自动观冰站技术方案.doc

自动观冰站技术方案
一、 系统概述、
极端气候条件在近年来不断发生，严重威胁供电安全。因此研究微气象条件下输电线路导线覆冰的形成和状态变化机理，总结发展规律是规避由于线路规划设计失误造成大面积线路冰雪气象灾害的有效方法。
因此在冰雪多发地区建立输电线路人工覆冰观冰站，实现观察和掌握严寒地区不同气象条件下输电线路导线覆冰的形成和变化趋势。由于常规的人工观冰站环境比较恶劣，存在观测人员工作辛苦，观测数据不够精确、观测数据量较少等问题。自动观兵站利用现代电子技术、测量技术、新能源技术、通讯技术、软件技术等现代化手段，采集被观测导线的覆冰前后整个过程的重力、环境温度、湿度、风速、风向、雨量、日照、气压、雪（冰）厚、现场图像等数据，数据采集完成后通过GPRS或卫星通信网络将数据传输至监控中心，中心利用软件分析、数据库技术实现对现场数据的分析处理，给出覆冰厚度、气象参数、图像等。相比人工观测站具有全天候工作、自动化程度高、采集数据精确、节省人力、物力的优点。
二、 系统总体架构
自动观冰站由安装在观冰站现场的观测装置、无线通信网络、监控中心组成；
观测装置安装在观测塔上，主要由监控主机、传感器、图像监控设备、电源系统组成。
传感器主要有：
环境温湿度传感器：测量环境温湿度；
气压传感器：测量大气压力；
风速传感器：测量风速；、
风向传感器：测量风向；
日照传感器：测量日照强度；
拉力传感器：测试观测导线的重量变化；
图像设备：拍摄现场图像；
雪厚标尺：观测覆雪的厚度。

三、 技术实现
如下图所示在观冰站上安装相关监测设备，相关塔体结构需做改动，顶部加装设备安装平台。

四、
1、 监测主机
监测主机主要完成微气象区气象数据、模拟导线法覆冰数据、供电系统数据、观雪台雪量数据等各个数据采集、模型处理和高清摄像机对观雪台、模拟导线的现场实时拍照数据压缩处理并将其数据打包，按照相关通信协议数据格式通过GPRS通信方式发送至监控中心，监测中心通过分析判断得出现场的运行状态。监控中心可对监测主机进行远程参数设置，如监测主机的采样时间间隔以及实时数据请求等。
2、 气象参数
温湿度采集：
系统中使用的温度传感器，其采用SHTxx 系列单芯片传感器，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个 14 位的 A/D 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。SHTxx采用串行接口，它的分辨率可以根据对现场的采集速率而进行调整，一般情况下默认的测量分辨率分别为 14bit（温度）、12bit（湿度）。
它的主要性能指标：
² 温度的量程范围：-40℃～123.8℃
² 温度分辨率：0.01℃
² 湿度的量程范围：0%～100%RH
² 环境湿度监测范围：0%RH～10%RH，90%RH～100%RH精度：±3% RH；80～100%RH，精度:±2%RH
² 供电电压：3.3V
风速风向采集：
系统中使用的超声波风速风向传感器，其工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量，超声波在空气中传播的时候，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，它的速度会变慢。
它的主要特点及性能指标：
² 无启动风速限制，360°操作，同时具备风速、风向的测量；
² 测量精度高，性能稳定；
² 结构坚固，仪器抗腐蚀性强，在安装和使用时无需担心损坏；
² 克服了机械式风速风向仪固有的缺陷，能全天候地、长久地正常工作，新的设计还可经受暴雨、冰雪、霜冻环境的考验；
² 设备轻巧，携带轻便，安装、拆卸容易；
² 信号接入方便，同时提供数字和模拟两种信号；
² 不需要维护和现场校准。
² 风速：测量范围：0～60m/s；
² 精确性：±0.2m/s；（当风速在0-5米/秒范围内），<测量值的3%（当风速>5米/秒）；
² 分辨率：0.1 m/s
² 风向：测量范围：0～359.9°；
² 精确性：±3°；
² 分辨率：0.1°；
气压采集：
系统中选用的SCPX000芬兰VTI系列气压传感器，它基于D-MEMS技术的绝对压力传感器，它内带AD转换器、ASIC结构以及EEPROM存储单元，并可通过SPI接口与综合分机进行通讯。
它的主要特点及性能指标：
² 测试范围：30Kpa~120 Kpa绝压;
² 绝对压力精度：-100～+100Pa;
² 分辨率：1.5～6Pa
日照强度采集：
系统中使用的TBQ-xx的日照传感器，它由快速响应的线绕电镀式热电堆组成。感应面涂3M无光黑漆，感应面为热接点，当有阳光照射时温度升高，它与另一面的冷接点形成温差电动势，该电动势与太阳辐射强度成正比。其信号线与CPU的AD接口相连接，并通过计算得出日照强度。
它的主要特点及性能指标：
² 灵敏度：7-14mV/KW.m-2;
² 响应时间：＜35S（99%响应）
² 光谱范围：0.3～3.2μm
² 温度系数：不大于±2%(-10～40℃)

3、 观测导线重量采集：
系统中使用3个30KG拉力传感器，通过测量一根长4米（与现场线路同型号的）导线的实时重量变化，监测主机用于采集拉力传感器的数据，再经过相关数学模型计算得出现场实时覆冰厚度。
² 拉力传感器量程：30kg（根据实际需要定制）；
² 拉力传感器测量范围：1％～100％FS（线性工作区间）；
² 拉力传感器准确度级别（ FS）：0.1及以上；
² 拉力传感器技术指标：
分度数n≥500；
回零误差（％FS）：≤±0.1；
示值误差（％FS）：≤±0.2；
重复性（％FS）：≤±0.2；
滞后（％FS）：≤±0.3；
长期稳定性（％FS）：≤±0.2；

4、 图像观测
在观测塔上安装高清摄像机，定时对观测模拟导线的覆冰状况，可清晰观测到覆冰的厚度、冰型以及环境积雪情况，在一定程度上可代替人工现场观测。
拍摄参数：
² 摄像机：
² 传感器芯片：SONY CCD；
² 像素数：≥ 1024(H) X 768(V) (PAL)，或高清摄像机可达100万像素以上；
² 最低照度： ≤0.01Lux；
² 变焦率： ≥光学18 倍；
² 预置位数量：≥128；
² 水平旋转角度：0°～355°；
² 俯仰角度: 0°～90°；
² 图像格式：Jpeg；
² 视频格式：H.264/mpeg4；
² 远程调节：焦距、光圈、景深、云台预置位、大小、色度、对比度；
² 具有专利防雨、雪、污机构，确保任何情况下拍摄照片清晰；

5、 积雪厚度观测
在观测塔上与摄像机等高的部位构建一积雪平台，平台上固定不锈钢钢尺，当积雪时积雪会遮挡钢尺的相应高度，通过照片即可直观显示积雪厚度。

6、 装置电源
安装在铁塔上的监测装置统一采用太阳能对蓄电池浮充的方式进行供电。
我公司采用超低功耗技术，装置待机电流保持在100mA(12V)以内，因此在同等容量电源条件下，装置可连续运行时间比目前市面厂家多30%以上。一般情况下数据采集装置配置12V 96AH 电池 即可连续运行60天以上。
监测装置选用硅能绿色环保电池作为储能系统，该电池相比铅酸及其他类型电池系统具备以下优点：
l 储备容量高，达到国际要求的2倍。
l 充电接受能力强，达到国际要求的3倍。
l 大电流放电效率高，可高倍率放电，30C放电8S内电池不损伤。
l 自放电小，年自放电率小于2%。
l 充放电无记忆（次数）。
l 能耐高温及高寒，可以在-50～+70℃范围内使用。
l 绿色环保，该产品采用复合硅盐电解质取代硫酸，无污染，电池极板亦可再生使用。
l 循环使用寿命长，户外监测装置可使用5～10年。

7、 通信技术实现
监测装置与监控中心之间采用无线GPRS、卫星等方式进行通讯。具有简单、易行、不用自行架设网络、资费便宜等优点；对特殊无信号地区可考虑采用卫星通讯方式。
8、 软件技术实现
系统主要分为基础数据服务、设备台账管理、 在线监测数据输入、数据分析处理、预警预警等几个主要部分：

监测中心运行专家软件界面
监控中心的专家软件主要通过对拉力的计算分析、气象条件的分析，给出覆冰的具体厚度，发展趋势等:
统计分析: 按日、按月统计最大值、最小值、平均值，并能生成趋势曲线、报表。
历史趋势图分析: 实时数据柱形图显示，统计值、历史数据趋势图。
覆冰厚度计算模型：
结合覆冰的密度（0.9g/cm3）、导线直径来求解覆冰厚度。

核心目标：1测得单位长度导线上的覆冰重量（误差小于5%）
2 测得导线上覆冰尺寸（直径）
3 数据可以稳定的远距离传输
影响因素：
1 现场情况为气候恶劣，风速（风荷载）在0—20米/每秒，方向多变，
2 温度在 -20度—20度。大量覆冰可能会把所有物体冻在一起

模拟导线结冰

放测覆冰设备的钢结构基础

地形