高壓線塔塔基穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

王奇武，周鳳星,嚴?？?/p>

(武漢科技大學(xué) 冶金自動化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，湖北 武漢 430081)

高壓線塔是電力部門輸電線路的重要組成部分。由于我國地質(zhì)條件的復(fù)雜性，受地形與線路的制約，部分輸電塔不可避免地要建立在陡峭的山體自然邊坡區(qū)域。與此同時，由于桿塔本身受到的風(fēng)、雪、覆冰等破壞作用，導(dǎo)致塔基周圍地質(zhì)長期受雨水浸泡對高壓線塔塔基的穩(wěn)定性造成了極大的威脅。目前我國除了青藏線等高海拔地區(qū)的部分線路之外，其他多數(shù)電力線路均未進行塔基的穩(wěn)定性監(jiān)測。而僅依靠常規(guī)的人工巡檢，既消耗了大量的人力成本，又無法保證及時準確地掌握野外偏遠山區(qū)輸電塔的塔基失穩(wěn)情況。因此，迫切需要建立遠程無人值守的高壓線塔塔基穩(wěn)定性無線監(jiān)測系統(tǒng)，以預(yù)防和減少事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)的安全性。本文針對多個建立在山體自然邊坡的高壓塔,通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)對塔基邊坡的穩(wěn)定性進行全方位的實時無線監(jiān)測[1]，并將巖土形變數(shù)據(jù)及時快速上報至監(jiān)控中心，為電力部門進行安全維護決策以及建立后續(xù)的塔基穩(wěn)定性專家預(yù)報系統(tǒng)提供依據(jù)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測終端和遠程監(jiān)控中心的上位機服務(wù)器組成?，F(xiàn)場監(jiān)測終端主要包括傾斜傳感器、主控制板、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、供電系統(tǒng)4部分。考慮到輸電塔邊坡崩滑速度較慢、對測量精度要求較高等特點，本文采用國內(nèi)外較為通用的鉆孔傾斜法來實現(xiàn)對巖土的多層次實時監(jiān)測。將多個傾斜傳感器埋入不同深度的巖土中，當巖土產(chǎn)生形變時，傳感器能夠?qū)⑤S線與鉛垂線之間的夾角變量通過RS-485總線傳送給架設(shè)在高壓線塔上及以MSP430單片機為核心的主控制板上，控制板收到信息后加以簡單處理，并通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)測中心的上位機服務(wù)器。由于野外供電不便以及電氣隔離安全要求的限制，整套系統(tǒng)采用太陽能電池板與大容量蓄電池組成的供電系統(tǒng)提供電源。上位機監(jiān)測系統(tǒng)基于Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用B/S與C/S相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和預(yù)警[2]。系統(tǒng)的總體工作流程如圖1所示。

圖1 GPRS系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文所設(shè)計的無線監(jiān)測系統(tǒng)以MSP430G2553微處理器為核心,將RS-485通信技術(shù)與GPRS無線通信技術(shù)相結(jié)合[3]，利用傾斜度傳感器實現(xiàn)對巖土體深度形變的持續(xù)測量與定位。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

為了提高測量精度，系統(tǒng)選用高精度硅微式傾斜度傳感器，該傳感器基于先進的MEMS制造技術(shù)，具有抗干擾能力強、靈敏度高、溫漂極小等特點，測量范圍為±15°，分辨率可達0.001°。5路傳感器作為從機，通過RS-485串行通信接口與數(shù)據(jù)采集模塊組建簡單高效的通信網(wǎng)絡(luò),通過帶隔離的增強型RS-485收發(fā)器ADM2483芯片連接到作為主機的單片機UART串口上,邏輯端采用3.3 V供電，總線端采用DC-DC電源模塊B0505為其提供5 V的隔離電源。ADM2483基于先進的iCoupler磁隔離技術(shù)，省去了外部影響轉(zhuǎn)換效率的光隔離器件，且具有熱關(guān)斷和失效保護功能，可以實現(xiàn)真正可靠的半雙工通信。硬件電路如圖3所示。

圖3 帶隔離的485通信電路原理圖

單片機模塊采用TI公司最新推出的超低功耗、高性能的16位MSP430G2系列單片機MSP430G2553,該單片機具有16位精簡指令集架構(gòu)和62.5 ns指令周期時間，可以在不到1μs的時間里從待機模式超快速地喚醒。MSP430G2553工作在1.8 V～3.6 V的低電壓范圍，且具有5種低功耗運行模式，超低功耗的工作特性極大提高了光伏供電系統(tǒng)在陰雨天氣的續(xù)航能力。單片機作為前端監(jiān)測系統(tǒng)的控制核心，主要作用是控制系統(tǒng)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集與處理、存儲和上傳等功能。MSP430G2553片上的USCI_A模塊能夠?qū)崿F(xiàn)UART功能,支持雙緩沖接收/發(fā)送和自動波特率監(jiān)測,通過USCI模塊內(nèi)置的2個調(diào)制器UCBRSx和UCBRFx,采用BITCLK16進行RX采樣，能夠得到非常精準的波特率，單片機利用這個串口通過AT指令控制GPRS模塊完成數(shù)據(jù)傳輸過程。此外，由于5路傳感器需要通過UART串口和單片機之間組建RS-485通信網(wǎng)絡(luò)，這里利用定時器Timer_A模塊的比較捕獲功能模擬出一個軟件UART，利用捕獲功能捕捉管腳起始位的變化，并借助比較器不斷將CCRx的設(shè)定值與與定時器的計數(shù)值相比較，當兩者相等時即產(chǎn)生中斷，獲得精確的時間間隔。對CCRx寄存器中定時間隔做相應(yīng)的設(shè)置可以得到誤差極小的通信波特率，靈活地完成串口擴展。

為了滿足監(jiān)測設(shè)備對數(shù)據(jù)采集時間點的精確記錄要求，系統(tǒng)添加了內(nèi)置晶振和鋰電池的高精度串行時鐘芯片SD2405，該芯片內(nèi)置高精度時鐘調(diào)整功能，無需人工校時，可以在惡劣的環(huán)境下長期可靠地工作。同時，在數(shù)據(jù)存儲方面,系統(tǒng)采用4片串行E2PROM芯片AT24C512提供2 MB的數(shù)據(jù)存儲空間,用于循環(huán)存儲60天的監(jiān)測參數(shù)，并永久保存GPRS模塊的設(shè)定參數(shù)。AT24C512采用兩線制的I2C串行接口，相比于并行操作的E2PROM更能適應(yīng)電力現(xiàn)場的強干擾環(huán)境。

GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分選用西門子公司生產(chǎn)的工業(yè)級雙頻模塊MC52i，由于模塊內(nèi)部內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議棧，單片機可以直接使用AT指令集控制模塊,將串口上的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進行傳送[4]。MC52i模塊正常工作時需要的供電電壓輸入范圍是3.3 V～4.8 V，當模塊以最大功率發(fā)射時，供電電流的峰值能達到2 A。為了避免由此造成的電壓跌落導(dǎo)致模塊出現(xiàn)重啟等異常狀況[5]，模塊電源輸入端采用開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2576-ADJ作為電源芯片,并在輸出電壓端口并聯(lián)多個470μF的大電容。LM2576-ADJ是一款可調(diào)節(jié)輸出型開關(guān)穩(wěn)壓芯片，該芯片性能穩(wěn)定,輸出電流驅(qū)動能力強，最大輸出電流可達3 A,具有較強的抵抗電壓跌落的能力[6]。

3 提高系統(tǒng)可靠性的措施

由于本系統(tǒng)主要工作在長期無人維護的工業(yè)環(huán)境，因此確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要。系統(tǒng)在設(shè)計時采取了多種措施以提高硬件設(shè)備對外部干擾的防護能力，并在軟件設(shè)計中通過多種自檢機制應(yīng)對各方面可能出現(xiàn)的問題。

在電路設(shè)計與布局上，一方面采取多種防護措施對其進行保護,包括采用ESD芯片來提高系統(tǒng)的靜電防護能力,并針對雷擊與浪涌電壓在關(guān)鍵電路添加TVS二極管等;另一方面，在對器件布局和走線時，盡量縮短敏感回路的走線長度，并對其作鋪地處理，確保GPRS模塊和其他敏感元器件工作穩(wěn)定。

可能影響系統(tǒng)正常工作的因素有：長時間無數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致模塊自動下線、GPRS網(wǎng)絡(luò)受惡劣天氣的不良影響、高壓線塔現(xiàn)場的電磁干擾、陰雨天氣造成的太陽能供電設(shè)備輸出電壓波動等[7]。這里主要采用心跳包和狀態(tài)自檢與自恢復(fù)兩種機制來提高系統(tǒng)的可靠性。

GPRS模塊通過GGSN連接Internet網(wǎng)絡(luò)，當模塊一段時間不進行數(shù)據(jù)傳輸時，GGSN會斷開模塊的網(wǎng)絡(luò)連接,從而節(jié)省信道資源。為了避免網(wǎng)絡(luò)中斷，系統(tǒng)設(shè)定每隔2 min向監(jiān)測中心服務(wù)器發(fā)送一小段心跳信息，以保證模塊的長期在線。針對可能造成GPRS鏈路斷開的外部干擾,系統(tǒng)設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)自檢機制，即定期向遠程監(jiān)控中心發(fā)送檢測信息，若重復(fù)幾次仍未收到應(yīng)答信號，則判斷設(shè)備已掉線并立即通過AT指令重啟模塊并重新建立連接。此外，采用MSP430單片機內(nèi)部自帶的看門狗以及MAX813外部硬件看門狗兩級看門狗機制來解決系統(tǒng)死機、假在線等問題，一旦單片機沒有正常接收GPRS模塊返回的信息,立即控制GPRS模塊的RESET引腳重啟模塊并恢復(fù)連接[8]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩部分，一部分基于Keil軟件平臺的單片機控制程序編寫，用于控制監(jiān)測設(shè)備完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送；另一部分為基于Python編程語言的上位機監(jiān)測系統(tǒng)，利用Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立基于Web網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的表單訪問和圖形化顯示。

4.1 單片機控制程序

單片機程序主要采用C語言編寫，作為數(shù)據(jù)采集與傳送設(shè)備的控制核心，單片機軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化、與傳感器之間的485通信、數(shù)據(jù)的采集與處理、電池電量管理、時鐘芯片控制、GPRS數(shù)據(jù)傳輸控制等。本文主要介紹與GPRS模塊相關(guān)的程序設(shè)計,該部分程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能包括GPRS模塊的初始化操作和GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的操作。

MSP430單片機通過串口發(fā)送AT指令控制GPRS模塊的各項操作，模塊開機初始化之后，與監(jiān)測中心建立鏈路連接并按設(shè)定格式傳送GPRS數(shù)據(jù)包。模塊每執(zhí)行一條指令，均會向單片機返回一小段返回值，包括響應(yīng)信息和結(jié)果碼，以表明當前執(zhí)行情況，單片機根據(jù)返回信息來控制模塊的工作進程。程序流程圖如圖4所示。

圖4 GPRS程序流程圖

4.2 上位機監(jiān)測系統(tǒng)

上位機監(jiān)測系統(tǒng)采用Python語言開發(fā)，Python是一種純面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，具有高度的擴展性和較高的開發(fā)效率。上位機監(jiān)測系統(tǒng)利用Apache服務(wù)器、XBOP應(yīng)用服務(wù)器和Postgre SQL數(shù)據(jù)庫,主要實現(xiàn)三部分的功能:(1)基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)接收;(2)通過網(wǎng)頁對塔基傾斜數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控;(3)提供表單形式的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢，為監(jiān)控人員分析塔基邊坡巖土運動規(guī)律提供方便。監(jiān)測界面如圖5所示。

經(jīng)過實際運行，基于GPRS的塔基穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)對高壓線塔塔基邊坡的實時監(jiān)測，極大降低了人工巡視的人力成本，提高了監(jiān)測和管理效率。隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，輸電線路的穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為電力部門提升輸電線路精益化管理水平的重要技術(shù)手段。同時，以傾斜度傳感器為基礎(chǔ)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在工業(yè)或民用建筑的變形、傾斜等其他方面也有較好的應(yīng)用前景。

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圖5 上位機監(jiān)測界面

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