輸電線路智能微氣象站在線監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

李佳奇，李學(xué)斌，趙義松

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

專論

輸電線路智能微氣象站在線監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

李佳奇，李學(xué)斌，趙義松

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

針對(duì)現(xiàn)有輸電線路機(jī)械式微氣象采集系統(tǒng)的缺陷，研究并開發(fā)了以低功耗控制器為核心的微氣象在線監(jiān)測(cè)儀。該在線監(jiān)測(cè)儀采用AVR單片機(jī)，利用超聲波方式實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速風(fēng)向的采集，且引入溫度補(bǔ)償技術(shù)，輔以地磁角校正技術(shù)，達(dá)到了輸電線路風(fēng)速風(fēng)向準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的效果。GPS定位技術(shù)可以使測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確。該微氣象在線監(jiān)測(cè)儀精度高，無(wú)需復(fù)雜的維護(hù)，安裝簡(jiǎn)易，因此可廣泛應(yīng)用在各類輸電線路在線監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)。

輸電線路；在線監(jiān)測(cè)；風(fēng)速測(cè)試；風(fēng)向測(cè)試；超聲波

輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到多方面因素的制約。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光照度等數(shù)據(jù)，并作出合理的分析，特別是針對(duì)北方輸電線路容易發(fā)生覆冰，及時(shí)制定相應(yīng)的預(yù)案，可以大大提高線路運(yùn)行的穩(wěn)定性，保障電網(wǎng)安全。傳統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀采用機(jī)械結(jié)構(gòu)完成測(cè)試，安裝施工繁瑣且機(jī)械式結(jié)構(gòu)存在磨損情況，需要定期更換。安裝施工時(shí)需要安裝人員完成正北方向的標(biāo)定，考慮安裝人員的技術(shù)水平不同，無(wú)法保證安裝的準(zhǔn)確性［1］。

信息的飛速發(fā)展帶來(lái)了輸電線路在線監(jiān)測(cè)的變革?？稍谳旊娋€路微氣象監(jiān)測(cè)領(lǐng)域引入處理器，輔以超聲波測(cè)試技術(shù)達(dá)到輸電線路風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)的目的。溫濕度和超聲波風(fēng)偏監(jiān)測(cè)均不需要任何機(jī)械測(cè)試元件，因此測(cè)量精度大大提高。引入電子羅盤實(shí)現(xiàn)智能地磁角方向的判斷，解決了施工時(shí)重復(fù)確定正北方向的難題，減輕了安裝施工人員的負(fù)擔(dān)。超聲波聲速根據(jù)溫度采集結(jié)果進(jìn)行非線性修正，增加了測(cè)試結(jié)果的可信度。GPS定位可以使線路位置結(jié)果更加直觀。將以上數(shù)據(jù)綜合分析后，采用無(wú)線通信方式實(shí)時(shí)發(fā)送給控制中心，調(diào)控中心可及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)工況，并對(duì)各類預(yù)警信息作出分析判斷，必要時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。該研究和應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場(chǎng)前景。

1 超聲波風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)基本原理

風(fēng)速風(fēng)向的判斷以時(shí)差法作為理論依據(jù)。測(cè)試原理圖如圖1所示，設(shè)S為超聲波發(fā)射探頭到超聲波接收探頭的距離，X為2只傳感器的直線距離［2］。

令Tab為超聲波信號(hào)從a探頭發(fā)出到b探頭接收，順風(fēng)氣流消耗的時(shí)間，Tba為超聲波信號(hào)從b探頭發(fā)出到a探頭接收，逆風(fēng)氣流消耗的時(shí)間。可得：

圖1 超聲波風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)原理模型

式中：C為標(biāo)準(zhǔn)聲速，m／s；v為實(shí)際風(fēng)速，m／s。

根據(jù)公式（1）、（2），得到該方向風(fēng)速為

假設(shè)當(dāng)前風(fēng)速為V，在x，y坐標(biāo)軸投影分量分別是Vx，Vy，則［3］：

2 輸電線路智能微氣象在線監(jiān)測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

精確測(cè)試出Tab和Tba后，就可以利用時(shí)差法進(jìn)行風(fēng)速測(cè)試。本設(shè)計(jì)采用8位低功耗AVR處理器完成微氣象站的設(shè)計(jì)［4］。該處理器具備功耗低、外設(shè)多等優(yōu)點(diǎn)，很好地實(shí)現(xiàn)了需要的功能。

智能微氣象站系統(tǒng)電路部分由超聲波發(fā)射／接收模塊、微計(jì)算機(jī)模塊、地磁角校正模塊、GPRS數(shù)傳模塊和測(cè)溫補(bǔ)償模塊組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2.1 超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試設(shè)計(jì)

超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試過程如下：

a.控制探頭A發(fā)射信號(hào)，探頭B接收信號(hào)；

圖2 輸電線路智能微氣象在線監(jiān)測(cè)儀硬件框圖

b.控制探頭B發(fā)射信號(hào)，探頭A接收信號(hào)；

c.控制探頭C發(fā)射信號(hào)，探頭D接收信號(hào)；

d.控制探頭D發(fā)射信號(hào)，探頭C接收信號(hào)。

上述4個(gè)步驟分時(shí)循環(huán)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)二維軸方向的超聲波信號(hào)風(fēng)速風(fēng)向探測(cè)［5］。

2.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)引入了TCRT40形式超聲波探頭，為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，脈沖波利用單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生，并在驅(qū)動(dòng)端產(chǎn)生超聲脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器采用74HC04構(gòu)成的5個(gè)反相器，形成相位差為180°的脈沖，以提高信號(hào)的發(fā)射功率。超聲波發(fā)射電路如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射電路圖

2.3 超聲波接收電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用CX20106一體化濾波放大芯片，實(shí)現(xiàn)了超聲信號(hào)的檢波，以濾除無(wú)用的干擾信號(hào)。超聲波接收電路如圖4所示。

2.4 地磁角智能校正模塊

根據(jù)公式（6）確定風(fēng)向與正北方向夾角，而依據(jù)人工方式來(lái)判斷定標(biāo)方向不但耗時(shí)耗力，且極易引入數(shù)據(jù)誤差。本智能微氣象站提出利用電子指南針模塊進(jìn)行地磁角的測(cè)試，實(shí)際風(fēng)向由軟件進(jìn)行后期處理，同時(shí)加入地理信息模塊達(dá)到GPS定位的效果，最終使得整機(jī)的安裝調(diào)試得到大大簡(jiǎn)化。

2.5 GPRS無(wú)線數(shù)傳模塊

圖4 超聲波接收電路圖

采集并處理后的溫濕度、風(fēng)力、風(fēng)向以及光照度數(shù)據(jù)，打包后通過3G無(wú)線數(shù)傳方式發(fā)送給主控室。采用無(wú)線方式，不僅提高了數(shù)據(jù)的可靠性，也很好地解決了有線通信在現(xiàn)場(chǎng)布線施工量大，周期長(zhǎng)的窘境。為了降低功耗，增加測(cè)試時(shí)間，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池板充電加鋰電池后備供電，根據(jù)實(shí)際情況定時(shí)上傳數(shù)據(jù)包，采用格式為電力行業(yè)規(guī)范的IEC61850協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包。不采集數(shù)據(jù)時(shí)整機(jī)進(jìn)入休眠模式，功耗小于10 μA。

2.6 溫度補(bǔ)償模塊

由于聲速受到溫度影響，需要進(jìn)行溫度測(cè)試，以達(dá)到對(duì)聲速修正的目的。采用廣泛應(yīng)用的熱敏電阻和單片機(jī)接口，電路簡(jiǎn)單且滿足測(cè)試需要。聲速和溫度的關(guān)系式如下：

式中：T為環(huán)境實(shí)際溫度，℃；C為實(shí)際聲速，m／s。

配合聲速補(bǔ)償公式，能使測(cè)試精度進(jìn)一步提高。

3 智能微氣象站監(jiān)測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

開機(jī)后整機(jī)進(jìn)行初始化，之后單片機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)射探頭發(fā)出6個(gè)超聲信號(hào)，并打開單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)。若單片機(jī)判斷接收探頭收到超聲信號(hào)，則立即暫停定時(shí)器T0，并將結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的RAM單元。A探頭發(fā)射，B探頭接收，得到時(shí)間Tab；然后由B探頭發(fā)射，A探頭接收，得到時(shí)間Tba。用同樣的方法測(cè)試出Tcd、Tdc。再由式（5）～（7）進(jìn)行軟件分析，最后將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，通過無(wú)線方式模塊上傳主控中心。系統(tǒng)工作軟件流程圖如圖5所示。

4 智能微氣象站測(cè)試試驗(yàn)與誤差分析

圖5 智能微氣象站監(jiān)測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)流程圖

為了模擬現(xiàn)場(chǎng)效果，使用風(fēng)扇產(chǎn)生恒定風(fēng)速，采用0.5 m／s精度的機(jī)械式風(fēng)速儀作為校準(zhǔn)儀器完成標(biāo)定，于20℃室溫環(huán)境中測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，測(cè)試儀和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)儀都有0.3 m／s數(shù)據(jù)波動(dòng)的情況，可近似推出兩者的精度相同。隨著風(fēng)速趨近于零，風(fēng)向隨機(jī)變化，通過理論研究歸結(jié)為測(cè)試白噪聲。方向角的測(cè)試結(jié)果伴隨著風(fēng)速的提升而接近實(shí)際數(shù)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)超聲波傳播特性，完成了智能微氣象站超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的數(shù)學(xué)模型，并且以AVR微功耗處理器設(shè)計(jì)了風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試儀，通過軟件模塊化設(shè)計(jì)與溫度修正，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路風(fēng)速風(fēng)向的精確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和在線測(cè)試。該系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低，有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與應(yīng)用前景。

［1］韓洪剛，李學(xué)斌.“大檢修”體系下狀態(tài)檢修技術(shù)支撐力量的建設(shè)［J］.東北電力技術(shù)，2013，34（3）：23－26.

［2］楊理踐，李佳奇，高松巍.基于虛擬儀器的天然氣管線泄漏聲波監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010，39（7）：19－21.

［3］鄭玲玲，許 剛.基于時(shí)差法的超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2012，36（12）：31－34.

［4］宋進(jìn)良，王藝帆，李為兵.基于FPGA技術(shù)的電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備遠(yuǎn)程智能檢測(cè)系統(tǒng)的研究［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（4）：35－39.

［5］張幼明，高忠繼，黃 旭.智能變電站技術(shù)應(yīng)用研究分析［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（5）：1－3.

Design of On?line Monitoring Instrument for Intelligent Micro Meteorological Station in Transmission Line

LI Jia?qi，LI Xue?bin，ZHAO Yi?song

（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

According to the defects of mechanical micro meteorological collection system in transmission line，micro meteorological on?line monitoring system with low power consumption controller at its core is developed.The online monitoring by AVR processor uses ul?trasonic wave to realize collection of wind direction and wind speed and temperature compensation geomagnetic angle correction technol?ogy can accurate to monitor wind effect for transmission line.GPS location techn6ology make the test results more accurate.The on?line monitoring has high accuracy and easy installation without complex maintenance.It can be widely used in the on?line monitoring of all kinds of transmission lines.

Transmission line；On?line monitoring；Wind speed testing；Wind direction testing；Ultrasonic

TM726.3

A

1004－7913（2015）09－0001－03

李佳奇（1984—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閮x器儀表技術(shù)及智能電網(wǎng)技術(shù)。

2015－06－30）