風(fēng)電場(chǎng)輸電線路覆冰與振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋文靜，謝 源，黃文君，李容爽

(上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 201306)

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展，維持風(fēng)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行顯得尤為重要。風(fēng)電場(chǎng)大都在偏僻的草原，山地和距離陸地很遠(yuǎn)的近海，每逢雨雪、霧凇、冰凍等自然天氣時(shí)很容易使輸電線路發(fā)生覆冰現(xiàn)象，加上線路附近有風(fēng)時(shí)也會(huì)引起輸電線路的振動(dòng)，此種現(xiàn)象會(huì)引發(fā)一系列的危險(xiǎn)事故的發(fā)生，同時(shí)會(huì)給人類的生產(chǎn)和生活帶來(lái)極大不便，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)導(dǎo)線覆冰與振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)，檢測(cè)與故障診斷可以有效的避免計(jì)劃?rùn)z修和事后檢修的種種弊端，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)不停止運(yùn)行下對(duì)輸電線路的檢測(cè)，從而電力工作人員可以了解線路的覆冰情況并能夠及時(shí)采取有效措施消除覆冰[1]。

利用傳感器采集線路信息，將得到的模擬信號(hào)進(jìn)行處理后通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)傳送到監(jiān)控中心，期間利用太陽(yáng)能電池板結(jié)合鐵鋰蓄電池為各部分提供電壓，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 覆冰與振動(dòng)監(jiān)測(cè)終端供電方案研究

為了使輸電線路上的傳感器，無(wú)線通信單元能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)到線路覆冰與振動(dòng)信息并有效的傳送得到監(jiān)控中心，必須為他們加外加供電措施。

在電力系統(tǒng)中，太陽(yáng)能產(chǎn)生的電壓和電流與傳感器等設(shè)備所需要的電壓電流可能不太相同，尤其是像陰天下雨等這種天氣變化的時(shí)候太陽(yáng)能就不能承擔(dān)給設(shè)備供電這一責(zé)任，因此給在線監(jiān)測(cè)帶來(lái)困擾，影響在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄈ”苊鉃?zāi)害發(fā)生。為了能夠使檢測(cè)設(shè)備隨時(shí)都有能量供給，保證輸電線路的正常監(jiān)測(cè)，選擇加入儲(chǔ)能電池，在沒(méi)有陽(yáng)光的時(shí)候，可以利用蓄電電池繼續(xù)供電。

1.2 無(wú)線通信技術(shù)方案研究

利用電波信號(hào)能夠在空間中自由傳播的特性從而進(jìn)行信息交換的一種通信方式就是無(wú)線通信。

GPRS 是一種包交換的數(shù)據(jù)無(wú)線通信方式。GPRS 可以進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，是一種耗費(fèi)能量非常低的通信方式。本文采用太陽(yáng)能對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電，而GPRS 就適用于太陽(yáng)能供電的場(chǎng)合，它不但可以減小太陽(yáng)能供電成本更讓施工變得簡(jiǎn)單可靠。

考慮到通信的安全性，可靠性，距離問(wèn)題，還有必不可少的經(jīng)費(fèi)問(wèn)題后，選擇GPRS 無(wú)線通信作為主要通信方式。

1.3 傳感器的選擇

最基礎(chǔ)的一項(xiàng)工作就是對(duì)輸電線路覆冰與振動(dòng)情況進(jìn)行信息采取，然后傳送到微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。要完成線路覆冰信息的采取，要在線路上安裝一定的監(jiān)測(cè)設(shè)備。對(duì)傳感器的選擇時(shí)要能夠充分考慮到他們的測(cè)量范圍以及測(cè)量精確度，抗低溫、抗干擾能力。

1.3.1 拉力傳感器

在對(duì)線路進(jìn)行信息采集時(shí)，通常將拉力傳感器設(shè)置在直線桿塔的絕緣子串上方。電力覆冰檢測(cè)傳感器穩(wěn)定可靠，響應(yīng)相比較其他的而言速度快。用直流9～12V 對(duì)電力監(jiān)測(cè)專用拉力傳感器供電。拉力傳感器在直接電壓激勵(lì)條件下，輸出的信號(hào)是mV 級(jí)的電壓信號(hào)，在惠斯通全橋作用下放大輸出信號(hào)。這種拉力傳感器的靈敏度為2.0 mV/V，綜合精度為0.03（線性+滯后+重復(fù)性），蠕變是±0.05%F·S/30 min，溫度補(bǔ)償范圍-10～+40℃[2-4]。

1.3.2 傾角傳感器

當(dāng)需要測(cè)量系統(tǒng)水平面的傾角變化時(shí)可以選用傾角傳感器，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行360 度的傾角測(cè)量。傾角傳感器也是12V的直流電提供電源的。雙軸傾角傳感器不怕高溫等嚴(yán)峻天氣，無(wú)論是高低溫環(huán)境，他都能安全穩(wěn)定的運(yùn)行。傾角傳感器輸入是機(jī)械位置的傾角，輸出是傾角的對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)（0.5～ 4.5 V）。自帶高精度穩(wěn)壓電源電路，電壓穩(wěn)定性0.5mV，可以讓傳感器工作在高穩(wěn)定狀態(tài)[2-4]。

1.3.3 氣象傳感器

為提高大氣風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等氣象采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，氣象傳感器采用高精度數(shù)字化超聲波一體化氣象傳感器，由超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器、高精度數(shù)字溫度、濕度傳感器集成一體化。超聲波一體化氣象傳感器采用直流12V供電，輸出0～10V的電壓信號(hào)，最小采集周期80ms，可在-50℃～60℃寬溫度范圍和0～100%寬相對(duì)濕度條件下正常工作[2-4]。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸電線路覆冰與振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器采集信息，通信技術(shù)傳輸信息，供電部分為負(fù)載提供電源以及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)線路信息進(jìn)行監(jiān)控，如圖1。傳感器部分包括拉力等傳感器完成對(duì)線路覆冰情況的采集，能夠有效降低測(cè)量誤差。GPRS 通信單元主要作用是將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與監(jiān)控中心進(jìn)行交換。供電電源單元包括太陽(yáng)能電池板、鐵鋰蓄電池、太陽(yáng)能自動(dòng)充放電控制電路這幾個(gè)部分，這三部分都是輸出穩(wěn)定的12V。

圖1 輸電線路覆冰與振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Transmission line icing and vibration monitoring system structure diagram

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 51 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

STC89C51 單片機(jī)有兩個(gè)晶體振蕩電路反相連接端。在單片機(jī)的XTAL1，XTAL2的引腳與晶振Y1相連接，形成單片機(jī)的振蕩電路。通常選擇6MHz的Y1與XTAL1，XTAL2相連接，然后將兩個(gè)15～33 pF的電容與Y1連接起來(lái)組成完整的振蕩電路。Y1的振蕩頻率與芯片的工作速率有著直接關(guān)系。要想單片機(jī)的工作速率加快，就要選擇振動(dòng)頻率相對(duì)而言比較高的Y1。當(dāng)C4，C5與Y1以及STC89C51三者的連接不能過(guò)大，防止降低運(yùn)行速率。C6的取值與復(fù)位時(shí)間成反比。若RST端有持續(xù)兩個(gè)周期的高電平，單片機(jī)就會(huì)觸動(dòng)復(fù)位。但電容取值也有范圍，一般來(lái)說(shuō)，最合理的取值范圍在10～30uF之間。當(dāng)EA端接高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令，當(dāng)EA 端接低電平時(shí)，CPU只能訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，Vpp的作用是當(dāng)片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp[5]。

3.2 信號(hào)變換電路設(shè)計(jì)

從傳感器得到的信息是沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的雜亂的信息，為了方便信息傳送，要對(duì)它進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，將它變?yōu)槟軌蚝苋菀拙涂炊男畔?。信?hào)在進(jìn)行傳送與接收時(shí)需要對(duì)它調(diào)制和解調(diào)，從中選擇有用的信號(hào)保留起來(lái)，將對(duì)數(shù)據(jù)處理分析無(wú)用的信號(hào)去除。信號(hào)變換包括信號(hào)的濾波與放大，如圖3 所示。在電路中加入濾波就是為了除去脈動(dòng)的直流電壓中的交流成分，能夠使得到的波形不是胡亂波動(dòng)而是一段平滑的曲線。在濾波電路選擇時(shí)，考慮到自身水平會(huì)影響對(duì)電路的理解所以選擇了電路比較簡(jiǎn)單的RC濾波電路。信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，所以采用放大器對(duì)一些微弱的信號(hào)進(jìn)行放大。

圖2 51 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 Fig.2 51 Single chip microcomputer Minimum system diagram

圖3 信號(hào)變換電路圖 Fig.3 Signal conversion circuit diagram

3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

在科技迅速發(fā)展的時(shí)代，通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，電力電子技術(shù)，控制技術(shù)等也都在飛速發(fā)展，為了系統(tǒng)性能指標(biāo)的準(zhǔn)確度，數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用。輸電線路覆冰與振動(dòng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備所測(cè)得信息都是模擬信號(hào)，但是這些信號(hào)不能被CPU識(shí)別，為了能夠讓CPU識(shí)別這些數(shù)據(jù)并對(duì)他們進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，需要將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU能夠讀懂的。這時(shí)候需要一個(gè)轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這個(gè)轉(zhuǎn)換器就是A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)采用ADC0809實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖4為A/D轉(zhuǎn)換電路圖設(shè)計(jì)。

圖4 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖 Fig.4 A/D conversion circuit diagram

3.4 按鍵電路設(shè)計(jì)

在圖5 中，當(dāng)S1 按下時(shí)，P1.0 與地相連接，此時(shí)I/O 位就是低電平；當(dāng)S1 打開(kāi)時(shí)，P1.0 與VCC相連接，此時(shí)I/O 位就是高電平，如此不斷地?cái)嚅_(kāi)與連接S1 就會(huì)得到高低電平相接的脈沖序列。當(dāng)按鍵打開(kāi)時(shí)，I/O 位是高電平，此時(shí)就會(huì)觸發(fā)內(nèi)部設(shè)定，進(jìn)而去執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)定的任務(wù)。當(dāng)按鍵按下時(shí)，I/O位是低電平，與地相連接，所操作的就相當(dāng)于沒(méi)有意義，所以按鍵的作用就是控制對(duì)芯片信息的輸入。

圖5 按鍵電路圖 Fig.5 Button circuit diagram

3.5 顯示電路設(shè)計(jì)

人類生活的環(huán)境中，隨處可見(jiàn)LCD 液晶顯示器，它的顯示清晰明朗，功耗低，工作電流小等特點(diǎn)就是他被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

在圖6 中，LCD1602的DB0～DB7分別與單片機(jī)AT89C51 的P0.0～P0.7口連接，可以顯示使用者使用信息，P2.5用來(lái)控制LCD1602的RS輸入端，P2.6用來(lái)控制LCD1602的R/W讀寫控制輸入端、P2.7用來(lái)控制LCD1602的E也就是使能信號(hào)輸入端。從圖可以看出，R4是滑動(dòng)電阻，通過(guò)改變接入電阻的值改變LCD液晶顯示屏的對(duì)比度[6]。

圖6 LCD 屏顯示電路圖 Fig.6 LCD screen display circuit diagram

3.6 GPRS 通信模塊設(shè)計(jì)

為了研究的簡(jiǎn)便性，選用捷麥公司的G300 模塊作為研究的GPRS 通信模塊。G300 具有快速數(shù)據(jù)交換和邏輯處理能力和很高的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，它主要完成對(duì)監(jiān)測(cè)到的信息的接收與傳送。GPRS 數(shù)據(jù)一次可收發(fā)1000 字節(jié)，支持大數(shù)據(jù)包（2M 字節(jié)）緩存收發(fā)功能。G300 省電能力也很強(qiáng)，可以選5～30 V電源為它供電。它的適用范圍也很廣，可以在-30～+60℃的溫度下正常工作。

圖7 GPRS 通信模塊圖 Fig.7 GPRS communication module diagram

3.7 GPRS 通信單元供電電路設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池板為傳感器、GPRS 通信系統(tǒng)提供的供電電壓應(yīng)與傳感器等設(shè)備所需的電壓相一致，為此需要將太陽(yáng)能電池板提供的電壓采用DC-DC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后給傳感器等設(shè)備供電。在器件選擇時(shí)，首先考慮到的應(yīng)是轉(zhuǎn)換效率比較高而且還帶有輸出使能的芯片。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，有的設(shè)備需要上電工作而有的暫時(shí)不需要，但不能一直為不需要供電的設(shè)備提供能量，若一直處于供電狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致能源的浪費(fèi)，所以應(yīng)當(dāng)在有需要的時(shí)候?yàn)樨?fù)載供電，利用輸出使能夠控制部分電路是否帶電。在以上介紹中，利用12 V 電壓為拉力傳感器，雙軸傾角傳感器，六要素傳感器為它們提供電壓，利用5 V 電壓為GPRS 通信單元提供電壓。TPS62133 輸出是穩(wěn)定的5 V 電壓，最大輸出電流為3 A，它的開(kāi)關(guān)頻率2.5 MHZ。它是一種簡(jiǎn)單的能夠使電壓減小的直流到直流的轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍是3～17 V。綜合考慮到以上因素，采用TPS62133 為GPRS 通信單元供電[7]。

圖8 GPRS 供電電路 Fig. 8 GPRS power supply circuit

3.8 拉力傳感器供電控制電路設(shè)計(jì)

拉力傳感器負(fù)責(zé)獲取覆冰信息。受力采集在15 分鐘內(nèi)可以完成主動(dòng)的循環(huán)采集，但是當(dāng)太陽(yáng)能電池板為傳感器沖上電時(shí)所要的采集時(shí)間就會(huì)大大降低，可達(dá)到15s。數(shù)據(jù)采集完成后，暫時(shí)就不需要太陽(yáng)能電池板為設(shè)備充電，可以通過(guò)控制電力開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電池板對(duì)各種傳感器的供電。拉力傳感器在工作時(shí)要有外部電源為它提供電壓。當(dāng)信息采集完成后，就停止供電。拉力等各種傳感器采集數(shù)據(jù)時(shí)間各不相同，考慮到這一因素，選擇對(duì)傳感器進(jìn)行輪流供電方式，減少能量的損失。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要有高效率的傳感器并且能保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)以及必不可少的經(jīng)濟(jì)性因素采用 TI 公司的 CSD25310Q2 P 溝道 MOS 管管理各種設(shè)備的開(kāi)關(guān)的關(guān)斷，進(jìn)而保證在需要每個(gè)設(shè)備收集信息時(shí)都能夠及時(shí)的為它提供電壓[8]。

圖9 拉力傳感器供電控制電路 Fig.9 Pull sensor power supply control circuit

3.9 太陽(yáng)能自動(dòng)充放電電路設(shè)計(jì)

當(dāng)有太陽(yáng)時(shí)，利用太陽(yáng)能電池板為傳感器提供電源，到陰雨天氣或者是夜晚沒(méi)有陽(yáng)光的時(shí)候，太陽(yáng)能就不能為傳感器供電，為了保證能夠持續(xù)的為傳感器供電，在系統(tǒng)中加入了鐵鋰蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能。當(dāng)有光照時(shí)，太陽(yáng)能就會(huì)主動(dòng)地為蓄電池進(jìn)行充電，陽(yáng)光消失后，鐵力蓄電池就會(huì)釋放電能為傳感器提供電源，所以本小節(jié)就要設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)充放電的電路。自動(dòng)充放電電路可以由防雷二極管，穩(wěn)壓二極管，NPN 三極管，單端高壓供電運(yùn)放，分流穩(wěn)壓器幾部分組成。太陽(yáng)能自動(dòng)充放電電路是通過(guò)控制單端高壓供電運(yùn)放的輸出電平的高低實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵鋰蓄電池的充電和防止逆充電。太陽(yáng)能自動(dòng)充放電的原理是在蓄電池的電壓低于13V 時(shí)，單端高壓供電運(yùn)放的1 腳電壓高于13 V，此時(shí)DC1 就會(huì)導(dǎo)通，太陽(yáng)能就會(huì)對(duì)它進(jìn)行充電。相反的DC1 會(huì)截止，從而停止對(duì)它的充電以及防止它的逆充電。在充電時(shí)，充電電流能夠達(dá)到200mA。NPN型三極管的射級(jí)電流等于基級(jí)電流與集電極電流值之和，當(dāng)三極管的射級(jí)電流為200 mA 時(shí)，三極管的基級(jí)電流大約為4 mA[9-10]。

圖10 蓄電池充放電電路 Fig.10 Battery charge and discharge circuit

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為達(dá)到對(duì)輸電線路覆冰與振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)的目的，設(shè)計(jì)中采用了各種傳感器對(duì)線路信息進(jìn)行采集，然后將信息傳給微機(jī)，經(jīng)分析運(yùn)算后又通過(guò)GPRS 無(wú)線傳輸將信息傳送到監(jiān)控中心并判斷線路覆冰狀況。本課題的軟件設(shè)計(jì)就導(dǎo)線覆冰信息采集與信息處理和傳輸展開(kāi)研究。

4.1 主流程圖設(shè)計(jì)

圖11 主流程圖 Fig.11 Main flow chart

4.2 傳感器信息采集軟件設(shè)計(jì)

4.3 GPRS 無(wú)線通信設(shè)計(jì)

圖12 傳感器信息采集流程圖 Fig. 12 Sensor information collection flow chart

圖13 GPRS 無(wú)線通信程序流程圖 Fig.13 GPRS wireless communication program flow chart

5 結(jié)語(yǔ)

文章以對(duì)風(fēng)電場(chǎng)線路覆冰監(jiān)測(cè)為研究背景，研究了對(duì)輸電線路覆冰信息的采集技術(shù)、信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)、信息無(wú)線傳輸技術(shù)，對(duì)基于輸電線路覆冰與振動(dòng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)的每個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文選取了合適的傳感器對(duì)覆冰線路進(jìn)行信息采集，確定信息傳送方式，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)可靠、有效、安全地運(yùn)行。