王亞峰

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

淺議輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)偏監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

王亞峰

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

提出輸電線(xiàn)路風(fēng)偏在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，同時(shí)采集絕緣子串高壓側(cè)和低壓側(cè)的風(fēng)偏角、偏斜角等參數(shù)，低壓側(cè)的風(fēng)偏傳感器通過(guò)RS845總線(xiàn)與桿塔分機(jī)進(jìn)行通信。

絕緣子串；風(fēng)偏；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

引言

高壓側(cè)的風(fēng)偏傳感器組建基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。桿塔監(jiān)測(cè)分機(jī)安裝在桿塔上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絕緣子串風(fēng)偏角以及周?chē)h(huán)境氣象參數(shù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析、預(yù)處理，然后通過(guò)絕緣子風(fēng)偏計(jì)算模型，計(jì)算出導(dǎo)線(xiàn)距離桿塔的電氣間隙等，最后將風(fēng)偏角、偏斜角、電氣間隙及氣象參數(shù)通過(guò)GPRS/CDMA/3G/WiFi/光纖等方式上傳給狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理(CMA)，CMA將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總處理發(fā)送至監(jiān)控中心(CAG)，監(jiān)控中心專(zhuān)家軟件最后對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)，以圖形化的方式顯示給工作人員。

1 總體架構(gòu)

當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)電氣間隙超過(guò)安全閾值時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)多種方式遠(yuǎn)程發(fā)出告警，及時(shí)通知巡線(xiàn)人員排除威脅，確保輸電線(xiàn)路的安全可靠運(yùn)行。輸電線(xiàn)路風(fēng)偏在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的整體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)偏在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)架構(gòu)

2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)(桿塔分機(jī))

(1)硬件設(shè)計(jì)：

導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)偏狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置主要用來(lái)完成絕緣子串高壓側(cè)和低壓側(cè)的風(fēng)偏角、偏斜角的信息以及桿塔周?chē)鷼庀髤?shù)的采集，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理、存儲(chǔ)，同時(shí)將進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，通過(guò)GPRS發(fā)送CAG。

1)主控制器的概述：隨著信息數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，目前電子市場(chǎng)有很多MCU種類(lèi)，因此，選擇一款性?xún)r(jià)比高的MCU至關(guān)重要，不但能夠降低開(kāi)發(fā)成本，而且可以提高設(shè)備的性能。本系統(tǒng)采用的微處理器是STM32F103，STM32F103是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的 32 位處理器。主頻可72MHZ，充分滿(mǎn)足數(shù)據(jù)的處理速度要求，具有128kB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器、20kB的SRAM、3個(gè)UART、2個(gè)SII端口、2個(gè)I2C接口、12位A/D轉(zhuǎn)換器、4個(gè)通用定時(shí)器，以及4種低功耗模式：空閑、睡眠、掉電和深度掉電，充分滿(mǎn)足設(shè)備運(yùn)行在野外條件下的低功耗要求。

2)存儲(chǔ)模塊：導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)偏在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置為滿(mǎn)足國(guó)家電網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，采用基于SD卡的FAT32文件系統(tǒng)，它的功能結(jié)構(gòu)如圖2。通過(guò)它訪(fǎng)問(wèn)和操作SD卡上的目錄與文件，比如創(chuàng)建目錄、創(chuàng)建文件、讀取數(shù)據(jù)、刪除文件等,完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能。SD卡支持兩種通信模式：SD方式和SPI方式。SD方式數(shù)據(jù)傳輸速率高，但采用六線(xiàn)制，占用資源；SPI方式雖然速率低，然而其操作簡(jiǎn)單、占用IO少；因此本文采用SPI通信方式。

圖2基于SD卡的文件系統(tǒng)

3)ZigBee網(wǎng)絡(luò)：最近幾年來(lái)，ZigBee技術(shù)得到了迅速發(fā)展，其技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)為低功耗、短距離、自組網(wǎng)、低成本等，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。目前，ZigBee技術(shù)發(fā)展迅速，擁有很多種類(lèi)，本文采用TI公司的CC2430射頻芯片，以CC2430芯片為核心，設(shè)計(jì)出無(wú)線(xiàn)ZigBee模塊，同時(shí)為了增加傳輸距離，設(shè)計(jì)了板載天線(xiàn)和外部天線(xiàn)。ZigBee模塊主要負(fù)責(zé)絕緣子高壓側(cè)雙軸傾角傳感器與桿塔分機(jī)的通信，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

4)GPRS模塊：GPRS是一種利用分組交換技術(shù)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，既具備GSM網(wǎng)絡(luò)的功能，同時(shí)能夠更有效的實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)和信令，通過(guò)增加GPRS支持節(jié)點(diǎn)和服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。CPU對(duì)GPRS的控制主要是通過(guò)串口操作實(shí)現(xiàn)的，本次設(shè)計(jì)選擇華為公司的GTM900C，操作簡(jiǎn)單，易于集成。

5)微氣象傳感器：導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)偏的故障機(jī)理十分復(fù)雜，不僅涉及許多外界因素，而且還包括許多隨機(jī)因素，其中一個(gè)重要因素就是環(huán)境參數(shù)的變化。因此，需要不斷的采集線(xiàn)路周?chē)奈庀髼l件，為風(fēng)偏閃絡(luò)機(jī)理的研究提供準(zhǔn)確的信息。本文的氣象傳感器采用集成多參數(shù)測(cè)量傳感器MULTI-5P型。

6)供電單元：由于導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)偏在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行環(huán)境的特殊性，取電困難，只能采用太陽(yáng)能、風(fēng)電等間歇式電能供給，并通過(guò)蓄電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能部件轉(zhuǎn)化為持續(xù)的電能供給，在太陽(yáng)能充足時(shí)，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能一方面供給在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備使用，另一方面對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，在夜晚及陰雨天氣則由蓄電池為裝置提供電能。圖3為輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置電源的典型結(jié)構(gòu)框圖，主要包含發(fā)電設(shè)備(太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等)、控制及儲(chǔ)能設(shè)備(充放電控制器、蓄電池)、負(fù)載設(shè)備(在線(xiàn)監(jiān)測(cè)主機(jī)、傳感器、光纖交換機(jī)、WiFi等)三大部分。

圖3輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置供電單元

(2)軟件設(shè)計(jì)

1)計(jì)算模型：前面提到的基于角度傳感器的線(xiàn)路風(fēng)偏在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，只通過(guò)一個(gè)角度傳感器采集數(shù)據(jù)，計(jì)算模型簡(jiǎn)單且精度較低。因此，本文提出一種新型的線(xiàn)路風(fēng)偏計(jì)算方法，利用絕緣子高壓側(cè)和低壓側(cè)的兩個(gè)傾角，通過(guò)一種疊加算法，精確計(jì)算出絕緣子串的偏移距離。

本文采用的新型計(jì)算方法如下：假設(shè)整個(gè)絕緣子串的長(zhǎng)度為l，當(dāng)外界條件作用下使得導(dǎo)線(xiàn)發(fā)生偏移時(shí)，通過(guò)低壓側(cè)安裝的角度傳感器采集到最上端絕緣子的風(fēng)偏角β1，通過(guò)高壓側(cè)安裝的角度傳感器采集到最下端絕緣子的風(fēng)偏角βn。

根據(jù)β1和βn，計(jì)算出每一片絕緣子的風(fēng)偏角：

(1-1)

(1-2)

……

(1-3)

最后，根據(jù)絕緣子的型號(hào)，計(jì)算出絕緣子的電氣間隙:

d=Lsinβ1+Lsinβ2+Lsinβ3+…+Lsinβn

(1-4)

2)軟件設(shè)計(jì)：算法設(shè)計(jì)流程首先初始化讀取設(shè)備ID，判斷工作模式，一方面打開(kāi)低壓側(cè)傳感器電源，進(jìn)行低壓側(cè)風(fēng)偏角和微氣象數(shù)據(jù)的采集；另一方面對(duì)高壓側(cè)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)校時(shí)請(qǐng)求，如果校時(shí)成功，則進(jìn)行絕緣子高壓側(cè)風(fēng)偏角數(shù)據(jù)采集。對(duì)采集到的絕緣子串低壓側(cè)和高壓側(cè)的風(fēng)偏角、偏斜角數(shù)據(jù)，采用均值法和數(shù)字濾波技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過(guò)最小二乘法消除趨勢(shì)項(xiàng)和直流分量，即得到絕緣子串的風(fēng)偏角信息。如果偏移距離超出安全的電氣間隙范圍，則給出告警信息，并返回繼續(xù)進(jìn)行下一次風(fēng)偏角數(shù)據(jù)的采集；若電氣間隙未超出安全范圍也返回繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

本章主要介紹導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)偏在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方法，給出風(fēng)偏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),詳細(xì)介紹監(jiān)測(cè)分機(jī)的GPRS通信模塊、電源模塊、氣象參數(shù)采集模塊和存儲(chǔ)模塊等，仔細(xì)闡述桿塔監(jiān)測(cè)分機(jī)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。并且詳細(xì)介紹了高壓側(cè)和低壓側(cè)風(fēng)偏傳感器的設(shè)計(jì)。

[1]黃新波,孫欽東,王小敬,武鍵,劉家兵.輸電線(xiàn)路危險(xiǎn)點(diǎn)遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 高電壓技術(shù)，2007(08) .

[2]黃新波,孫欽東,程榮貴,張冠軍,劉家兵.導(dǎo)線(xiàn)覆冰的力學(xué)分析與覆冰在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007(14) .

[3]蔣興良,馬俊,王少華,孫才新,舒立春.輸電線(xiàn)路冰害事故及原因分析[J]. 中國(guó)電力，2005(11).

A Brief Discussion on the Design of The Transmission Line Conductor Monsoon Monitoring Device

WANG Ya-feng

(Xi'an Aerotechnical Polytechnic College, Xi'an, Shaanxi 710089)

This paper suggests on-line monitoring device, collects parameters for transmission line monsoon collection of insulator string high side and low voltage side wind parameters such as angle and oblique angle. Low voltage side of monsoon sensor communicate with tower extension by RS845 bus.

insulator strings; windage; online monitoring

2016-11-28

王亞峰(1981-)，男，陜西寶雞人，實(shí)驗(yàn)師，碩士。研究方向：機(jī)械加工與機(jī)械制造、輸電線(xiàn)路覆冰受力分析。

TM73

A

1008-8156(2017)01-0062-03

修回日期：2017-01-10