蔡光柱，趙 爽，楊 振，趙 睿，魏 雷

（北京國網(wǎng)富達科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100071）

0 引言

隨著特高壓電網(wǎng)的發(fā)展，輸電線路運行管理越來越復(fù)雜，導(dǎo)線舞動事故的發(fā)生也日益頻繁。舞動常引起導(dǎo)線斷股、斷線、金具嚴重磨損、脫落、桿塔傾倒、線路跳閘等嚴重事故，容易造成電網(wǎng)大面積停電，給電網(wǎng)運行造成重大經(jīng)濟損失。為了及時掌握架空輸電線路導(dǎo)線的運動變化情況，須在易發(fā)生舞動區(qū)域相關(guān)線路上部署導(dǎo)線舞動檢測儀，實時采集導(dǎo)線舞動數(shù)據(jù)。特高壓輸電線路的相鄰鐵塔之間檔距較長，但舞動檢測儀卻需要均勻安裝在檔距之間，為便于施工人員安裝，保證檢測儀的檢測準確度，舞動檢測儀的電池容量受到極大限制，因此具有無線傳輸、超低功耗特點的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［1］被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的監(jiān)測中。

目前，舞動監(jiān)測方法主要包括：基于位移傳感器、加速度傳感器的導(dǎo)線舞動監(jiān)測裝置［2］；傳統(tǒng)的基于差分GPS 的輸電線路舞動監(jiān)測方法［3］，通過無線GSM 傳輸模塊的導(dǎo)線舞動信息數(shù)據(jù)的監(jiān)測系統(tǒng)；基于視頻分析技術(shù)的導(dǎo)線舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)［4］，或者采用分布式光纖傳感器測得線路動態(tài)［5］；黃新波對舞動檢測監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計和舞動定位算法［6］進行了詳細分析，提出一種慣性傳感器的輸電導(dǎo)線舞動監(jiān)測系統(tǒng)。現(xiàn)存舞動檢測儀存在諸多不足之處，比如能源供給不穩(wěn)定、系統(tǒng)功耗高，往往3 年左右需要更換電池，安裝施工成本高；檢測儀本身重量大，對導(dǎo)線連接處有磨損；采集精度不夠，只采集X、Y 軸方向的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)沒有加密，存在安全風(fēng)險等。

為解決上述問題，設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型舞動檢測儀，采用超低功耗設(shè)計，利用微機電系統(tǒng) （Micro Electromechanical System，MEMS） 速度傳感器采集X、Y、Z 方向上的舞動參數(shù)，進而對舞動數(shù)據(jù)按照國家電網(wǎng)有限公司要求進行加密處理，將加密后的數(shù)據(jù)經(jīng)過遠距離無線電 （Long Range Radio，LoRa）芯片發(fā)送到數(shù)據(jù)接收基站。該舞動檢測儀具有安裝方便、超低功耗、采集精度高、數(shù)據(jù)傳輸距離遠的特點，符合相關(guān)安全標準要求。

1 導(dǎo)線舞動檢測儀系統(tǒng)架構(gòu)

所設(shè)計導(dǎo)線舞動監(jiān)測儀主要由STM32L5 主芯片、高能膠體電池、MEMS 加速度傳感器、加密模塊和Semtech LoRa 模塊組成，如圖1 所示。

圖1 舞動檢測儀系統(tǒng)組成

為有效降低系統(tǒng)功耗，延長電池使用壽命，在低功耗STM32L5 芯片上移植RT-Thread 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)［7］，可以靈活設(shè)置各任務(wù)啟動、關(guān)閉和配置采樣周期，在非測量時間舞動監(jiān)測儀關(guān)閉各任務(wù)，進入低功耗休眠狀態(tài)。舞動數(shù)據(jù)的采集使用MEMS 加速度傳感器測量導(dǎo)線在X、Y、Z 3 個方向上的加速度值和角速度值，通過SPI1 接口將采集數(shù)據(jù)發(fā)送回STM32L5主芯片，經(jīng)過低通濾波器、二次積分算法、數(shù)據(jù)矯正、快速傅里葉變換（FFT）后，得出舞動幅值、舞動頻率等參數(shù)。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕瑢⑽鑴訑?shù)據(jù)經(jīng)SPI2 口傳輸給加密芯片進行加密，最后將加密后的數(shù)據(jù)經(jīng)過LoRa 芯片發(fā)送到數(shù)據(jù)接收基站。布置在后臺服務(wù)器上的在線監(jiān)測專家系統(tǒng)［8］，結(jié)合氣象、線溫、振動等數(shù)據(jù)，對舞動數(shù)據(jù)進行分析，為舞動現(xiàn)象的發(fā)生提供有效預(yù)警。

舞動檢測儀5 個為一組，安裝在輸電線路各鐵塔的檔距之間。輸電導(dǎo)線長期處于高壓、高溫、潮濕等復(fù)雜環(huán)境中，為有效防止尖端放電及電磁干擾，舞動檢測儀機械設(shè)計如圖2 所示。圖2 中2、3 為線路鐵塔編號；4 為后臺服務(wù)器；101、102、103 為第一組舞動檢測儀，201、202、203 為第二組舞動檢測儀編號；編號便于后臺服務(wù)器區(qū)分不同舞動檢測儀的數(shù)據(jù)。

圖2 舞動檢測儀安裝

2 超低功耗模式設(shè)計

導(dǎo)線舞動檢測儀須均勻安裝在檔距之間，安裝更換電池勞動強度高、難度大、危險性高。為有效延長電池的使用壽命，硬件采用最新STM32L5 超低功耗MCU 芯片，其專有的超低功耗技術(shù)［9］為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)能應(yīng)用打造了一款性能出色的微控制器。該芯片利用Arm Cortex-M33 處理器，可在性能、功耗和安全性之間實現(xiàn)新的最優(yōu)平衡。

軟件方面采用國產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)RT-Thread對舞動檢測儀運行任務(wù)進行管理［10］。通過對STM32L5低功耗模式的研究［11］，利用RT-Thread 內(nèi)部定時器設(shè)置采樣周期，當采樣周期滿足時，利用外部中斷喚醒舞動檢測儀，開始采集、加密、發(fā)送舞動數(shù)據(jù)等任務(wù)［12］；在非測量時間關(guān)閉MEMS 加速度傳感器、加密模塊和LoRa 模塊的電源，關(guān)閉舞動檢測儀各運行任務(wù)，使STM32L5 主芯片系統(tǒng)進入低功耗休眠狀態(tài)，從而最大限度地降低舞動檢測儀的功耗，延長電池工作壽命。相比于傳統(tǒng)舞動檢測儀，采用低功耗模式設(shè)計的舞動檢測儀電池使用壽命可達10 年以上，有效降低了輸電線路巡檢人員的工作強度。

3 舞動檢測儀工作原理

3.1 MEMS 加速度傳感器

考慮到輸電線路野外環(huán)境十分惡劣復(fù)雜，為實現(xiàn)舞動參數(shù)的精確測量，采用ADXL357 模塊。其具有體積小、集成度高、功耗低的優(yōu)點，最小電流僅需200 μA，是要求超低功耗的舞動檢測儀的理想選擇。導(dǎo)線舞動屬于低頻率、大振幅，其舞動幅度為0～10 m，頻率為0.1～5 Hz，因此將采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz，能夠精確采集舞動特征量。為提高舞動檢測儀的檢測精度，采用普通氣泡水平儀、六面體盒狀物，對舞動檢測儀進行初始標定。ADXL357 模塊通過SPI1 接口與STM32L5 通信，舞動檢測儀的采集周期為10 min，每隔10 min ADXL357 模塊會收到主芯片發(fā)送的舞動數(shù)據(jù)采集指令，便開啟數(shù)據(jù)采集流程，按照時序要求依次讀出X、Y、Z 軸加速度值和角加速度值對應(yīng)寄存器地址的數(shù)據(jù)。首先利用低通濾波器去除不符合條件的噪聲，對采集到的加速度值采用5 次均值法的數(shù)字濾波技術(shù)進行處理；其次對采集到的角加速度值進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，將載體坐標系下的加速度值，經(jīng)過四元素算法轉(zhuǎn)換成地理坐標系下的加速度值，然后利用均值濾波和最小二乘法，經(jīng)過第一次積分，將加速度值轉(zhuǎn)換為速度值；得到速度值后，再次利用最小二乘法，經(jīng)過第二次積分，將速度值轉(zhuǎn)換為位移值；最后由STM32L5對采集到的舞動數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅里葉變換（FFT）得到舞動特征量［13］，舞動特征量經(jīng)過頻率響應(yīng)校正后，發(fā)送給加密模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)過加密后再通過LoRa芯片發(fā)送到數(shù)據(jù)接收基站。舞動特征量計算流程［14］如圖3 所示。

3.2 加密模塊

隨著針對智能電網(wǎng)通信報文攻擊的頻發(fā)，輸電線路監(jiān)測設(shè)備的通信數(shù)據(jù)安全問題，已成為當下物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)人員必須解決的問題之一。國家電力調(diào)度通信中心要求輸變電設(shè)備采用基于調(diào)度證書的非對稱密鑰算法實現(xiàn)控制命令以及參數(shù)設(shè)置指令的單向認證與報文完整性保護。采用加密芯片對舞動數(shù)據(jù)進行加密，主芯片STM32L5 首先通過SPI1接收MEMS 加速度傳感器ADXL357 采集的舞動數(shù)據(jù)，主芯片再將舞動數(shù)據(jù)傳遞給加密芯片，采用基于ECC 的SM2 算法運算庫對舞動數(shù)據(jù)進行加密處理［15］，然后將數(shù)據(jù)傳回主芯片，最后主芯片將加密后的舞動數(shù)據(jù)通過Semtech LoRa 芯片發(fā)送到數(shù)據(jù)接收基站。舞動檢測儀數(shù)據(jù)加密流程，如圖4 所示。

圖3 舞動特征量計算流程

圖4 舞動數(shù)據(jù)加密流程

3.3 LoRa 通信模塊

相對于2.4G、ZigBee、WiFi 或者藍牙等傳統(tǒng)無線通信方式，低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）是一種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)。其面向物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中傳輸范圍廣和傳輸信息量少的應(yīng)用終端，同時還具有低功耗、遠距離、高可靠無線通信等優(yōu)點［16］。考慮到舞動檢測儀是安裝在輸電導(dǎo)線上，其數(shù)據(jù)傳輸量小，且必須確保其具有超低功耗特點，綜合考慮，系統(tǒng)選用SX1262 LoRa 芯片，用于實現(xiàn)舞動檢測儀與遠端的LoRa 網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)通信，其發(fā)射功率可調(diào)，最大傳輸距離可以達到30 km，發(fā)射電流最大120 mA，電池續(xù)航時間長達10 年。

4 模擬試驗和現(xiàn)場測試

4.1 模擬試驗

為了驗證舞動監(jiān)測儀的有效性和準確性，在某模擬舞動實驗室進行了模擬測試。將舞動監(jiān)測儀懸掛在試驗臺上，當電機轉(zhuǎn)動時，懸掛點與圓心的距離可隨時調(diào)整，旋轉(zhuǎn)過程中電機可帶動滑桿調(diào)節(jié)舞動半徑，舞動半徑的可調(diào)范圍為0～3 m。

根據(jù)現(xiàn)場多個監(jiān)測點記錄，統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出振動臺平均振動頻率為1 Hz，與設(shè)定的轉(zhuǎn)速一致，舞動采集單元的最大幅值誤差為5 cm。統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 舞動模擬測試現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計 cm

4.2 現(xiàn)場試驗

導(dǎo)線舞動檢測儀在浙江舟山大跨越輸電線路進行實際現(xiàn)場性能測試，如圖5 所示。該檢測儀安裝投入使用1 年多，深受用戶好評，運行狀況良好。經(jīng)過現(xiàn)場實際使用，證明該舞動檢測儀測量導(dǎo)線舞動數(shù)據(jù)準確，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、無丟包現(xiàn)象，達到了預(yù)期目標?，F(xiàn)場實際檢測到的舞動數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 舟山線現(xiàn)場采集的3 次舞動數(shù)據(jù) m

圖5 舞動檢測儀舟山現(xiàn)場性能測試

5 結(jié)語

設(shè)計研發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型特高壓導(dǎo)線舞動檢測儀。該檢測儀采用STM32L5 系列低功耗芯片，移植完全自主開發(fā)的國產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)RT-Thread，管理舞動檢測儀各任務(wù)啟動、關(guān)閉和配置采樣周期，實現(xiàn)了超低功耗設(shè)計，極大降低了系統(tǒng)的功耗，檢測儀電池的使用壽命達到10 年以上。該檢測儀采用三軸MEMS 加速度傳感器，采集X、Y、Z三個方向的加速度和角速度數(shù)據(jù)，提高了舞動數(shù)據(jù)的采集計算精度。搭建舞動測試平臺，對舞動檢測儀的可行性和數(shù)據(jù)準確性進行了測試，測量數(shù)據(jù)精度達到國家電網(wǎng)有限公司企業(yè)標準所規(guī)定的架空輸電線路在線監(jiān)測要求。采用加密芯片，保障了舞動檢測儀采集數(shù)據(jù)的安全性。該舞動檢測儀經(jīng)過浙江舟山現(xiàn)場實際運行測試，證明其采集數(shù)據(jù)精度高，舞動現(xiàn)象檢測數(shù)據(jù)準確、提高了輸電線路運行管理的效率和智能化水平。