倾角探测器118.2 高压线塔专用拉力传感器118.3微气象监测单元12九、系统供电解决方案139.1 太阳能供电单元149.2 电池供电单元159.3 充放电保护单元15十二、安装与配置161、风速风向传感器安装162、微气象采集单元安装173. 雨量传感器安装184. 日照传感器安装195. 倾角拉力传感器安装196. 监测子站主机安装207.太阳能电池板安装218. 数据线的固定与多余电缆的固定22十三、安装和运输24附件 系统配置表25第25页共41页手册 V1.01 一、 前言高压输电线路覆冰在线监测系统采用线路图像实时监视及检测导线拉力综合方法来监测架空线路覆冰，可以对线路覆冰形成的气象条件、覆冰形成过程和覆冰的严重程度进行全过程的实时监测。此方案基于公网无线GPRS/3G的数据通道，以此作为传输手段，从而实现对高压输变电线路覆冰情况进行在线实时监测。此装置具备强大的监控中心，不仅能支持告警实时抓拍图片、传输实时视频，也能监测线路拉力数据。该系统支持感应取电和太阳能电池板+蓄电池供电两种方式，安装方便。投入运行后，可全天候工作，达到实时监控的效果。运营部门能及时掌握导线覆冰状况状态及发展趋势，据此科学安排除冰检修，有效预防导线“鞭击”、崩断，杆塔压垮等事故，减少经济损失，提高线路安全运行及信息化管理水平。二、系统概况此方案多元、组网简单、实用可靠，将传统的分散式监测集中为智能一体，技术上的协调使得设备成本下降，在操作和成本上得到了很好的控制。可归纳以下特点：1、 系统的可靠性、稳定性：系统可集中在线监测所有类别于一体，核心技术稳定统一，并且建立在GPRS/3G通信平台上，设备具备在恶劣环境（狂风、暴雨、冰雪）下持续正常工作的能力。2、 系统的可操作性：产品操作简单，使用方便，无须记忆复杂的操作方法或指令，在初次安装时进行相关的设置，而全部的初次设置由专业人员完成.3、 系统的可扩展性:系统设计留有充分的余地，以便日后比较方便地进行系统扩容。4、 系统的先进性:设备集无线通信、嵌入式系统、图像压缩等多种先进技术于一身，用户可以通过各种途径查看现场的实时照片，无论用户身处何方，都可以随时随地获取所关切的监控现场信息。5、 系统的可维护性：设备可以通过授权用户进行远程控制、管理、维护，只需短信就可以配置设备的各种参数，无需人员到基站进行现场设置，节约时间和运输成本。6、 系统的性价比：成本造价低，技术更先进，功能更强，技术延续性和可升级性更强。3、 系统功能3.1系统组成 图1 系统组成 监测子站：监测子站内置GSM/CDMA/GPR/3G/无线传感器网络通信模块、蓄电池充电管理电路等，与前端数据采集单元组成监测子站，其中前端数据采集单元由拉力、倾角采集单元、微气象采集单元等组成，融合传感器、数据采集、无线传感器网络和新电源等技术。监测子站具以下功能：（1） 主动按设定周期上传现场架空线路前端数据采集单元采集的相关数据；（2） 实时响应服务器指令，上传实时数据和一定范围内的历史数据；（3） 具有休眠、唤醒功能，以节省电源。休眠期间支持短信；（4） 具有失电数据保护功能；（5） 具有故障自诊断及自恢复功能；（6） 支持报警及报警阈值设定；（7） 支持远程复位；（8） 支持联网参数设定（更改及查询服务器IP、端口）；（9） 支持密码设定、子站编号设定；（10） 支持校时及时间查询；（11） 支持对设备供电电压的监测功能。 服务器：中心站可位于供电单位某机房内，能够远程集中显示所辖各高压输电线路杆塔周围的现场导线覆冰状况，并能对各监测子站进行远程操作。在中心站上主要运行服务器软件、数据库，需要配备的设备包括防火墙、宽带连接、短信发送装置等。监控中心站能够给每个高压杆塔所在监测点设置上下限值，对导线在覆冰环境过程中实时采集数据，并传回指控中心。（1） 具有实时自动接收监测子站采集的监测数据的功能；（2） 具有显示数据，并能向监测子站发送控制命令的功能； （3）具有远程监视功能，可通过GPRS/3G无线通信网络通道，将被监视的目标实时传输及报警信号上传到监控中心。 （4）可以对所采集的数据进行分析，从而可以判断目标环境负荷情况并报警； （5）支持数据的数据库的存储，支持数据库的备份、恢复等； （6）支持监测子站数量的方便扩展。3.2技术性能参数l 倾角测量角度范围：双轴，-60+60；准确度：0.2；分辨力：0.1.l 拉力传感器测量范围： 030kg；测量误差：0.1kg；测量分辨率：0.1kg；（其他测量范围可根据现场具体情况配置不同规格拉力传感器）l 微气象传感器测量范围：温度-40+125；相对湿度0100；风速：060m/s，风向：0360；测量误差：温度0.5；相对湿度5；风速1m/s；风向2；测量分辨率：温度：0.1；相对湿度：1%；风速：0.1m/s；风向：0.1；雨量：04mm/min，分辨率：0.2mm，准确度：0.4mm（10mm时）；气压测量范围：3001200hPa，分辨率：0.1hPa，准确度：0.3hPa；日照测量范围：01400W/m2,分辨率：1W/m2,准确度：5。l 工作环境：温度：-40+85；相对湿度：100；大气压力：550hPa1060hPa；l 防护等级：IP65；l 供电方式：太阳能+蓄电池，输入电压12V；l 电池使用寿命：5年，无外部充电时可连续供电30天以上；l MTBF：80000小时；l 重量：30kg；l 适用对象：10KV500KV高压输电线路。3.3产品特性l 通信方式灵活，支持ZIGBEE/WIFI/GSM/CDMA/GPRS和3G网络；l 采用进口传感器，测量精度高；l 采用太阳能供电系统供电，安装维护方便；l 为工业级产品，采用防水金属外壳，抗电磁干扰，适用于各种恶劣的气候环境；l 系统采用低功耗设计，采用动态电源管理策略以满足节电要求；l 配备完善的后台软件，支持数据存储、查询、报表、打印、曲线图表绘制等；l 支持受控采集和自动采集，可设置报警阈值、采样间隔（10分钟24小时）等参数；l 具有数据智能分析及报警提示功能。l 满足国家电网公司企业标准输电线路状态监测装置通用技术规范（Q / GDW 242 2010）。3.4功能需求3.4.1 数据采集要求a) 具备传感、采集功能。能完成绝缘子串拉力、绝缘子串角度及温、湿度、风速、风向数据的采集、测量，通过网络将测量结果传输到状态监测代理装置或状态监测主站系统。b) 具备自动采集功能。按设定时间间隔自动采集绝缘子串拉力、绝缘子串角度及温度、湿度、风速及风向数据，最小采集间隔宜大于10 分钟，最大采样间隔应不大于40分钟，默认采样间隔为20分钟。在监测到存在覆冰可能的情况下，具备加密采集拉力及绝缘子串角度的功能；c) 具备受控采集功能，能响应远程指令，按设置采集方式、自动采集时间、采集时间间隔启动采集；d) 宜具备电池电压等采集功能；e) 应具备良好的同步机制，保证各参数采集时刻的同步性。3.4.2 数据处理与判别a） 具备数据合理性检查分析功能，对采集数据进行预处理，自动识别并剔除干扰数据；b）具备对原始采集量的一次计算功能，得出拉力、绝缘子串角度的状态量数据。3.4.3 数据存储应能循环存储至少30天的等值覆冰厚度等状态量数据。3.4.4 数据输出输出的信息包括：等值覆冰厚度状态量数据、气温、湿度、风速及风向状态量数据，及电源电压、工作温度、心跳包等工作状态数据，数据输出要求符合Q/GDW 554-2010 输电线路等值覆冰厚度监测装置技术规范 附录A。3.4.5通信接口通信接口和应用层数据传输规约应满足Q/GDW 242-2010 输电线路状态监测装置通用技术规范 相关要求。3.4.6 硬件与软件a) 具备对装置自身工作状态包括采集、存储、处理、通信等的管理与自检测功能；b) 当判断装置出现运行故障时，能启动相应措施恢复装置的正常运行状态。3.4.7 远程更新、配置与调试a) 应具备身份认证功能；b) 应具备按远程指令修改采集频率、采样时间间隔、网络适配器地址等参数的能力；c) 应具备动态响应远程时间查询/设置、数据请求、复位等指令的能力；四、硬件技术参数要求4.1拉力采集单元（1） 量程：750t（根据实际需要定制）（2） 测量范围：5100FS（线性工作区间）（3） 准确度级别（FS）：0.3（4） 技术指标： 分度数n1000。回零误差（FS）：0.25。示值误差（FS）：0.30。重复性（FS）：0.30。滞后（FS）：0.15（根据用户需要给出）。长期稳定性（FS）：0.30。线性度3.0。（5） 零点与最大方位偏差：拉力传感器的示值指示装置应有零点（或作为零点）的调节功能，调节范围应大于由自带附件重力引起的零点变化及不同工作方向引起的最大零点方位偏差。4.2倾角传感器4.2.1基本要求角度传感器应耐低温、抗干扰并能在冰雪天气正常工作；4.2.2技术参数倾角测量角度范围：双轴60；倾角测量精度：0.1；倾角测量分辨力：0.01。4.3微气象参数4.3.1温度测量范围：40+50；分辨力：0.01；准确度：0.54.3.2相对湿度：测量范围：0100%RH；分辨力：0.03%RH；准确度：4.5%RH； 4.3.4风向，测量范围：0360；分辨力：3；准确度：5；4.3.5风速，060m/s；分辨力：0.1m/s；准确度：（0.5+0.03V）m/s，V为标准风速值4.3.7雨量，04mm/min,分辨率：0.2mm,准确度：0.4mm(10mm时)4.3.8气压测量范围：300hPa1200hPa,分辨率：0.1hPa,准确度：0.3hPa4.3.9日照测量范围：01400W/m2,，分辨力：1W/m2,准确度：54.4电池供电单元 4.4.1蓄电池：容量50AH4.4.2工作温度：-30-604.4.3寿命：3-5年4.5充放电保护单元 4.5.1具有稳定的充放电过压，过流保护功能；4.5.2具有充电保护、放电保护功能4.5.3工作温度：-40-60 4.6箱体、安装夹具及辅材单元4.6.1所用附件、配件、结构件、固定件都需采用防水、防腐、防锈、防污处理。4.6.2具有防水、防高磁高压、防腐蚀等特性，保护内置设备；4.6.3箱体、安装夹具及辅材要设计合理，安装方便，具有多种规格的卡具，便于各种电力铁塔的安装。4.6.4线材防老化特性 4.6.5工作温度：-40-60 五、监控中心管理平台要求控制中心的设计主要包括微机（或工作站、工控机）、网络接入设备（ADSL宽带及静态IP地址）、中心处理处理器等。控制中心的设计开发主要集中在用软件的设计开发上，一般是基于Windows操作系统的。当前用于此类软件开始、调试的工具较多，且功能强大，给控制中心软件的设计带来便利。本项目是具有联网中的平台，软件技术是核心，包括智能视频管理操作平台、微气象管理操作平台、拉力、倾角管理操作平台等等，为本项目的实现奠定了基础。5.1硬件环境要求（1） CPU：双核（2） 内存：1G（3） 显示卡：Nvidia Geforce FX5200 或者 ATI RADEON 7000(9000) 系列128M显存，显卡需支持硬件缩放功能（4） 操作系统：32位简体中文英文Windows2000、WindowsXP、Windows2003、Windows Vista和64位简体中英文Windows2003、WindowsXP、Windwos Vista等操作系统（5） 软件环境：IE 6.0以上版本，DirectX8.0以上版本，TCPIP网络协议（6） 系统需求：安装本软件的PC显卡需支持图像的颜色转换及缩放，目前已测试的有Nvidia Tnt/Tnt2、Geforce Mx200/400/420/440 Fx5200/5600等系列，ATI Radeon7000/7200/7500/85009000/9200/9500/9600等系列，MatroxG450/550，INTEL845G/865G等系列显卡。注意显卡的驱动必须支持硬件缩放功能。5.2网络要求（1） 要求2M-4M以上ADSL宽带；（2） 具有静态公网IP地址；（3） 开通服务器及相应客户端的端口（如3000、3001等）；（4） 设置防火墙的端口映射。六、无线通信网络解决方案高压输电线路监控系统采用目前先进的3G无线公网数据传输技术解决视频数据传输和报警信号传输。3G无线公网数据传输技术是第三代移动通信技术的简称是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，包括TD-SCDMA、W-CDMA、CDMA2000，目前在在南方一般采用中国电信的CDMA2000(3G-EVDO)网络，在北方一般采用中国联通的WCDMA网络，若考虑偏远地区信号若得问题，可以采用中国移动的TD-SCDMA/EDGE网络。是一项全新的网络技术，可以为治安防控提供视频图像和声音，同步实现数据的远程采集、传输、储存和处理功能，具有传输距离远、速度快、抗干扰能力强、无需铺设电缆、投资成本低等优势。数据传输原理如下图所示，在移动3G信号覆盖区域内，充分利用3G公共网络通信平台，实现中心对多点的数据传输；在无移动信号覆盖区域内，可以借助无线数传电台，通过无线与无线的接力，实现数据传输。数据传输原理图七、远程数据采集处理单元远程数据采集处理单元是一套数据采集处理系统，通过GPRS/3G等3G无线网络实现远程数据采集和处理。支持接入微气象数据、拉力数据、倾角数据的数据探测设备，为输电线路的安全运行提供有理数据保证；（1） 支持接入微气象数据、拉力数据、倾角数据的数据探测设备；（2） 支持双向测控数据复用，内置3G网络通讯控制协议及TCP/IP协议（3） 支持动态或固定IP地址方式，支持域名解析，多种触发启动模式（4） 内置3G网络通讯控制协议及TCP/IP协议（5） 支持动态或固定IP地址方式，支持域名解析，多种触发启动模式八、硬件性能8.1倾角探测器倾角探测器具有信接口，用来与综合分析软件系统进行数据通信。探测器能自检、采集、测量，并将测量结果传输到综合分析软件系统。技术指标：（1） IP 65防护等级 （2） 高分辨率0.001 （3） 宽温工作-40+85（4） 线路垂直方向角度范围：-6060，线路方向角度范围：-6060；（5） 可靠性：平均无故障连续工作时间大于6300h，年故障次数不大于2次。（6） 具有数据采集、测量和通信功能，通过通信网络将测量结果传输到后端综合分析软件系统；（7） 具有在线自诊断功能；8.2 高压线塔专用拉力传感器采用电阻应变片组成惠斯顿电桥，通过检测弹性体应变测量出传感器所受的应力，其结构紧凑，测量精度高，抗偏能力强。本系统将柱式拉力传感器做成球头挂环的形式，取代球头挂环，安装在绝缘子串与横梁之间，测量导线的综合载荷力。主要技术指标（1） 最大量程：50吨（2） 输出：05V（3） 非线性：0.1 % FS（4） 滞后：0.1 % FS（5） 不重复性：0.1 % FS（6） 温漂：0.01 % FS/（7） 零位输出：2 % FS（8） 激励电压：12V DC（9） 工作温度：-3080（10） 过载能力：150% FS8.3微气象监测单元前端监测终端主要由多参数测量气象传感器，它集成了风速，风向，温度，湿度、大气压力、日照等参数的测量，它具有结构紧凑，没有任何移动部件，坚固耐用的特点，而且不需维护和现场校准。 1、 风速（1） 测量原理：超声波 （2） 测量范围：060 米/秒 （3） 分辨率：0.1 m/s （4） 测量精度：0.2 米/秒 (当风速在 05 米/秒范围内) 2、 风向（1） 测量原理：超声波 （2） 测量范围：0 359.9全方位，无盲区 （3） 分辨率：0.1 度 （4） 精确度：3 度 3、 温度（1） 测量原理：二极管结电压测温度 （2） 测量范围：-40+123.8 （3） 分辨率：0.1 （4） 测量精度：0.5 典型值 4、 湿度（1） 测量原理：电容式 （2） 测量范围：0100% RH （3） 分辨率：0.05% （4） 测量精度：2% RH 典型值 5、 气压（1） 测量范围：101100 HPa （2） 测量精度： 0.5HPa （25） （3） 分辨率：0.1HPa 6、 光照（4）测量范围：01400W/m2 （5）准确度：5 （6）分辨力：1W/m2 九、系统供电解决方案一般情况下安装输电线路野外现场的监测装置没有可供使用的交流电源，为此必须借助能量收集技术，开发独立的供电装置。目前在高压输电线路监控项目主要利用太阳能电源装置，以此解决监测装置的供电问题。太阳光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感发电和光生物发电。硅系列太阳能电池中，单晶硅和多晶硅电池继续占据光伏市场的主导地位，单晶硅和多晶硅的比例已超过80%，而这一发展趋势还在继续增长。越来越多的电子设备开始运用太阳能这一取之不尽用之不绝的能源。太阳能电源由太阳能电池板、蓄电池及充放电控制器。充放电控制器的功能是将太阳能电池板供给的电压转换成稳定直流电压，给监测装置供电，并给蓄电池充电，完成电能的存储。在夜晚无法供给太阳能或阴天等气候情况太阳能供给不足时由蓄电池继续给监测装置供电。9.1 太阳能供电单元太阳能供电单元示意图（1） 具有良好的光电转换效率，满足前端系统的供电及电池的充电要求；（2） 太阳能板材质：进口A片（3） 太阳能板尺寸：单块尺寸500mm*750mm；（4） 光电转换效率：太阳能板具有良好的光电转换性能，太阳光不强时也可以浮充供电；（5） 输出电压：10.5V DC（6） 封装方式：玻璃层压板（7） 固定支点：4个。（8） 抗震性：太阳能板要求具有良好的，能抗击10级台风；（9） 温度适用范围：-40至+80（10） 使用寿命：10年以上9.2 电池供电单元（1） 聚合物锂铁电池，具有稳定的充放电过压，过流保护功能；（2） 蓄电池：容量50AH（3） 工作温度：-30-60（4） 寿命：3-5年9.3 充放电保护单元（1） 具有稳定电压、电流作用；（2） 具有多级防雷；（3） 具有充电保护、放电保护功能（4） 工作温度：-40-60 十、其他参数性能11.1、电气性能 输电线路等值覆冰厚度监测单元具备良好的抗雷击等电器性能，能在雷雨天正常工作。电磁兼容性能输电线路等值覆冰厚度监测单元具有良好的抗静电放电、射频电磁场辐射、脉冲磁场抗扰度、工频磁场干扰性能，能在强工频磁场中稳定工作。气候防护性能输电线路等值覆冰厚度监测单元具有良好的高低温、交变湿热性能，能长期在野外自然界中稳定工作。11.2、机械性能导输电线路等值覆冰厚度监测单元具有良好的振动性能、垂直振动疲劳性能、运输性能，能抵抗常用的海陆空运输条件和适应输电线路野外的安装、工作条件。11.3、运输性能a） 产品包装后应按“GB/T 6587.61986 电子测量仪器 运输试验”中规定进行试验，能承受该标准表1中等级为的运输试验（包括自由跌落、翻滚试验）。试验后，装置应能正常工作；b） 产品包装后应按“QJ/T 815.21994 产品公路运输加速模拟试验方法”中规定进行试验，能承受该标准中等级为三级公路中级路面的运输试验。经过2h试验时间后，装置应能正常工作。11.4、可靠性a）平均无故障连续工作时间（MTBF）不低于25000h。b）年均数据缺失率应不大于1%。11.5、外壳防护 应符合GB 4208中规定的外壳防护等级IP65的要求。十二、安装与配置注意：1、 监测子站安装到杆塔上前，监测子站均需在地面上进行相关参数配置和测试。2、 每个监测子站主机需设置一个IP地址才能与监控中心正常通信，关于IP地址确认需由现场客户提供合适IP地址网段，再进行现场配置。1、风速风向传感器安装固定方式：夹铁塔角铁安装位置：铁塔顶端地线以下无遮挡，传感器安装过程中需考虑遮挡物影响数据测量的准确性。安装时需要调整方向，使N箭头正对北方。在选择好安装位置，调整好方向后，将所有固定螺丝拧紧。安装注意事项：传感器周边三米以内空旷，做好防水、N标志正对北方、走线与塔材紧密结合 风速风向传感器一定要装在一个空旷的位置。2、微气象采集单元安装固定方式：夹铁塔角铁安装位置：一般安装在中横担上。 将温度/湿度/大气压力和固定金具传送至铁塔中横担处，在监测子站主机附近安装，需水平摆放，安装定位后，如下图：3. 雨量传感器安装固定方式：夹铁塔角铁安装位置：铁塔顶部，无遮盖。 在铁塔下组装雨量传感器固定支架后，传送至铁塔上横担处，安装时需水平摆放，上方无外物和塔材遮挡，安装定位后，取下雨量传感器上的保护盖。4. 日照传感器安装 固定方式：夹铁塔角铁安装位置：铁塔顶部无遮盖。安装注意事项：日照传感器半球面上有一个金属保护罩，在安装好传感器确保无误后须将保护罩取掉。如下图5. 倾角拉力传感器安装固定方式：特制金具安装位置：一般情况下替换球头挂环（或加上U型挂环） 考虑到绝缘子串重量大，在安装拉力传感器过程中需要特殊工具，配备倒链葫芦来进行操作，必须重视安全施工。拉力传感器的安装，具体是将绝缘子串连接处球头挂环进行更换，将螺栓拧开后，在将传感器放入，球头处卡紧，拧紧螺栓。安装注意事项：传感器量程要合乎规定、走线与塔材结合紧密6. 监测子站主机安装（1） 根据现场条件确定（一般安装在中横担上）。1) 安装时需要检查监测子站主机部件是否完整（螺丝、保险带），将监测子站主机传送至塔上后选择好安装位置，将监测子站主机挂钩在盛水角钢上，将背面的两个挂钩用随机附带的M8六角螺栓、垫圈、弹簧垫圈以及螺帽上紧拧紧，接着把保险带的同样用随机附带的M8六角螺栓、垫圈、弹簧垫圈以及螺帽固定紧。7.太阳能电池板安装（1） 将此在线监测装置需要安装的太阳能电池板安装在监测子站主机附近，安装太阳能极板时，首先需要核对所有固定件的数量，然后往塔上传送，传送过程中避免极板在空中大幅度摆动，在塔顶选择好位置后，按要求进行固定和线材的绑扎。板面方向应朝向正南，或者东南、西南方向选择调整到最佳位置。安装注意事项：一块太阳能极板安装位置应选择无外物遮挡、极板板面朝南并与水平方向成45度角，注意不能碰撞极板以免损坏。（1） 选择的安装位置及装置的外观结构应不影响正常的输电线路检修维护工作；（2） 塔上安装点方便监测子站的固定和整体角度调整；（3） 安装