基于电容传感器的模拟导线覆冰厚度在线监测系统的研究

摘要

本课题是在山西省科技攻关项目“电容感应式输电线路覆冰厚度传感器及其系统（编号:20110321026-02）”和国家自然科学基金“基于电容感应技术的海冰厚度监测方法的研究（编号:41176080）”资助下，对输电线路覆冰监测系统进行改进的深入研究，以提高本系统的监测精度。
　　输电线路覆冰是一种普遍的自然现象，会引发绝缘子串闪络、线路舞动、导线接地、断线、电力杆塔倾斜甚至倒塔等事故，严重时可造成大范围跳闸停电事故。而在我国由于线路覆冰造成冰害事故的概率居世界前列，已严重威胁到电网的安全运行，给国家和人民的生产与生活造成了巨大的损失。因此，进行输电线路覆冰情况的实时监测，在提高线路的可靠运行和覆冰故障预警方面具有重要的意义。
　　我国近二三十年来，由于不间断得遭遇严重输电线覆冰事故，致使我国广大的电网工作者、高校和相关科研人员对电网覆冰的研究越来越重视。本课题就是在对覆冰在线监测技术更加完善的基础上，同时基于项目组的前期研究成果，提出了结合电容传感技术、多气象因素、上位机监控界面以及模拟导线法和灰关联分析法，对电容式输电线路覆冰在线监测系统作出了进一步提高和改善。
　　本论文首先介绍了课题的研究背景和输电线路覆冰监测技术的发展和现状;在研究输电线路覆冰形成机理及影响因素的基础上，结合项目前期的研究成果，提出了对电容传感器的结构改进，并利用Maxwell软件进行仿真验证;考虑到气象因素在覆冰形成中的关键作用，在硬件系统改进设计中，加入风速、风向以及温湿度测量值的采集，应用GPRS进行数据的无线传输，并对改进后的各模块进行了详细介绍;针对系统测量稳定性和抗干扰性，在相关研究人员的指导下，采用模拟导线法进行线路覆冰测量，并阐述了该方法在局部范围内的可行性;在硬件系统改进的基础上，对相关软件的程序进行了编写和运行;由于采集到的影响覆冰冰情的因子为五个，此处选用灰关联分析法初步判断各因子的关系，得出影响覆冰厚度的关键因子;利用组态王工控软件进行初级开发，建立了线路覆冰在线监控界面，使各数据能以动画形式去显示，并可查询数据历史趋势曲线和报警报表等;将研制出的整套系统，先在实验室进行室内试验，并对数据结果进行分析，然后为了验证其野外工作的可行性，在寿阳进行了户外实验，并就安装、使用过程中遇到的问题和数据结果进行分析总结;最后，结合系统的改进研究、开发实践，对系统未来工作进行了展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 线路覆冰形成机理及影响因素的研究

1．2．1 覆冰形成机理及过程研究

1．2．2 影响覆冰的物理和气象因子

1．3 输电线路覆冰监测技术的发展历史及现状

1．3．1 输电线路覆冰检测技术的发展及研究现状

1．3．2 输电线路覆冰厚度测量方法的现状

1．4 课题的研究目的、意义和主要工作

第二章 输电线路覆冰的电容检测机理及检测传感器的改进与软件仿真

2．1 输电线路覆冰的电容检测机理研究

2．1．1 电容感应技术

2．1．2 有介质的柱形平行双导线间电容的计算分析

2．2 Maxwell软件对电容式冰厚传感器的改进进行仿真研究

2．2．1 利用Maxwell软件针对电极宽度(直径)改进进行仿真分析

2．2．2 针对电极间距改进的仿真分析

2．3 针对电容传感器检测中考虑因素作出的进一步改进

2．3．1 针对传感器消除寄生电容问题的研究

2．3．2 传感器电极材质的选择与改进

2．4 电容式输电线路覆冰厚度检测传感器改进后的结构设计

2．5 小结

第三章 电容式输电线路覆冰监测系统的硬件设计与改进

3．1 系统的硬件结构设计

3．2 主控模块电路的硬件设计

3．2．1 微控制单元电路

3．2．2 RS232串口通信模块

3．2．3 系统供电电源模块

3．2．4 电容数据采集模块

3．2．5 数据传输模块

3．3 气象参数数据采集硬件模块

3．4 输电线路模拟导线实时检测的研究

3．5 系统抗干扰设计

3．6 小结

第四章 电容式输电线路覆冰厚度检测系统的软件优化设计

4．1 系统主程序设计

4．2 系统数据采集程序的改进设计

4．3 数据传输程序的改进设计

4．4 灰关联分析法在覆冰相关性中的应用

4．5 组态软件设计上位机监控界面

4．6 小结

第五章 电容式传感器覆冰厚度监测系统的应用研究

5．1 实验室试验及其数据分析

5．2 忻州岢岚山现场应用试验及数据分析

5．3 寿阳现场应用实验及数据分析

5．4 小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录

致谢

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