水電大壩冰情連續(xù)測報系統(tǒng)的研究與應用

【摘要】：本論文是在中-俄(NSFC-RFBR)國際(地區(qū))合作與交流項目：“基于空氣、冰與水的物理特性測量冰厚度與力學強度的理論與試驗研究(課題編號：60811120556)”、高等學校博士學科點博導類專項科研基金項目：“基于空氣、冰與水的物理特性差異檢測方法在冰水情信息全天候自動監(jiān)測領域的應用機理研究(課題編號：20091402110004)”以及黃河水利委員會黃河水利科學研究院技術開發(fā)項目“黃河冰情自動監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)與現場試驗”等項目資助下進行的一項應用基礎研究。 我國是水利大國,水利事業(yè)隨著我國經濟的發(fā)展而不斷發(fā)展,成為了國家經濟發(fā)展和人民安居樂業(yè)的重要支柱。水力發(fā)電是我國電力能源的重要組成部分,在我國內陸水電資源中,目前可供開發(fā)的水電大壩選址大多數位于高海拔的西北、西南高寒地區(qū),結冰對壩體形成的水平靜壓力是大壩安全運行的巨大“隱患”,并且?guī)靺^(qū)冬季冰層厚度及水位的監(jiān)測對水庫發(fā)電、庫區(qū)周邊及上游河道的安全均有著密切的關聯,尋求一種工程適用的水電工程大壩冰情自動檢測方法與設備是國內外許多水電設計單位與企業(yè)一直關注但尚未獲得解決的問題。 針對這一現狀,論文作者和課題組同事與中國水電顧問集團中南設計研究院水情水調公司合作,通過查閱大量的相關資料和進行現場調研,在“基于空氣、冰與水物理特性差異的冰水情檢測方法’基礎上,結合單片機技術、GPRS技術和C#窗體界面編程技術等,設計、研制了一款適合于水電大壩的超低功耗冰情定點連續(xù)自動測報系統(tǒng),并于2010年在云南-四川交接的金沙江上游巴塘地區(qū)黨恩水電站成功進行了工程應用實驗。本論文詳細闡述了超低功耗冰情定點連續(xù)自動測報系統(tǒng)的設計過程以及對現場采集冰情數據的處理 方法,內容包括： 1.針對工程試驗現場-金沙江上游四川省巴塘縣黨恩水電站特殊的地理環(huán)境特點：低溫、地理位置偏僻以及無工業(yè)供電等,提出了測報系統(tǒng)應具備無人實時監(jiān)控、超低功耗、可遠程傳輸數據、發(fā)送命令,具有大容量存儲空間等功能的系統(tǒng)總體設計方案； 2.通過理論分析和實驗室仿真,對“基于空氣、冰與水電阻差異的冰情檢測方法”在川藏高原特殊環(huán)境下的適用性進行了基礎理論研究； 3.基于總體設計方案確定的指導思路,論文詳細討論了現場數據采集系統(tǒng)的硬軟件設計過程,包括使用GPRS模塊進行遠程數據的傳輸實驗,基于UDP傳輸協議的C#語言冰情監(jiān)測上位機處理軟件； 4.針對冰情測報系統(tǒng)現場采集數據存在奇異值而導致冰-水層與冰-空氣層界面難以確定的工程難題,引入并編制了基于統(tǒng)計學的“最小二乘變點冰水情數據處理算法”,通過大量實際工程現場采集數據的驗證分析,表明這一算法大大提高了冰情現場采集數據處理的準確性,解決了“基于空氣、水與冰電阻差異的冰情檢測方法”在工程技術轉化應用中的一個重要難題。 通過對工程應用現場系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測與獲取數據的分析,表明本論文所設計的超低功耗冰情定點連續(xù)自動測報系統(tǒng)達到了預定的設計指標,實現了各項預定的系統(tǒng)功能；運行試驗結果還表明,這一系統(tǒng)結構簡單,成本低,具有友好的上位機人機交互界面,可以方便的進行遠程數據提取和控制,可以為河道、水庫大壩等野外惡劣工作環(huán)境下的冰水情數據定點連續(xù)自動監(jiān)測提供一種可行的技術辦法。但是,對設備運行狀況以及后期數據的分析也發(fā)現了本系統(tǒng)還存在一些問題與不足,論文對這些問題產生的原因進行了分析,也對今后的改進和完善提出了看法建議。 【關鍵詞】：堤壩 傳感器 冰水情檢測 C# 上位機 冰水情處理算法
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：P335
【目錄】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-19
• 1.1 課題的研究背景13-14
• 1.2 冰水情檢測技術國內外發(fā)展現狀14-17
• 1.2.1 國內外冰層厚度檢測方法14-16
• 1.2.2 新型冰層厚度檢測方法提出及改進16-17
• 1.3 論文研究工作內容簡介17-19
• 第二章 系統(tǒng)總體設計19-25
• 2.1 系統(tǒng)功能指標設計要求19-20
• 2.2 系統(tǒng)總體技術方案介紹20-22
• 2.3 R-T冰層厚度傳感器檢測原理介紹22-24
• 2.4 本章小結24-25
• 第三章 系統(tǒng)硬件設計與實現25-47
• 3.1 系統(tǒng)低功耗的硬件設計策略25-26
• 3.2 系統(tǒng)硬件的總體設計結構框圖26-27
• 3.3 現場數據處理單元電路設計27-39
• 3.3.1 微控制器MSP430單片機電路設計及I/O引腳分配27-29
• 3.3.2 單片機復位及硬件看門狗電路29-30
• 3.3.3 系統(tǒng)實時時鐘模塊及其電路設計30-32
• 3.3.4 A/D轉換電路設計32
• 3.3.5 SD卡存儲模塊及電路設計32-34
• 3.3.6 液晶顯示電路及鍵盤電路設計34
• 3.3.7 系統(tǒng)串行通訊模塊電路設計34-36
• 3.3.8 低功耗電源設計36-38
• 3.3.9 傳感器級聯擴展電路設計38-39
• 3.4 數據采集單元電路設計39-42
• 3.4.1 CPLD芯片電路設計及其管腳分配39-40
• 3.4.2 模擬開關電路設計40-41
• 3.4.3 DS18B20溫度采集陣列41-42
• 3.5 基于GPRS的無線數據傳輸模塊選型42-46
• 3.6 本章小結46-47
• 第四章 數據采集系統(tǒng)的軟件設計47-67
• 4.1 系統(tǒng)低功耗軟件設計策略47-48
• 4.2 冰情測報系統(tǒng)主程序設計48-50
• 4.3 冰厚傳感器采集模塊程序設計50-55
• 4.3.1 冰層厚度傳感器電壓數據程序設計51-53
• 4.3.2 冰層厚度傳感器溫度數據程序設計53-55
• 4.4 基于FAT32的存儲程序設計55-57
• 4.5 實時時鐘及E~2PROM存儲程序設計57-59
• 4.6 液晶顯示及鍵盤操作模塊程序設計59-61
• 4.7 系統(tǒng)GPRS通訊程序設計61-65
• 4.8 系統(tǒng)軟件運行及實際功耗情況65
• 4.9 本章小結65-67
• 第五章 基于C#的上位機數據管理系統(tǒng)設計67-79
• 5.1 軟件功能說明67-68
• 5.2 應用開發(fā)環(huán)境的選擇68-69
• 5.3 數據采集socket網絡通信方法及實現69-71
• 5.4 上位機軟件的開發(fā)71-77
• 5.4.1 登陸界面設計71-73
• 5.4.2 系統(tǒng)主界面設計73-74
• 5.4.3 數據發(fā)送界面設計74-76
• 5.4.4 數據處理界面設計76-77
• 5.5 本章小結77-79
• 第六章 最小二乘法變點數據處理算法及現場應用79-93
• 6.1 數據格式及應用方法79-82
• 6.2 空氣、冰與水的界面位置處理算法的探索82-84
• 6.2.1 基于曲線擬合的閾值判斷算法82-83
• 6.2.2 基于傳感器狀態(tài)的經驗閾值判斷算法83-84
• 6.3 最小二乘變點冰水情數據處理算法84-91
• 6.3.1 變點分析概念及其方法84-85
• 6.3.2 最小二乘法變點分析理論依據85-86
• 6.3.3 最小二乘變點冰水情數據處理算法實現86-88
• 6.3.4 “最小二乘變點冰水情數據處理算法”應用88-91
• 6.4 本章小結91-93
• 第七章 總結與展望93-97
• 7.1 總結93-94
• 7.2 存在問題及對今后研究的建議與展望94-97
• 參考文獻97-101
• 附錄1 水電大壩冰情自動連續(xù)測報系統(tǒng)硬件電路原理圖101-103
• 致謝103-105
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文105

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