【正文】 ......................... 18 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) IV 單片機(jī)相關(guān)配置 .......................................................................................................... 20 端口配置 ............................................................................................................... 20 ADC0 和 DMA0 ................................................................................................... 21 MODBUS通信協(xié)議 ...................................................................................................... 22 快速傅里葉變換 .......................................................................................................... 22 本章總結(jié) ...................................................................................................................... 25 5 測試與分析 ........................................................................................................................ 26 系統(tǒng)功耗測試 .............................................................................................................. 26 調(diào)理電路測試與分析 .................................................................................................. 26 無線通信測試與分析 .................................................................................................. 28 6 結(jié)束語 ................................................................................................................................ 30 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 31 致 謝 ........................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附錄 A ........................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 1 1 緒論 課題研究的意義 安全生產(chǎn)是電力企業(yè)永恒的主題，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，停電區(qū)域的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將完全停止，而電力安全事故絕大多數(shù)是由于輸電網(wǎng)絡(luò)的桿塔倒塔、導(dǎo)線斷線等造成的。輸電網(wǎng)絡(luò)分散，區(qū)域跨度大，基本延伸到了每一個(gè)角落，一般處在高山，河流等地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，僅靠電力系統(tǒng)的巡線人員去定期巡檢，將會(huì)浪費(fèi)大量的人力、物力，且不可能取得好的巡檢效果。 隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的加速及國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展導(dǎo)致用電量激增，國家電網(wǎng)為減少因?yàn)槎ㄆ谌斯z修從而對(duì)設(shè)備“過渡”檢修及造成人力浪費(fèi)和對(duì)設(shè)備漏檢造成桿塔災(zāi)害事故，進(jìn)而降低輸電桿 塔運(yùn)行的可靠性和造成電力企業(yè)自身的經(jīng)濟(jì)損失，迫切需要輸電桿塔在線監(jiān)測裝置和故障診斷系統(tǒng)來即使可靠的提供桿塔運(yùn)行狀態(tài)以提示尋線人員進(jìn)行針對(duì)性的巡檢，以降低電力安全事故的發(fā)生概率，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。 本課題的研究意義為通過研制一套針對(duì)輸電桿塔振動(dòng)的在線識(shí)別監(jiān)測系統(tǒng)為輸電桿塔的安全穩(wěn)定運(yùn)行“保駕護(hù)航”。通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，及時(shí)掌握輸電桿塔的運(yùn)行工作狀態(tài)使輸電桿塔的監(jiān)測達(dá)到智能化水平；通過故障診斷使得在后續(xù)的檢修中，能夠?qū)收宵c(diǎn)快速定位和對(duì)故障原因的了解，使得巡線人員能夠及時(shí)地進(jìn)行有針對(duì)性的故障排除工作，從而大大 提高工作效率。 國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀 國外對(duì)輸變電設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測研究工作開展的比較早，早在 20 世紀(jì) 70 年代，美國就開始了以在線監(jiān)測為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢修技術(shù)的研究與應(yīng)用，但是該技術(shù)應(yīng)用到輸變電設(shè)備上是從 80 年代才開始的，比較成功的有澳大利亞昆士蘭的合成絕緣子泄漏電流監(jiān)測設(shè)備；美國電氣研究協(xié)會(huì)研發(fā)的輸電線路動(dòng)態(tài)容量監(jiān)測系統(tǒng)，國內(nèi)方面，輸變電設(shè)備的檢修機(jī)制經(jīng)歷了故障發(fā)生后的事后檢修到定期檢修的管理制度再到現(xiàn)在先進(jìn)的狀態(tài)檢修機(jī)制三個(gè)階段。 隨著近年來輸電事故的頻發(fā)，特別是 20xx 年的南方電網(wǎng)特大冰雪災(zāi)害增強(qiáng)了 對(duì)輸電線路桿塔監(jiān)測的緊迫性和必要性，國內(nèi)科研院所也陸續(xù)展開了針對(duì)輸電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作，武漢超高壓研究所、國網(wǎng)電力科學(xué)研究院對(duì)雷擊定位系統(tǒng)的研究；清華大學(xué)和武漢超高壓研究所研制了以微處理器為主的泄漏電流監(jiān)測系統(tǒng)；上海交通大學(xué)研究了通過對(duì)輸電設(shè)備現(xiàn)場實(shí)際氣象條件和輸電線路自身屬性參數(shù)等數(shù)據(jù)的綜合分析來實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)確定輸電容量的監(jiān)測系統(tǒng)；視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，隨著三大電信運(yùn)營商 3G無線通信網(wǎng)絡(luò)的社會(huì)化和商用化，使得輸電設(shè)備遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展迅速，在20xx 年南方電網(wǎng)冰雪災(zāi)害事故中，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程 查看桿塔、導(dǎo)線的現(xiàn)場覆冰情基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 2 況，有針對(duì)性地指導(dǎo)除冰融冰工作，總體上取得了比較理想的效果，武漢星創(chuàng)源科技有限公司，北京得多電力技術(shù)有限公司，杭州東信電力科技有限公司研制了系統(tǒng)化的諸如輸電線路視頻監(jiān)測系統(tǒng)，輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)，輸電線路微氣象在線監(jiān)測系統(tǒng)，輸電桿塔傾斜在線監(jiān)測系統(tǒng)，輸電線路風(fēng)偏在線監(jiān)測系統(tǒng)，輸電線路導(dǎo)線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)等專業(yè)性的輸電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)屏幕控制整個(gè)電網(wǎng)的目標(biāo)。 近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在積極開展機(jī)器人和無人直升機(jī)對(duì)輸電線路的檢修工作。 本文主要研究內(nèi)容 本文主要研究的內(nèi)容是設(shè)計(jì) 出對(duì)高壓輸電桿塔振動(dòng)的識(shí)別 單元，整個(gè)單元的設(shè)計(jì)分為硬件部分和軟件部分，主要實(shí)現(xiàn)的 內(nèi)容 具體 可分為三個(gè)部分：信號(hào)采集，數(shù)據(jù)處理，無線通信技術(shù)。其具體流程簡單描述如下： 安裝在輸電桿塔上的傳感器，將桿塔的振動(dòng)情況轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，采集信號(hào)送 入調(diào)理電路，調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，濾波，限幅等，將信號(hào)處理成可用的有效 信號(hào)。經(jīng)調(diào)理電路處理后的信號(hào)，送入單片機(jī)。單片機(jī)連續(xù)采樣得到信號(hào)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng) 快速 傅里葉變換（ FFT）處理數(shù)據(jù)后，得到振動(dòng)信號(hào)的頻率及振幅，據(jù)此判斷輸電桿塔的振動(dòng)情況。同時(shí)利用無線通信 ZigBee 技術(shù)將判定結(jié)果實(shí)時(shí)的發(fā)送至遠(yuǎn)端的上位機(jī) 主站 。 本文在如下的內(nèi)容中詳細(xì)介紹整個(gè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)測試與分析。 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 3 2 輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元的整體設(shè)計(jì)方案 輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元是針對(duì)輸電桿塔特殊的高聳入云結(jié)構(gòu)及所處的特殊外部環(huán)境，設(shè)計(jì)的一套針對(duì)高壓線路桿塔的振動(dòng)識(shí)別實(shí)時(shí)系統(tǒng)。其具體組成為是：輸電桿塔上安裝的感應(yīng)設(shè)備 —— 傳感器；針對(duì)監(jiān)測輸電桿塔面臨的外部異物撞擊振動(dòng)信號(hào)的調(diào)理電路 —— 調(diào)理電路塊；用來處理信號(hào)數(shù)據(jù)信息的微處理器 —— 單片機(jī)；以及處理后數(shù)據(jù)的傳輸 —— 通信模塊等。 其連接示意圖如圖 所示。 微 處 理 器ZigBee模塊傳 感 器L C 0 1 0 4調(diào) 理 電 路ZigBee模塊主 站Z i g B e eU A R TR S 2 3 2 圖 系統(tǒng)整體構(gòu)架 振動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的操作原理為： 安裝在輸電桿塔上的傳感器，實(shí)時(shí)地將桿塔的振動(dòng)情況轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，轉(zhuǎn)換過來的信號(hào)將直接送入調(diào)理電路，調(diào)理電路中將信號(hào)放大適當(dāng)倍數(shù)并作濾波處理，同時(shí)通過限幅，加法等電路，將信號(hào)處理成單片機(jī)可采樣的信號(hào)（單片機(jī) C8051F060 采樣引腳電壓輸入范圍 ）。經(jīng)調(diào)理電路處理后的信號(hào)，送入單片機(jī)。單片機(jī)連續(xù)采樣得到信號(hào)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)傅里葉變換（ FFT）處理數(shù)據(jù)后，得到振動(dòng)信號(hào)的頻 率及振幅，據(jù)此判斷輸電桿塔的振動(dòng)情況。同時(shí)利用無線通信 ZigBee 技術(shù)將判定結(jié)果實(shí)時(shí)的發(fā)送至遠(yuǎn)端的上位機(jī) 主站 。 輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元的硬件設(shè)計(jì)方案 振動(dòng)識(shí)別單元的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，從圖中我們可以看出，整個(gè)硬件電路可以分為信號(hào)調(diào)理電路，電源模塊，微處理器電路，及通信模塊。 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 4 放 大 電 路濾 波 電 路 跟 蹤 限 幅 減 法 反 相S i g n a lS i g n a l電源轉(zhuǎn)換模塊輸入電源2 .5 V? 3 .3 V? 5 V? 12 V?24 V?傳 感 器 12 V? 12 V? 5 V? 5V? ?微 處 理 器C 8 0 5 1 F 0 6 0A D C 0UART0電源Z i g B e e模 塊U A R T發(fā)送至遠(yuǎn)端 圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架 傳感器 系統(tǒng)采用秦皇島朗斯公司 LC01 系列的內(nèi)裝微型 IC 放大器的振動(dòng)傳感器 LC0104，在傳感器內(nèi)部，它將傳統(tǒng)的壓電式 加速度傳感器與電荷放大器集成在一起，同時(shí)它兼容性良好，能直接與具有記錄、顯示功能的采集儀器相連接，從而很大程度上降低了測試系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)在確保系統(tǒng)可靠性的情況下，提高系統(tǒng)的測試精度，該類傳感器廣泛用于航空航天、電力、機(jī)械、鐵路、橋梁、建筑、車船、地質(zhì)等領(lǐng)域。 內(nèi)裝 IC 壓電加速度傳感器有微型 IC 放大器和壓電加速度傳感器組成。傳感器信號(hào)輸出具有兩線聯(lián)接特征，信號(hào)輸出線與供傳感器工作用的恒流源輸入線為同一根線，另一根線為地線。傳感器與外接信號(hào)調(diào)理電路原理簡圖如圖 所示。 P SA2 4 V調(diào) 理電 路微 型 I C放 大 器壓 電加 速 度 傳 感 器內(nèi) 裝 I C 壓 電 加 速 度 傳 感 器外 接 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 圖 壓電加速度傳感器與外界電路原理圖 LC0104 內(nèi)裝 IC 壓電加速傳感器技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表 所示，另有指標(biāo)如下： 輸出偏壓： 812VDC 恒定電流： 220mA，典型值： 4mA 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 5 激勵(lì)電壓： 1830VDC，典型值： 24VDC 表 LC0104 技術(shù)指標(biāo)參數(shù) 型號(hào) 靈敏度 mV/g 量程 g 頻率范圍（ Hz） 分辨率 g 重量 mg 用途 LC0104 100 50 28 通用測振 微處理器 C8051F060是完全集成的混合信號(hào)片上 系統(tǒng)型 MCU，采用 Silicon Lab的專利 CIP51微控制器內(nèi)核，具有 59 個(gè)數(shù)字 I/O 引腳。下面列出了一些主要特性： ? 高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051 兼容的 CIP51 內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS）； ? 兩個(gè) 16 位、 1Msps 的 ADC，帶 DMA 控制器； ? 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）； ? 兩個(gè) 12 位 DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式； ? 64KB 可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器； ? 4352（ 4K+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM； ? 硬件實(shí)現(xiàn)的 SPI、 SMBus/I2C 和兩個(gè) UART 串行接口； ? 5 個(gè)通用的 16 位定時(shí)器； ? 片內(nèi) 看門狗定時(shí)器、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器。 本文用到了微處理器中 ADC16 位數(shù)據(jù)采樣、 DMA 接口、 UART 串口通信、定時(shí)器。 C8051F060 的 ADC 系統(tǒng)包括兩個(gè) 1Msps、 16 位分辨率的逐次逼近寄存器型 ADC，其中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和 DMA 接口。兩個(gè) ADC 及相應(yīng)的跟蹤保持電路都可以被獨(dú)立使能和禁止。當(dāng)禁止時(shí) ADC 處于低功耗關(guān)斷方式。 DMA 接口的作用是與 ADC 協(xié)同工