小議一種輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的設計

[摘 要]本文針對輸電線路的覆冰問題，提出了一種輸電線路導線覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，并對主要子系統(tǒng)的構成和功能進行了闡述。

[關鍵詞]輸電線路 監(jiān)測系統(tǒng) 設計

我國受大氣候和微地形、微氣象條件的影響，冰災事故頻繁發(fā)生。凍雨覆冰使許多地區(qū)輸電線路的荷重增加，造成斷線、倒桿（塔）、閃絡等事故，給社會造成了巨大的經濟損失。針對輸電線路的覆冰問題，研制一種輸電線路導線覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)，同時監(jiān)測線路微氣象條件和線路覆冰狀況，并借助現(xiàn)有移動或聯(lián)通強大的通信網絡進行實時數(shù)據(jù)傳輸，結合專家知識庫和各種理論模型給出冰情預報，能夠及時給出除冰信息，能夠有效預防冰害事故，有效降低災害損失。

一、監(jiān)測參量選擇問題

覆冰地區(qū)氣候狀況往往極其復雜。根據(jù)觀冰站的觀測資料對導線覆冰與氣象要素關系進行分析，覆冰與環(huán)境溫度濕度、風速等因素具有很強的相關性。因此監(jiān)測系統(tǒng)對導線覆冰重力變化（力傳感器）、傾斜角度、風偏角度、溫度、濕度、風速、風向、大氣壓力、雨量等參量進行監(jiān)測。

二、分機完成的功能

在線監(jiān)測分機定期將導線重力變化、絕緣子串傾斜角、絕緣子風偏角、環(huán)境溫濕度、雨量以及風速等信號送入信號處理單元，放大和濾波過的信號經放大和隔離之后進入16位A/D轉換器件，并由單片機計算導線重力變化，角度以及環(huán)境溫濕度、風速等環(huán)境變量。監(jiān)測分機一方面及時將初步處理的數(shù)據(jù)通過GSM SMS網絡傳輸給地市局的監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)處理，另一方面將有效數(shù)值存于不易丟失的大容量閃存中。監(jiān)測分機可以根據(jù)監(jiān)控中心主機發(fā)送的控制信號進行歷史數(shù)據(jù)、實時采集數(shù)據(jù)、修改分機采樣時間以及分機系統(tǒng)時間標定等操作。

三、分機的硬件設計

整個系統(tǒng)在野外工作，要求整個系統(tǒng)功耗低、免維護運行。分機主要完成覆冰導線重力變化、絕緣子傾斜角度以及環(huán)境風速等信息的采集、存儲和傳輸。為了有效存儲數(shù)據(jù)選用閃速存儲器，即使分機掉電，數(shù)據(jù)仍可有效保存10年以上。每個桿塔監(jiān)測分機可監(jiān)測2串獨立絕緣子的重力變化。分機由太陽能電池板、充電電路、高性能蓄電池、數(shù)據(jù)閃速存儲器、飛利浦低功耗單片機、16位A/D轉換器、泄漏電流傳感器、溫濕度傳感器、GSM數(shù)傳模塊、分機軟件等組成。

由于系統(tǒng)對絕緣子進行不間斷監(jiān)測，系統(tǒng)電源的穩(wěn)定供電非常重要，系統(tǒng)采用太陽能電池對蓄電池進行浮沖電組成供電系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)常年穩(wěn)定運行。經計算在西北地區(qū)采用3W的太陽能電池板并配以6V/4AH的蓄電池可滿足系統(tǒng)的供電要求。由于高壓線路附近的電磁場環(huán)境惡劣，與高?？蒲辛α柯?lián)合開發(fā)了抗電磁能力強的GSM通信模塊，支持全透明及幀格式數(shù)據(jù)傳輸；溫度、濕度測量采用SHT1x系列單片集成傳感器，不需外圍元件直接輸出經過標定了的相對濕度、溫度的數(shù)字信號，可以有效解決傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足；傾斜角、風偏角、風速、風向以及雨量等傳感器采用適合野外作業(yè)的一體化測量模塊。

四、分機的軟件設計

在野外，為確保電源使用壽命，要求分機在不工作時處于睡眠狀態(tài)，關斷GSM模塊、液晶顯示模塊以及外圍放大等電路，定時叫醒分機進行數(shù)據(jù)采集、判斷以及無線傳輸?shù)?。此外，應設定硬件和軟件看門狗，杜絕系統(tǒng)死機或程序放飛。分機軟件主程序完成I/O口、標志寄存器、中斷、查詢接受結束標志等初始化操作。INT0中斷程序完成定時采樣，進行AD轉換（轉換速度高達20KHz）、初步計算覆冰導線重量變化、絕緣子傾斜角度、風偏角度以及溫濕度等環(huán)境信息，控制GSM模塊發(fā)送接受數(shù)據(jù)等功能，其流程圖如圖1所示。

五、 專家軟件

監(jiān)控中心專家軟件可實時監(jiān)測該線路各桿塔上等變量情況，并通過對分機的點測、巡測的實時數(shù)據(jù)進行分析判斷，利用建立的導線覆冰厚度與桿塔傾斜角、絕緣子風偏角、導線張力、導線弧長、環(huán)境溫度、濕度、雨量、風速、風向等環(huán)境信息之間的關系方程，分析判斷當前線路的覆冰狀況，在覆冰厚度接近當前桿塔的設計冰厚時及時給出預報警，并把報警信息以短消息模式發(fā)給當前管理員和相關領導。專家軟件集中覆冰導線的重力變化、覆冰厚度、導線應力、絕緣子串傾斜角、風偏角以及環(huán)境溫度濕度等信息，提供單獨和全面的查詢、分析和打印，建立該線路的覆冰信息數(shù)據(jù)庫，并可結合運行經驗繪制該地區(qū)的覆冰分布圖。省監(jiān)控中心可以有權限地實時查看各地市線路的覆冰狀況，有助于實現(xiàn)該省電網的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調度以及事故情況下的統(tǒng)一指揮。

當然，系統(tǒng)的不足之處在于覆冰嚴重區(qū)存在的移動通信網絡盲區(qū)，有可能在一定程度上影響應用效果，因此還有待進一步完善。