王壯壯

（遼寧煤炭基本建設(shè)技工學校）

0 引言

輸電線路是電網(wǎng)的關(guān)鍵部分，由于傳輸距離遠，地形復雜，氣候條件多變，輸電線路面臨更大挑戰(zhàn)。輸電線路的可靠性直接關(guān)系到電能的傳輸，一旦輸電線路出現(xiàn)故障，將嚴重影響人民的生產(chǎn)生活，甚至可能帶來生命危險。近年來，智能電網(wǎng)的重要性日益凸顯，引起了人們的廣泛關(guān)注。智能電網(wǎng)是將計算機和網(wǎng)絡(luò)通信等現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相結(jié)合的二代電網(wǎng)，相較于第一代電網(wǎng)，智能電網(wǎng)具有更高的穩(wěn)定性、更強的安全性和更好的運行效果，同時具備智能化特征，大大降低了對環(huán)境的影響。智能電網(wǎng)不僅能夠穩(wěn)定地輸電，還能夠支持多種形式的發(fā)電接入，并能夠監(jiān)測和預(yù)警電網(wǎng)故障。在當前情況下，由于我國電力系統(tǒng)的輸電成本相對較高，因此需要加大對智能電網(wǎng)的研究和科研力度，以推動我國電力行業(yè)的發(fā)展。

1 智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本概念

智能電網(wǎng)輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)是利用先進技術(shù)實時、在線監(jiān)測輸電線路的最新系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過各種探測器實時獲取輸電線路的溫度、濕度、風向、風俗、覆冰、視頻圖像等相關(guān)信息，并利用GPRS/CDMA 通道將數(shù)據(jù)發(fā)送至特高壓輸電線路在線監(jiān)測監(jiān)視中心。此外，該監(jiān)測監(jiān)視系統(tǒng)還能夠登錄內(nèi)部管理系統(tǒng)和調(diào)度自動化系統(tǒng)。

在監(jiān)視中心，安裝了LCD 拼接大屏幕系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻、圖像和位置等內(nèi)容。工作人員可以通過監(jiān)視設(shè)備了解運行情況，及時了解設(shè)備運行狀況和現(xiàn)場情況等，以便靈活調(diào)度車輛和人員進行處置工作，進行問題線路的檢修和搶修。

智能電網(wǎng)輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特點：

（1）實時監(jiān)測：能夠?qū)崟r監(jiān)測輸電線路的各種狀態(tài)參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況。

（2）多參數(shù)監(jiān)測：可以同時監(jiān)測多種參數(shù)，包括環(huán)境參數(shù)和線路狀態(tài)等。

（3）遠程監(jiān)控：通過GPRS/CDMA 通道實現(xiàn)遠程監(jiān)控，方便管理人員及時獲取輸電線路的狀態(tài)信息。

（4）數(shù)據(jù)存儲：可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲下來，方便后期分析處理。

（5）視頻監(jiān)控：可以實現(xiàn)視頻監(jiān)控，直觀地觀察輸電線路的情況。

（6）報警功能：當監(jiān)測到異常情況時，系統(tǒng)會自動報警，提醒相關(guān)人員及時處理。

總之，智能電網(wǎng)輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)旊娋€路進行實時、在線的監(jiān)測和管理，提高輸電線路的可靠性和穩(wěn)定性，為電力系統(tǒng)的安全運行提供有力保障。

2 智能電網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計思路

2.1 設(shè)計總思路

為了滿足智能電網(wǎng)對在線監(jiān)測的需求，本文設(shè)計了一種智能電網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了先進的傳感器技術(shù)和通信技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測輸電線路的電流、電壓、功率等參數(shù)，并能及時發(fā)現(xiàn)線路故障和異常情況。系統(tǒng)總體架構(gòu)如下圖所示：

如圖1 所示，DSP 負責接收并處理來自輸電線路的信號，并應(yīng)用故障檢測算法進行故障診斷。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)將通過CAN 總線發(fā)送給ARM 單元。ARM 單元負責與上位機進行通信，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行進一步的分析和處理。同時，ARM 單元還可以通過LCD 顯示器和觸摸屏實現(xiàn)人機交互，使工作人員能夠?qū)崟r查看監(jiān)測數(shù)據(jù)和進行操作。

圖1 線監(jiān)測系統(tǒng)整體框架

通過這種雙CPU 的設(shè)計，可以充分利用DSP 和ARM 的優(yōu)勢，提高數(shù)據(jù)處理速度和系統(tǒng)的實時性，同時實現(xiàn)了遠程監(jiān)測和人機交互功能。此智能電網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測輸電線路的狀態(tài)和故障，提高電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，為工農(nóng)業(yè)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

2.2 ARM系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 ARM最小工作系統(tǒng)設(shè)計

選擇三星公司生產(chǎn)的S3C2440微處理器作為主控芯片。這是一款16/32 位精簡指令集（RISC）微處理器，具有較高的運算速度和較低的功耗。在S3C2440微處理器當中，可以通過外部輸入與內(nèi)部晶體振蕩器共同作用的方式，形成時鐘模式。

2.2.2 電平的轉(zhuǎn)換

在連接電路中，將S3C2440 的輸出引腳連接到LJ245A 的輸入引腳，然后將LJ245A 的輸出引腳連接到MCP2515 的輸入引腳。通過這樣的連接方式，LJ245A 將負責將S3C2440 輸出的3.3V 信號轉(zhuǎn)換為5V信號，確保與MCP2515的電平匹配。

2.2.3 通用異步收發(fā)接口模塊

UART （Universal Asynchronous Receiver/Trans‐mitter） 是一種通用的異步收發(fā)接口模塊，在S3C2440 芯片中用于通過RS232 通信協(xié)議將故障信息發(fā)送給DTU。然而，S3C2440芯片的UART輸出電平采用的是CMOS規(guī)范，而DTU 采用的是RS232電平，因此需要一個轉(zhuǎn)換電路接口來實現(xiàn)互聯(lián)。

本文采用了SP3232 芯片來實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。SP3232 芯片支持3.0V 至SV 范圍的供電，并且能夠?qū)崿F(xiàn)最高250kpps的數(shù)據(jù)傳輸速度。

2.2.4 LCD顯示器電路設(shè)計

TFT 東華液晶顯示屏WXCAT-43TG6#OO1F 是一種4.3英寸的顯示屏，具有480 x 272的分辨率。它可以顯示16.7 兆種顏色，并且還具備觸摸屏功能。這種顯示屏通常被廣泛應(yīng)用于pos 機、電力儀器和手持設(shè)備等領(lǐng)域。

2.2.5 通信模塊

在GPRS DTU 模塊中，主要使用的系統(tǒng)為CM3160GPRS DTU，其開發(fā)部門為廈門才茂公司，該模塊為ARM系統(tǒng)和上位機之間聯(lián)系搭建橋梁。

2.3 DSP系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 DSP最小工作系統(tǒng)設(shè)計

所謂DSP 最小工作系統(tǒng)，就是本系統(tǒng)當中能夠符合芯片正常運行的最小外圍電路系統(tǒng)。主控CPU選擇選擇了I公司生產(chǎn)的TMS320F2812D SP，它是一款32 位定點DSP 芯片。電源電路使用TPS70151 芯片來提供電源和復位信號；選擇外接晶體振蕩器內(nèi)部產(chǎn)生時鐘信號的方式。在研發(fā)系統(tǒng)的時候，主要采用的是YXD SP-2812 型DSP 開發(fā)板為實驗平臺，這一系統(tǒng)的開發(fā)公司為南京研旭公司，可提高研發(fā)速度和水平。

2.3.2 信號調(diào)理電路設(shè)計

整個處理電路的設(shè)計和選擇元器件的具體參數(shù)取決于電流信號的特性和要求。為防止AD 轉(zhuǎn)換模塊損壞，設(shè)計的電路必須確保信號輸入在0 至3V 的范圍內(nèi)。在設(shè)計過程中，為了實現(xiàn)AD 模塊的有效轉(zhuǎn)換，保障信號正常運行，我們通過下圖2 的電路處理原始信號。

圖2 信號調(diào)理電路

如上圖所示，U1 作為電壓跟隨器，主要使用LM358 運算放大器，能夠接收外部信號，并維持輸出和輸入信號的一致性，有著較大的輸入電阻。此外，電壓分壓電路由R8 和R14 構(gòu)成的，這可以將原始信號提高，并將雙極性信號轉(zhuǎn)換為單極性信號。閉環(huán)電路由U2、R10、R9、R12、D1 和D2 形成，它可以限制輸出信號的范圍。

這些組件一起工作，能夠?qū)⑤敵鲂盘栂拗圃诳烧{(diào)的范圍內(nèi)。此電路使用正負雙12V的電源供電。

2.4 軟件設(shè)計

在設(shè)計軟件系統(tǒng)時，需要綜合分析軟件的各個功能，并設(shè)計子模塊來實現(xiàn)這些功能。這些子模塊包括數(shù)據(jù)處理模塊、上位機監(jiān)測模塊、以及總體系統(tǒng)等。

2.4.1 DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.4.2 ARM系統(tǒng)軟件設(shè)計

在ARM 系統(tǒng)中，可以搜集到DSP 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的故障信息，并將這些信息傳輸至監(jiān)測軟件中，通過LCD 液晶大屏顯示出來。此外，ARM 還可以根據(jù)觸摸屏的指令輸出采取相應(yīng)的措施。

整個軟件系統(tǒng)基于Linux 操作系統(tǒng)，在ARM 系統(tǒng)中需要進行移植U-Boot、移植Linux 內(nèi)核以及嵌入式根文件等工作。同時，還需要設(shè)計液晶顯示和通信程序，并在系統(tǒng)中加入各類應(yīng)用程序。這些應(yīng)用程序包括液晶顯示的人機交互程序、CAN 通信程序以及與上位機進行通信的相關(guān)程序。

2.4.3 上位機監(jiān)測軟件設(shè)計

上位機監(jiān)測軟件的設(shè)計目的是接收通過GPRS DTU 發(fā)送的故障信息，并使用LabVIEW 進行編寫。利用LabVIEW 內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)通信功能，我們選擇了TCP 通信方式。DTU 和上位機之間的通信數(shù)據(jù)格式為每次發(fā)送21個字節(jié)的數(shù)據(jù)，其中前8位表示線路編號，中間8 位表示事件類型編號，后5 位預(yù)留做擴展功能。事件類型編號的定義如下：0 表示自檢信號，1 表示短路故障，2 表示接地故障，3 表示斷路故障，而其他的編號則保留用于其他功能。

3 在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

3.1 微風震動在線監(jiān)測

對于輸電線路而言，微風震動是導致線路疲勞斷股的重要因素。一般而言，微風震動難以發(fā)現(xiàn)，具有隱蔽性和長期性，長時間的積累可能導致架空線路的損壞。因此，安裝加速度傳感器并采用在線監(jiān)測系統(tǒng)對線路進行監(jiān)測是非常必要的。這種傳感器具有體積小、能耗低的特點，利用無線智能微機系統(tǒng)和硅微加工技術(shù)來模擬電路的運行情況，主要應(yīng)用于振動監(jiān)測、汽車碰撞試驗等領(lǐng)域。通過加速度傳感器，可以分析輸電線路中某一線段的震動情況，得出震動的頻率和振幅。通過微風震動的在線分析和監(jiān)測，能夠及時解決由此導致的安全隱患和風險。

3.2 覆冰在線監(jiān)測

在我國的許多地區(qū)，冰雪災(zāi)害是導致輸電線路癱瘓的重要原因，給經(jīng)濟造成了嚴重損失。因此，開發(fā)覆冰情況的在線監(jiān)測系統(tǒng)非常必要，通過動態(tài)監(jiān)測和分析輸電線路的覆冰情況，可以減少冰雪災(zāi)害的影響。該系統(tǒng)主要通過監(jiān)測數(shù)據(jù)如拉力機導致的傾斜角等，來監(jiān)測輸電線路的覆冰情況。通常情況下，拉力傳感器被安裝在絕緣子上，該傳感器內(nèi)的電阻變應(yīng)片能夠根據(jù)設(shè)備形變阻值的變化來反映自身的變化情況。通過監(jiān)測線路的拉力數(shù)值，我們可以獲取當前線路的溫度、濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)中心，我們經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理可知當前覆冰情況，并結(jié)合線路實際情況，及時采取有效措施，以避免冰雪災(zāi)害造成的損失。

3.3 動態(tài)擴容系統(tǒng)

在輸電線路中，傳感器的導線狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)測傳感器可知，及時獲取導線運行中的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括溫度、風速和風向等。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以判斷輸電線路的運行情況，并準確計算出線路在穩(wěn)定狀態(tài)下的輸送容量上限。這個過程被稱為動態(tài)增容。在動態(tài)增容過程中，通常會有溫度監(jiān)測設(shè)備來監(jiān)測導線的運行溫度，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸給線路監(jiān)測系統(tǒng)。而風速、風向等數(shù)據(jù)可以通過氣象監(jiān)測系統(tǒng)獲取，并傳送給監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)及時分析和研究當前的氣象情況，并將處理后的信息發(fā)送給監(jiān)測單位。監(jiān)測單位進行分析，計算出輸電線路的容量限制，并及時調(diào)度其他部門進行動態(tài)調(diào)整。因此，監(jiān)測系統(tǒng)是動態(tài)擴容的重要基礎(chǔ)，為其提供了重要的基礎(chǔ)信息。

3.4 桿塔傾斜在線監(jiān)測

輸電線路的桿塔通常安裝在地形復雜的野外地區(qū)，周圍環(huán)境惡劣，無法獲得精確的環(huán)境數(shù)據(jù)，并且容易受到外部力量的影響，導致地面錯位、坍塌等問題。特別是在極端天氣條件下，如暴雨、狂風等，容易發(fā)生泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。這些地質(zhì)災(zāi)害可能導致地基變形、桿塔傾斜等問題，嚴重時甚至影響輸電線路的正常運行。因此，在220kV以下的輸電線路中通常安裝傾斜傳感器，以實時監(jiān)測桿塔情況并獲取傾斜相關(guān)數(shù)據(jù)，以避免意外情況的發(fā)生。

4 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟社會的迅猛發(fā)展，我國電力系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛，對該行業(yè)的安全運行提出了更高的要求。輸電線路的安全和穩(wěn)定性是電力行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在。為了滿足實際電力需求，重視在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計非常重要，需要不斷完善和升級系統(tǒng)，豐富整體、軟件和硬件配套設(shè)施。

輸電線路是電力行業(yè)安全運行的關(guān)鍵，其監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)需要重視智能化發(fā)展，及時融入最新的信息技術(shù)手段，使其更加智能化、科學化和現(xiàn)代化，以滿足當前時代發(fā)展和進步的需要。通過動態(tài)擴容和桿塔傾斜在線監(jiān)測等技術(shù)手段，能夠?qū)崟r監(jiān)測輸電線路的運行狀態(tài)，提前預(yù)警并解決潛在問題，確保輸電線路的安全運行。