高壓電力線積雪厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

張秀再 ， 范江棋 ， 杜 蒙 ， 張一波

(1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，江蘇 南京 210044)

落雪是美麗的自然景觀，但在高壓電力傳輸線路上是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，是危輸電線路安全運(yùn)行的主要問(wèn)題之一。落雪經(jīng)常造成輸電線路倒塔(桿)、斷線、金具損壞、絕緣子串閃絡(luò)等嚴(yán)重事故，甚至電網(wǎng)癱瘓[1]。單片機(jī)、傳感器和無(wú)線通信等技術(shù)的發(fā)展為高壓線積雪厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了條件。采用高壓線積雪厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓線上的積雪危害，還能有效節(jié)約人力和財(cái)力資源[2]，使得高壓電路監(jiān)測(cè)預(yù)警工作顯得更加方便和高效。

本文設(shè)計(jì)的高壓電力線積雪厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警的功能，而且節(jié)能環(huán)保，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 電力線積雪厚度計(jì)算數(shù)學(xué)模型

[3]已經(jīng)對(duì)利用稱重法原理測(cè)量導(dǎo)線積雪厚度的數(shù)學(xué)模型作了詳細(xì)介紹，本文將該數(shù)學(xué)計(jì)算模型應(yīng)用到所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)積雪厚度的監(jiān)測(cè)。電力線積雪厚度等效模型計(jì)算等值積雪厚度的表達(dá)式為:

式中，φ為電力線積雪厚度；d為無(wú)積雪時(shí)電力線外徑；m2為積雪時(shí)每米電力線的總質(zhì)量，可由壓力傳感器的測(cè)量壓力數(shù)據(jù)計(jì)算獲得；m1為無(wú)積雪時(shí)每米電力線的質(zhì)量；ρ為雪的密度?？梢愿鶕?jù)測(cè)算得到的m2計(jì)算出等效電力線均勻積雪厚度。

2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓電力線積雪厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)中MSP430F149為主控模塊，ST-8057-9非晶硅太陽(yáng)能電池板為電源模塊,高精度MC33079稱重傳感器為壓力感應(yīng)模塊,NRF905無(wú)線收發(fā)器為通信模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)

高壓電力線積雪厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置如圖2所示，裝置通過(guò)支撐底座⑧上的固定螺絲⑦固定在高壓塔上，太陽(yáng)能模塊①安裝在連接支架⑨上方，可方便接收太陽(yáng)能。稱重平臺(tái)②放在稱重模塊③上方，中間通過(guò)連接支架連接以達(dá)到穩(wěn)定的目的。在連接支架⑨的最右端邊安裝激光報(bào)警燈④，當(dāng)稱重平臺(tái)②上的模擬電線上積雪達(dá)到所設(shè)置的危險(xiǎn)值時(shí),激光燈閃爍報(bào)警，方便地面人員觀測(cè)到危險(xiǎn)所在的位置。MSP430主控模塊⑤和無(wú)線通信模塊⑥都安裝在支撐底座⑧上，主控模塊和無(wú)線通信模塊均有防水、防曬外殼。此外，連接支架⑨采用空心材料以方便布線，稱重平臺(tái)為1 m長(zhǎng)的相同高壓電線。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)主控芯片

MSP430是IT公司新開(kāi)發(fā)的一類具有16位總線的帶Flash的單片機(jī),其性價(jià)比和集成度較高，并且可以在超低功耗模式下工作,對(duì)環(huán)境和人體的輻射小,功耗測(cè)量結(jié)果約為100 mW(電流為14 mA),可靠性好,在強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響,適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境,適合做手柄之類的自動(dòng)控制的設(shè)備。其采用16位的總線,外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址,尋址范圍可達(dá)64 KB,還可以外擴(kuò)展存儲(chǔ)器。具有統(tǒng)一的中斷管理和豐富的片上外圍模塊。

本系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)為主控芯片,不僅可以直接利用其內(nèi)部集成的12位A/D轉(zhuǎn)換器，還可以使得單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式,有效減少功耗[4]。

4.2 壓力感應(yīng)模塊

圖2 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

MC33079高精度稱重傳感器是一種將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器元件[5],當(dāng)積雪覆蓋壓力傳感器的重力導(dǎo)致機(jī)械形變，從而使傳感器阻值發(fā)生變化，引起電流的變化[6]。壓力感應(yīng)模塊的信號(hào)輸出端與單片機(jī)P6.1端口相連，信號(hào)由單片機(jī)進(jìn)行內(nèi)部A/D采樣,單片機(jī)根據(jù)所測(cè)量的壓力值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的積雪厚度。壓力感應(yīng)模塊電路如圖3所示。

4.3 通信模塊

通信模塊采用NRF905芯片，該模塊主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的 ISM頻段。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。非常適合于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

當(dāng)主控模塊根據(jù)壓力感應(yīng)模塊所測(cè)試的壓力值及計(jì)算得到的積雪厚度值有變化時(shí)，啟動(dòng)無(wú)線模塊并將最新測(cè)算的厚度值發(fā)送給監(jiān)控中心。無(wú)線通信模塊電路如圖4所示。

4.4 報(bào)警模塊

為了讓地面人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確地觀測(cè)到報(bào)警信號(hào)，采用激光報(bào)警模塊，因激光的光束不發(fā)散，所以幾公里外都可以看見(jiàn)，激光報(bào)警模塊同時(shí)也克服了大霧等惡劣天氣的影響。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)的積雪最新厚度值超過(guò)所設(shè)閾值時(shí)，則單片機(jī)P2.1管腳輸出脈沖信號(hào)，使報(bào)警燈發(fā)出閃爍的激光信號(hào)，易于地面工作人員遠(yuǎn)距離識(shí)別。

圖3 MC33079壓力傳感器電路圖

圖4 通信模塊電路圖

4.5 電源模塊

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電，太陽(yáng)能電池模塊可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能并進(jìn)行存儲(chǔ)和利用，具有高效、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。在白天陽(yáng)光充足時(shí)，太陽(yáng)能電池模塊轉(zhuǎn)換成的電能一部分給主控系統(tǒng)供電，另一部分儲(chǔ)存在鉛蓄電池中[7]，當(dāng)夜晚或陰雨天氣時(shí)，控制系統(tǒng)依然可以正常工作，有效地保證了系統(tǒng)工作的持續(xù)性。

5 軟件設(shè)計(jì)

高壓電力線積雪厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用了MSP430F149單片機(jī)作為核心控制部分，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。主程序流程圖如圖5所示，程序開(kāi)始時(shí)，首先初始化MSP430F149單片機(jī)，然后進(jìn)行積雪厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟硬件的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)，采用自制接收系統(tǒng)接收并顯示測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中采用混合粉末代替積雪，該混合粉末的密度為積雪的平均密度[8](0.14 g/cm3),監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果與直尺測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。為了提高直尺測(cè)試值的準(zhǔn)確度，在1 m長(zhǎng)的測(cè)量平臺(tái)上均勻選取10個(gè)點(diǎn)測(cè)量取平均值,系統(tǒng)共測(cè)量10次，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1可知，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的性能較好，積雪厚度測(cè)量較為準(zhǔn)確。

圖5 主程序流程圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高壓線積雪厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將最新的數(shù)值通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送給監(jiān)控中心，以便地面工作人員準(zhǔn)確地了解高壓線上積雪的危險(xiǎn)狀況；當(dāng)積雪厚度達(dá)到所設(shè)置閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息。高壓線積雪厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用可以節(jié)省大量的人力物力,提高監(jiān)測(cè)效率。系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，性能穩(wěn)定，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

參考文獻(xiàn)

[1]吳勝華.高壓輸電線路抗覆冰技術(shù)研究[J].城市建設(shè)理論研究,2011,15(8):9-11.

[2]黃新波，孫欽東.基于GSM SMS的輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電氣自動(dòng)化設(shè)備學(xué)報(bào),2008,28(5)：10-11.

[3]張予.架空輸電線路導(dǎo)線覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù),2008,34(9):1992-1995.

[4]冒曉莉，楊博，楊靜秋,等.基于MSP430單片機(jī)的節(jié)能型數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(5):138-140.

[5]凌永發(fā)，王杰.壓力傳感器的選擇與應(yīng)用[J].云南民族學(xué)院學(xué)報(bào),2003，13(6):15-18.

[6]王化強(qiáng).傳感器原理及應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社,2007.

[7]何道清,何濤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[8]楊大慶，張寅生，張志忠.烏魯木齊河源雪密度觀測(cè)研究[J].地理學(xué)報(bào)，1992,47(3)：260-266.