第一章緒論

1.1本謀題研究的背景和意義
大型電力設(shè)備在運(yùn)輸過程中會受到各種不良因素的影響，比如路況顛凝、車速突變、充氮設(shè)備漏氣等�！峨娏Υ蠹\(yùn)輸規(guī)范》規(guī)定，根據(jù)路況等級狀況，運(yùn)輸車輛的車速應(yīng)嚴(yán)格限制在10-40kmyh;因顛簸和牽引在三軸（X, y, z)方向上產(chǎn)生的加速度不能超過3g，避免設(shè)備受到?jīng)_撞；當(dāng)設(shè)備油箱漏氣時，潮濕空氣會使設(shè)備受潮，因此油箱內(nèi)正壓應(yīng)保持在0.01-0.03MPa;變壓器從裝車到運(yùn)輸，雙軸傾斜角不能超過15° ,可有效防止變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)形變等等，如果以上質(zhì)量要求無法滿足，極易造成設(shè)備損壞或產(chǎn)生潛在安全隱患。因此電力設(shè)備的運(yùn)輸過程成為一個高風(fēng)險的過程，應(yīng)對這一過程進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量管控。在大型電力變壓器運(yùn)輸?shù)倪^程中，設(shè)備廠商甚至包括業(yè)主單位都會派人員跟車。到達(dá)現(xiàn)場后，業(yè)主、現(xiàn)場安裝單位、運(yùn)輸單位等各方一起檢查傳感器的數(shù)據(jù)記錄和設(shè)備狀態(tài)，以確認(rèn)設(shè)備質(zhì)量完好。然而，在漫長的運(yùn)輸過程中，檢測數(shù)據(jù)只能事后查看，往往會出現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)與實(shí)際情況不符的情況，傳感器本身在運(yùn)輸過程中發(fā)生故障無法及時發(fā)現(xiàn)，發(fā)生意外只能靠人工聯(lián)系等等盲點(diǎn)。因此，我們應(yīng)對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，建立一套大型電力設(shè)備在途質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，遇到問題及時報警，為保證設(shè)備運(yùn)輸質(zhì)量提供有力保障。由此可見，大型電力設(shè)備在途監(jiān)測系統(tǒng)，對電力設(shè)備運(yùn)輸質(zhì)量安全意義重大，值得研究開發(fā)和廣泛應(yīng)用。
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1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
早在20世紀(jì)70年代就有數(shù)臺110KV以上的大型變壓器因運(yùn)輸沖擊，在投用不久后損壞，李啟盛等人就已提出需要安裝運(yùn)輸振動記錄裝置17]。80年代國家提出了《三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》（GB6451.1?5—86) 18]的方案，規(guī)定220KV變壓器運(yùn)輸需安裝封閉式?jīng)_擊震動記錄儀。在《電氣裝置安裝工程電力變壓器、油浸電抗器、互感器施工及驗收規(guī)范》（GBJ148—90) t9]中，進(jìn)一步規(guī)范了大型變壓器運(yùn)輸要求，提出了沖擊加速度、壓力（充氮運(yùn)輸）、傾斜、天氣等運(yùn)輸安全參數(shù)，并指出我國對大型設(shè)備運(yùn)輸中裝設(shè)沖擊記錄儀尚屬初始階段。對于沖擊記錄儀的種類、安裝位置，以及大型變壓器允許沖擊值，還需積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。沖擊允閾值的大小，國內(nèi)尚無標(biāo)準(zhǔn)，國外對于大型變壓器運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)也各不相同，如日本東芝公司規(guī)定在運(yùn)輸?shù)那昂蠓较驗?g，橫向為Ig，垂直為3g。德國TU公司規(guī)定各向均為3g。美國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：垂直為1g，前后為4g。經(jīng)我國有關(guān)部門商定，最終將國產(chǎn)大型變壓器運(yùn)輸沖擊值三個方向均定為3g。在歐美國家，貨物運(yùn)輸基本由專業(yè)的運(yùn)輸公司(UPS，F(xiàn)EDEX等)負(fù)責(zé)。貴重物品運(yùn)輸中的風(fēng)險則往往由第三方的保險來承擔(dān)。在運(yùn)輸過程開始后，客戶僅可以通過電話或網(wǎng)絡(luò)查看當(dāng)前貨物運(yùn)輸?shù)侥囊徽尽\(yùn)輸過程中的貨物狀態(tài)無法隨時掌握。在運(yùn)輸公司內(nèi)部，對貨物位置的獲取是通過在完成每一段運(yùn)輸后錄入貨物的唯一碼完成的。2004年開始，在運(yùn)輸領(lǐng)域里開始引入RFID技術(shù)來代替唯一的掃描碼。然而操作流程沒有變化，RFID標(biāo)簽需要使用相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行掃描，對貨物的監(jiān)控還是無法做到全程實(shí)時。同時，系統(tǒng)中的信息也僅僅是運(yùn)輸進(jìn)程，目前還沒有設(shè)備本身的監(jiān)控信息。
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第二章系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2.1系統(tǒng)整體設(shè)計
通過對天威保變，西變西電的調(diào)研，分析當(dāng)前監(jiān)控設(shè)備的現(xiàn)狀，結(jié)合智能傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、Android技術(shù)、Web技術(shù)等新技術(shù)，打破目前封閉式監(jiān)控現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)大型變壓器運(yùn)輸參數(shù)（沖擊加速度、車體傾斜角度、充氮壓力、地理信息等）遠(yuǎn)程監(jiān)控，分級共享，并通過振動模型結(jié)合實(shí)際運(yùn)輸路面情況制定合理報警閾值，為風(fēng)險實(shí)時監(jiān)控提供了技術(shù)支持。業(yè)主、變壓器制造廠商、運(yùn)輸單位和相關(guān)部門均可通過WEB分權(quán)限了解大型變壓器的相關(guān)運(yùn)輸狀況，明確了責(zé)任人，運(yùn)輸路線，變壓器參數(shù)等級，敏感參數(shù)閾值范圍等重要信息。為運(yùn)前風(fēng)險評估，線路選擇，事故責(zé)任認(rèn)定，提供了可靠依據(jù)。對目前大型電力設(shè)備運(yùn)輸安全，有重要意義。下圖2-1為2013年初西變西電發(fā)往榆次北的大型變壓器變壓器B相繞組的監(jiān)測現(xiàn)場，較為形象的展示了整個系統(tǒng)的設(shè)計思想和總體架構(gòu)。作者主要完成監(jiān)控終端的設(shè)計，監(jiān)控中心和集中控制器主要由北京天成電科技股份有限公司完成，作者為其參與總體方案設(shè)計、提供部分電路設(shè)計和制定接口協(xié)議，在本章只對監(jiān)控中心和集中控制器進(jìn)行總體概述。系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計將會在第三章詳細(xì)介紹，監(jiān)測終端軟硬件設(shè)計將會在第四、第五章詳細(xì)介紹，模型計算和現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析將在第六章介紹。
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2.2監(jiān)控中心設(shè)計
監(jiān)控中心由無線網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器、內(nèi)容服務(wù)器、管理服務(wù)器等設(shè)備組成，操作系統(tǒng)釆用Redhat Enterprise Linux 5;開發(fā)語言使用 java 1.6, Apache Httpd2.2+Tomcat6 作為"Web 服務(wù)器；采用 Oracle llg 作為數(shù)據(jù)庫；用SOA架構(gòu)進(jìn)行平臺的搭建，這樣保證系統(tǒng)擴(kuò)展更容易、更適合信息化管理、更利于系統(tǒng)維護(hù)升級；數(shù)據(jù)交換平臺采用web service異步技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；J2EE體系結(jié)構(gòu)中的中間層集成框架可適用于性價比、性能穩(wěn)定和可擴(kuò)性較強(qiáng)的應(yīng)用場合[16]，主要負(fù)責(zé)在大型變壓器運(yùn)輸前，審批運(yùn)輸計劃、考核運(yùn)輸單位資質(zhì)、分析路線和評估風(fēng)險；在運(yùn)輸過程中，記錄全程數(shù)據(jù)、線路，對運(yùn)輸狀態(tài)實(shí)時評定，并可與傳感網(wǎng)絡(luò)通信，調(diào)整相關(guān)參數(shù)閾值；在運(yùn)輸結(jié)束后，分析運(yùn)輸數(shù)據(jù)，，評定運(yùn)輸質(zhì)量。業(yè)主、變壓器制造廠商、運(yùn)輸單位和相關(guān)部門均可通過WEB分權(quán)限了解大型變壓器的相關(guān)運(yùn)輸狀況。本章主要介紹監(jiān)控中心的主要界面和功能如圖2-3所示。電網(wǎng)人員、系統(tǒng)管理員、運(yùn)輸企業(yè)和設(shè)備廠商用戶可通過各自賬戶用戶登錄，用戶登錄成功后，按不同權(quán)限查看或?qū)徟鄳?yīng)類目，如歷史運(yùn)輸計劃，運(yùn)輸任務(wù)編號、工程項目相關(guān)信息和設(shè)備采購編號等。在運(yùn)輸方案界面，用戶可以查看運(yùn)輸方案的詳細(xì)信息，包括運(yùn)輸始發(fā)地和目的地、運(yùn)輸開始和結(jié)束時間、運(yùn)輸車輛類型、車輛車牌號、駕駛員、押運(yùn)員和運(yùn)輸路線等信息。在大型變壓器運(yùn)輸過程中，用戶可以實(shí)時查看監(jiān)測信息，包括運(yùn)輸位置、速度、每個監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)和時間等信息。運(yùn)輸結(jié)束后還可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，包括各時段行車路線和傳感器數(shù)據(jù)等信息。
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第三章小型傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計....... 13
3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)概述....... 13
3.2系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計....... 14
3.3本章小結(jié)....... 19
第四章監(jiān)測終端硬件設(shè)計....... 21
4.1監(jiān)測終端硬件設(shè)計....... 21
4.2ZigBee射頻模塊....... 22
4.3電源模塊 .......24
4.4傳感器模塊 .......25
4.5存儲模塊電路....... 31
4.6時鐘電路 .......32
4.7 JTAG調(diào)試接口電路 .......33
4.8看門狗和復(fù)位電路....... 33
4.9防盜和低電壓報警電路....... 34
4.10本章小結(jié)....... 35
第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計....... 37
5.1系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境....... 37
5.2監(jiān)測終端軟件整體結(jié)構(gòu) .......38
5.3看門狗事件.......   39
5.4時鐘釆集事件....... 41
5.5數(shù)據(jù)釆集事件....... 43
5.6數(shù)據(jù)打包發(fā)送事件....... 44
5.7網(wǎng)絡(luò)消息處理事件....... 47
5.8短消息處理事件....... 49
5.9本章小結(jié) .......71

第六章振動模型建立與現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

6.1大型變壓器運(yùn)輸振動模型
在大型變壓器運(yùn)輸過程中，路面不平度是行駛阻力和振動的主要激勵沿行駛方向的路面不平度會引起大型變壓器在豎直方向上的低頻振動，沖擊允許值由振動模型求得。在路面的橫斷面上，不平度則引起車輛的側(cè)傾，為保證行駛安全性傾側(cè)角以T作為傾角預(yù)警值。以運(yùn)輸大型變壓器的平板車和大型變壓器作為研究對象，建立如圖6-1所示大型變壓器路面運(yùn)輸振動模型，1?為平板車車身及大型變壓器質(zhì)量，即簧上質(zhì)量；K2為整體車身懸架彈性系數(shù)；C為整車車身懸架阻尼系數(shù)；mi為簧下質(zhì)量，Ki為所有輪胎剛度，q為路面激勵，Zi，Z2為mi，1?垂直方向位移響應(yīng)。在實(shí)際運(yùn)輸過程中，變壓器運(yùn)輸安全分析分為3部分：1、通過對運(yùn)前線路和路面不平度等級的考察，利用振動模型和沖擊允許值預(yù)測來模擬運(yùn)輸環(huán)境，估算運(yùn)輸沖擊，制定沖擊預(yù)警值，確保模擬運(yùn)輸安全性；2、根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸數(shù)據(jù)分析路面等級調(diào)整沖擊預(yù)警值，發(fā)現(xiàn)異常速度、加速度、傾角、氮?dú)鈮毫?shù)據(jù)時及時提醒相關(guān)人員做出相應(yīng)操作；3、運(yùn)輸結(jié)束后分析運(yùn)輸數(shù)據(jù)并判斷運(yùn)輸質(zhì)量。

結(jié)論

輸變電要求逐步提高，電力設(shè)備的單個體積，重量和價格逐年增加，大型電力設(shè)備的運(yùn)輸日趨頻繁，設(shè)備具有嚴(yán)格的運(yùn)輸質(zhì)量要求。在運(yùn)輸過程中，行車速度，沖擊振動，氣體壓力，傾斜程度等參數(shù)必須進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控。本文從電力設(shè)備運(yùn)輸質(zhì)量監(jiān)測的實(shí)際問題入手，結(jié)合沖擊加速度、路面等級、行駛速度等參數(shù)，提出一種大型變壓器運(yùn)輸振動模型，設(shè)計一套集智能傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、Android技術(shù)、Web技術(shù)等為一體的大型變壓器運(yùn)輸監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)主要由終端裝置、集中控制器和監(jiān)控中心組成。終端裝置模塊將監(jiān)測參數(shù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)經(jīng)路由器傳輸?shù)郊锌刂破髂K。集中控制器將終端裝置節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過WCDMA網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過Web顯示整個運(yùn)輸過程，并可以實(shí)時觀察傳感器數(shù)據(jù)和車輛的行駛位置。遇到預(yù)警或報警數(shù)據(jù)時，可通知技術(shù)人員作出相應(yīng)的操作。本課題來源于國家電網(wǎng)公司的科研項目《電力設(shè)備運(yùn)輸質(zhì)量在線管控技術(shù)的研究應(yīng)用》，與北京天成電科技有限公司合作，該項目已于2014年3月由山西省科技廳驗收，科技成果鑒定為國際先進(jìn)水平。監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但系統(tǒng)還需進(jìn)一步完善。主要有一下幾點(diǎn)：
(1)設(shè)備安裝位置和外形仍需電網(wǎng)部門、變壓器生產(chǎn)和運(yùn)輸部門協(xié)調(diào)，確定氣壓表螺紋接口，允許安裝臺數(shù)和監(jiān)控部門職能劃分，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)管，便于推廣。
(2)大型變壓器運(yùn)輸安全在線監(jiān)測系統(tǒng)集遠(yuǎn)程在線監(jiān)測、實(shí)時預(yù)警、路面預(yù)測于一體，通過監(jiān)測路面沖擊加速度、車體傾斜角度和車輛行駛速度，結(jié)合監(jiān)控中心軟件，評估大型變壓器運(yùn)輸安全等級。根據(jù)相關(guān)路面參數(shù)預(yù)測振動強(qiáng)度，及時語音提醒，可有效的減少了大型變壓器運(yùn)輸損傷。
(3)隨著該系統(tǒng)的運(yùn)行，將逐漸積累運(yùn)輸相關(guān)的數(shù)據(jù)，建立有關(guān)沖擊如速度、損壞度等級數(shù)據(jù)庫，有利于進(jìn)一步修正變壓器振動模型和沖擊允許值預(yù)測模型。
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參考文獻(xiàn)（略）