电场强度测量、报警系统及方法

摘要

本发明涉及电力监测技术领域，具体涉及一种电场强度测量、报警系统，包括：电场单元，用于采集电场强度；温湿单元，用于温度、湿度；主控单元，用于通过非线性算法对电场强度进行准确计算，得到修正的电场强度；并对修正的电场强度进行正确性检验，并判断修正的电场强度是否达到报警阈值：若修正的电场强度达到报警阈值，发送报警信号到报警单元；显示单元，用于显示修正的电场强度；报警单元，用于按照预设的报警规则进行报警。本发明在弧垂正常的情况下高压输电线周围电场强度过高，也能够准确地进行预警，解决了现有技术在输电线路的弧垂正常时不能够准确地进行预警的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及电力监测技术领域，具体涉及一种电场强度测量、报警系统及方法。

背景技术

随着我国电力行业的快速发展，人们对电力系统的安全性和可靠性要求也越来越高。电压事故不仅影响输电线路的正常运行，也影响人民生产生活的正常用电，更会对施工作业人员的生命安全造成威胁。故而，为保证电力系统的安全性和可靠性，需要对输电线路进行实时有效的监测。

比如，文件CN109084673A公开了一种基于弧垂最低位置电场强度测量的输电线路弧垂监测系统，包括信号采集单元、信号传输单元、数据处理单元、中央控制单元、存储单元、显示单元、按键输入单元、报警单元和通信单元；根据弧垂最低位置测量的电场强度的变化计算出弧垂大小，结合输电线路的工作状况和实时天气状况判断输电线路弧垂是否正常，若不正常，通过报警单元及时发出报警，通过显示单元进行显示，通过通信单元上传至监控中心。

弧垂，也即在平坦地面上相邻电杆上导线悬挂高度相同时，导线最低点与两悬挂点间连线的垂直距离。在弧垂正常时，由于电路故障等因素也会导致高压输电线周围电场强度过高。因此，要实现在高压输电线周围电场强度过高时进行报警，必须准确测量高压输电线周围的电场强度。也即，现有技术在输电线路的弧垂正常时不能够准确地进行预警。

发明内容

本发明提供一种电场强度测量、报警系统，解决了现有技术在输电线路的弧垂正常时不能够准确地进行预警的技术问题。

本发明提供的基础方案为：电场强度测量、报警系统，包括：

电场单元，用于实时采集高压输电线周围的电场强度；

温湿单元，用于实时采集高压输电线周围的温度、湿度；

主控单元，用于通过非线性算法，利用电场强度与温度、湿度对电场强度进行准确计算，得到修正的电场强度；并对修正的电场强度进行正确性检验：

若检验不通过，发送重新采集数据的信号到电场单元和温湿单元；

若检验通过，发送显示数据的信号到显示单元，并判断修正的电场强度是否达到报警阈值：若修正的电场强度达到报警阈值，发送报警信号到报警单元；

显示单元，用于接收显示数据的信号，并显示修正的电场强度；

报警单元，用于接收报警信号，并按照预设的报警规则进行报警。

本发明的工作原理及优点在于：首先，采集高压输电线周围的电场强度和温度、湿度。由于环境的湿度会从两个方面影响电场强度测量的准确度，其一，环境的湿度影响传感器的输出电压值；其二，环境的湿度会改变输电线路周围的电场分布。故而，采集完毕后，需要通过非线性算法对电场强度进行补偿，也即利用电场强度与温度、湿度对电场强度进行准确计算，得到修正的电场强度。随后，对修正的电场强度进行正确性检验，并在修正的电场强度达到报警阈值时进行报警。通过这样的方式，即使在弧垂正常的情况下高压输电线周围电场强度过高，也能够准确地进行预警；与此同时，还考虑了湿度对电场强度测量结果的影响，提高了报警的准确性。

本发明在弧垂正常的情况下高压输电线周围电场强度过高，也能够准确地进行预警，解决了现有技术在输电线路的弧垂正常时不能够准确地进行预警的技术问题。

进一步，还包括调理单元，用于将电场强度转换成标准的电信号形式。

有益效果在于：通过这样的方式，在确保传感器稳定可靠的前提下，能够有效地确保数据的精度、稳定性和保真度。

进一步，调理单元包括：前置放大电路，用于对电场强度进行放大，并抑制共模信号的干扰；滤波电路，用于排除电场强度中的噪声。

有益效果在于：通过这样的方式，在传感器信号比较微弱的情况下能够进行放大处理，同时除掉数据中的噪声，从而提高数据的精确度。

进一步，还包括电源单元，用于进行供电。

有益效果在于：通过这样的方式，能够确保随时可以供电，同时自带电源不需要额外的供电的电路，从而能够简化结构，提高可靠性。

进一步，报警单元包括LED灯和蜂鸣器。

有益效果在于：通过这样的方式，同时采用亮灯颜色和鸣叫的模式进行报警，能够实现最佳的声光报警效果。

本发明还提供一种电场强度测量、报警方法，包括步骤：

S1、采集高压输电线周围的电场强度与温度、湿度；

S2、通过非线性算法，利用电场强度与温度、湿度对电场强度进行准确计算，得到修正的电场强度；

S3、对修正的电场强度进行正确性检验：

若检验不通过，返回步骤S1；

若检验通过，显示修正的电场强度，并判断修正的电场强度是否达到报警阈值：若修正的电场强度达到报警阈值，进行S4；

S4、按照预设的报警规则进行报警。

本发明的工作原理及优点在于：由于环境湿度会从两个方面影响电场强度测量的准确度：其一，环境湿度影响传感器的输出电压值；其二，环境湿度会改变输电线路周围的电场分布。故而，需要通过非线性算法对电场强度进行补偿，也即利用电场强度与温度、湿度对电场强度进行准确计算，得到修正的电场强度。随后再对修正的电场强度进行正确性检验，并在修正的电场强度达到报警阈值时进行报警。通过这样的方式，考虑了湿度对电场强度测量结果的影响，提高了报警的准确性。

进一步，S2中，通过非线性算法计算得到修正的电场强度，具体如下：

A1、在不同空气湿度下，测量多组检验点的电压值与对应场强数据；

A2、在每个湿度值下，拟合出电压值与对应场强的曲线；

A3、比较相对湿度h，使其在h

式中U

A4、将实际电压值U与上得到的m个电压值

即求出实际电压值U对应的修正的电场强度。

有益效果在于：由于环境湿度会影响传感器的输出电压值，也会改变输电线路周围的电场分布，通过这样的方式，能够得到任意空气湿度和传感器输出电压下的电场强度的大小，从而对电场强度进行有效的修正。

进一步，S2中还包括对电场强度与温度、湿度进行滤波，具体如下：

B1、获取数据，并判断数据的个数是否达到预设个数，数据包括电场强度、温度与湿度：

B2、如果数据的个数达到预设个数，剔除数据中的最大值和最小值，然后计算平均值；如果数据的个数未达到预设个数，返回B1获取数据，直到数据的个数达到预设个数。

有益效果在于：通过这样的方式，对采样值进行滤波可以提升采样的准确性。

进一步，S4中，同时通过LED灯的亮灯颜色和蜂鸣器的鸣叫进行报警。

有益效果在于：通过这样的方式，同时采用亮灯颜色和鸣叫的模式进行报警，能够实现最佳的声光报警效果。

进一步，S4中，预设的报警规则具体如下：

若修正的电场强度≥5kv/m，红灯亮，蜂鸣器长鸣；

若4kv/m≤修正的电场强度＜5kv/m，红灯亮，蜂鸣器频率＝4；

若3kv/m≤修正的电场强度＜4kv/m，黄灯亮，蜂鸣器频率＝2；

若1kv/m≤修正的电场强度＜3kv/m，黄灯亮，蜂鸣器频率＝1；

若修正的电场强度＜1kv/m，绿灯亮，蜂鸣器不鸣叫。

有益效果在于：通过这样的方式，对不同区间的电场强度采用不同的方式进行预警，能够有效地吸引工作人员的注意力，从而提高预警的效果。

附图说明

图1为本发明电场强度测量、报警系统实施例的系统结构框图。

图2为本发明电场强度测量、报警系统实施例的拟合出的在每个湿度值下电压值与对应场强的曲线。

图3为本发明电场强度测量、报警系统实施例的湿度、电压值、对应场强实测示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例1

本发明电场强度测量、报警系统实施例基本如附图1所示，包括：

电场单元，用于实时采集高压输电线周围的电场强度；

温湿单元，用于实时采集高压输电线周围的温度、湿度；

主控单元，用于通过非线性算法，利用电场强度与温度、湿度对电场强度进行准确计算，得到修正的电场强度；并对修正的电场强度进行正确性检验：

若检验不通过，发送重新采集数据的信号到电场单元和温湿单元；

若检验通过，发送显示数据的信号到显示单元，并判断修正的电场强度是否达到报警阈值：若修正的电场强度达到报警阈值，发送报警信号到报警单元；

显示单元，用于接收显示数据的信号，并显示修正的电场强度；

报警单元，用于接收报警信号，并按照预设的报警规则进行报警。

在本实施例中，电场单元采用电场传感器，温湿单元采用DHT22数字温湿度传感器，主控单元采用STM32F103主控芯片，显示单元采用LCD1602显示器，报警单元采用LED灯和蜂鸣器。除此之外还包括调理单元，调理单元由前置放大电路和滤波电路组成，涉及到无线传输使用RF433模块；就供电而言，可从高压输电线接电线为本系统供电。

具体实施过程如下：

S1、采集高压输电线周围的电场强度与温度、湿度。

首先，用电场传感器采集高压输电线周围的电场强度，用DHT22数字温湿度传感器采集高压输电线周围的温度和湿度。采集完毕后，将这些数据发送到STM32F103主控芯片。

其中，电场强度需要先经过前置放大电路和滤波电路进行处理。前置放大电路由三个运算放大器组成，电路前级是两个对称的同相放大器，具有很好的抑制共模干扰的能力；电路后级是差分放大器，在将前级共模干扰抵消的同时，将双端输入转换成单端输出。考虑到待测信号是电场强度，频率为50Hz，故而滤波电路选用低通滤波器。

S2、通过非线性算法，利用电场强度与温度、湿度对电场强度进行准确计算，得到修正的电场强度。

当STM32F103主控芯片接收到电场强度、温度和湿度后，为了提升采样的准确性，需要对电场强度、温度、湿度进行滤波。具体而言，第一步，获取数据，并判断数据的个数是否达到预设个数，数据包括电场强度、温度与湿度；第二步，如果数据的个数达到预设个数，剔除数据中的最大值和最小值，然后计算平均值；如果数据的个数未达到预设个数，返回第一步继续获取数据，直到数据的个数达到预设个数。比如说，预设个数为20，首先获取电场强度，如果数据的个数没有达到20个，就继续获取数据直到20个为止；当数据的个数达到20个时，就剔除电场数据中的最大值和最小值，然后计算平均值。

接着，由于环境湿度会影响传感器的输出电压值，也会改变输电线路周围的电场分布，故而需要对电场强度进行有效的修正。也即通过非线性算法计算得到修正的电场强度，具体如下：

A1、在不同空气湿度下，测量多组检验点的电压值与对应场强数据。

在相对湿度为h

A2、在每个湿度值下，拟合出电压值与对应场强的曲线.

根据获取的这些数据，利用曲线拟合法，比如多项式拟合，得出在相对湿度为hi的时候，电压值U与对应场强E的曲线，如附图2所示。

A3、比较相对湿度h，使其在h

式中U

A4、将实际电压值U与上得到的m个电压值

即求出实际电压值U对应的修正的电场强度，可参照附图3所示。

S3、对修正的电场强度进行正确性检验：若检验不通过，返回步骤S1；若检验通过，显示修正的电场强度，并判断修正的电场强度是否达到报警阈值：若修正的电场强度达到报警阈值，进行下一步。

当通过非线性算法计算得到修正的电场强度后，STM32F103主控芯片就需要对修正的电场强度进行正确性检验，也即判断电场强度的数量级是否符合要求。本实施例中，电场强度的数量级为kv/m，如果得到的修正的电场强度的数量级为0.1kv/m或者为10kv/m，则检验不通过，故而需要重新采集高压输电线周围的电场强度与温度、湿度，或者等待下次数据到来进行检验。

反之，电场强度的数量级符合要求，则检验通过，STM32F103主控芯片就发送信号到LCD1602，使LCD1602显示电场强度；并接着判断修正的电场强度是否达到报警阈值，若修正的电场强度达到报警阈值，则需要发送信号到LED灯和蜂鸣器，使LED灯和蜂鸣器进行报警，本实施例中报警阈值为1kv/m。

S4、按照预设的报警规则进行报警。

当LED灯和蜂鸣器接收到信号后，按照如下规则进行预警：

若修正的电场强度≥5kv/m，红灯亮，蜂鸣器长鸣；

若4kv/m≤修正的电场强度＜5kv/m，红灯亮，蜂鸣器频率＝4；

若3kv/m≤修正的电场强度＜4kv/m，黄灯亮，蜂鸣器频率＝2；

若1kv/m≤修正的电场强度＜3kv/m，黄灯亮，蜂鸣器频率＝1；

若修正的电场强度＜1kv/m，绿灯亮，蜂鸣器不鸣叫。

实施例2

与实施例1不同之处仅在于，还包括电源单元，本实施例中采用蓄电池或锂电池，用于给整个系统进行供电。

实施例3

与实施例2不同之处仅在于，模拟环境中空气的湿度对电场强度的影响。

预先准备两个塑料瓶，将塑料瓶放置在高压输电线附近的某个位置，等待一段时间后，比如说5分钟，用电场传感器和DHT22数字温湿度传感器采集塑料瓶内的电场强度和湿度。

然后，以喷雾的形式向其中一个塑料瓶内喷入水，待5分钟后，再次采集塑料瓶内的电场强度和湿度；采集完毕后，以喷雾的形式再次向塑料瓶内喷入水，待5分钟后，再次采集塑料瓶内的电场强度和湿度。以此类推，通过这样的方式，以电场强度为纵坐标、湿度为横坐标拟合曲线，能够得到空气中湿度逐渐上升时，电场强度的变化规律。

然后，类似的方法，以粉末的形式向另一个塑料瓶内撒入氯化钙，待5分钟后，再次采集塑料瓶内的电场强度和湿度；采集完毕后，以粉末的形式向塑料瓶内再次撒入氯化钙，待5分钟后，再次采集塑料瓶内的电场强度和湿度。以此类推，通过这样的方式，以电场强度为纵坐标、湿度为横坐标拟合曲线，能够得到空气中湿度逐渐降低时，电场强度的变化规律。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。