基于無線傳輸?shù)妮旊娋€路舞動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張 博，常帥帥，陶亞光，呂中賓，申立群

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，國網(wǎng)輸電線路舞動防治技術(shù)重點實驗室，河南鄭州 450052； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

近些年來，我國基礎(chǔ)設(shè)施有了大幅提升，輸配電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)發(fā)展很快，為我國各項事業(yè)的發(fā)展提供了有效助力。但隨著電網(wǎng)規(guī)模和范圍的擴(kuò)大，各種惡劣氣象條件對電網(wǎng)安全也提出了更高的挑戰(zhàn)[1]。由惡劣天氣引起的各類災(zāi)害事故也時有發(fā)生，具有嚴(yán)重危害的舞動時有發(fā)生[2]。輸電線路舞動是指在特定條件下，在風(fēng)激勵下產(chǎn)生的低頻(通常為0.1～3 Hz)、大振幅(約為導(dǎo)線直徑5～300倍)自激振動[3-4]。

關(guān)于輸電線舞動的研究，國外發(fā)達(dá)國家起步較早，從20世紀(jì)50年代就有人開展了對舞動的觀測研究，加拿大、美國、日本建有專門的測試線路，相關(guān)的研究工作也有所開展[5-7]。我國關(guān)于輸電線路舞動的研究相對起步較晚，但舞動在我國頻繁發(fā)生且涉及輸電線路等級寬泛[8]，在2017年至2018年冬季受雨雪、冰凍、大風(fēng)等惡劣氣候影響，安徽、湖北等數(shù)省發(fā)生了大規(guī)模輸電線路舞動事故。2010年發(fā)布的國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 555—2010《輸電線路導(dǎo)線舞動檢測裝置技術(shù)規(guī)范》，明確了輸電線路舞動監(jiān)測裝置的監(jiān)測任務(wù)、技術(shù)指標(biāo)，為大力開展線路監(jiān)測技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)[9]。

針對舞動監(jiān)測，雖有人工監(jiān)測方法，但可靠性和便捷性均不如自動監(jiān)測方式。自動監(jiān)測主要通過各種傳感器對線路舞動信息進(jìn)行采集，根據(jù)原理不同，可采用的傳感器也多種多樣。文獻(xiàn)[10]設(shè)計實現(xiàn)了基于加速度計和位移傳感器的舞動監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]設(shè)計了基于光纖光柵傳感器的舞動監(jiān)測裝置。文獻(xiàn)[12]以線路間隔棒為監(jiān)測特征點，通過圖像處理技術(shù)獲取舞動特征。

基于光纖傳感器的舞動監(jiān)測實際應(yīng)用時傳感器的安裝與布置復(fù)雜、繁瑣，同時溫度對光纖傳感器的影響也非常大；基于加速度傳感器的舞動監(jiān)測技術(shù)由于線路本身的扭動問題，導(dǎo)致所監(jiān)測的軌跡不可避免包含重力加速度，舞動位移解算與實際值存在偏差；基于視頻圖像處理的舞動監(jiān)測技術(shù)容易受雨雪、大霧等惡劣自然天氣的影響。

本文設(shè)計一種在獲取加速度信息的同時，測量傳感器姿態(tài)信息的舞動監(jiān)測系統(tǒng)，可以去除重力加速度所引起的誤差，得到更準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

整體硬件系統(tǒng)主要包括舞動線上傳感器、舞動監(jiān)測塔上終端2部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

舞動線上傳感器固定在輸電線上，通過六軸MEMS傳感器采集輸電線舞動的角速度、加速度等信息；舞動塔上終端安裝在桿塔上，對線上傳感器所采集的舞動參數(shù)進(jìn)行處理，以提取舞動特征參數(shù)，并可以將這些參數(shù)發(fā)送到電腦或手機端監(jiān)控中心。

舞動監(jiān)測需要得到輸電線舞動信息，該信息通過線上傳感器獲取，通過塔上終端進(jìn)行處理并傳輸?shù)奖O(jiān)控端。硬件系統(tǒng)由線上傳感器和塔上終端2部分構(gòu)成，通過無線通信方式將系統(tǒng)各部分連接在一起。

1.1 線上傳感器

線上傳感器完成舞動信息的采集工作，通過在輸電線路上按照固定間距排布線上傳感器，在舞動發(fā)生時可將舞動信息通過線上傳感器進(jìn)行采集。線上傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 線上傳感器結(jié)構(gòu)框圖

線上傳感器的核心為六軸MEMS傳感器，該傳感器可將舞動的角速度、加速度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過微控制器進(jìn)行接收，并經(jīng)ZigBee無線傳輸協(xié)議傳輸?shù)剿辖K端。線上傳感器的主要功能為數(shù)據(jù)采集功能，同一線路上可安裝多個線上傳感器，多個線上傳感器可與塔上終端構(gòu)成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)節(jié)點間的路由或中繼傳輸。

1.2 塔上終端

舞動監(jiān)測塔上終端接收來自線上傳感器的舞動加速度、角速度信息，并完成相關(guān)的數(shù)據(jù)處理工作，然后將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心，如手機端或電腦端。塔上終端系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 塔上終端結(jié)構(gòu)框圖

舞動監(jiān)測塔上終端進(jìn)行接收時，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除舞動的加速度、角速度參量所含有的直流分量、趨勢項等干擾，然后對預(yù)處理后舞動參數(shù)進(jìn)行算法處理，得到舞動的幅值、頻率等舞動特征參數(shù)；最后將所辨識舞動特征參數(shù)通過4G傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。當(dāng)工作人員到達(dá)舞動現(xiàn)場時，塔上終端還可將舞動參數(shù)通過藍(lán)牙m(xù)esh無線傳輸技術(shù)傳輸至工作人員手機監(jiān)控端。

2 供電電路設(shè)計

舞動監(jiān)測線上傳感器的供電電路采用太陽能與電池互補供電的方式。這種方式具有體積小、成本低的優(yōu)點，并可以使系統(tǒng)長時間工作，降低維護(hù)成本。

線上傳感器的核心器件供電電壓均為3.3 V，此處選擇輸出電壓為3.7 V的鋰電池，并利用低壓差穩(wěn)壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。為保護(hù)鋰電池，設(shè)計了電池保護(hù)電路，以延長使用壽命。對于太陽能電池的充電管理采用專用的充電管理模塊，使其能長期穩(wěn)定工作。整體供電電路如圖4所示。

圖4 線上傳感器供電方案

線上傳感器供電鋰電池選擇松下18650低溫電池，可正常工作溫度范圍為-40～60 ℃，電池容量為3 200 mA·h。同時選擇為鋰電池充電的太陽能電池板為1 W輸出，5 V輸出電壓下電流為200 mA。經(jīng)估算，線上傳感器年耗電量為33 288 mA·h，假設(shè)一年內(nèi)平均每天有效光照時間為2 h，所產(chǎn)生電量大小為146 000 mA·h，加上鋰電池自帶電量3 200 mA·h，遠(yuǎn)高于線上傳感器年耗電量。同時鋰電池自帶電量可供線上傳感器工作35.08 d，因此在不超過35 d陰雨環(huán)境下，線上傳感器仍可正常供電保持運行。以上的估算結(jié)果也說明了系統(tǒng)供電電路設(shè)計的合理性，線上傳感器長時間的正常工作可避免頻繁的拆卸而導(dǎo)致維護(hù)成本升高。

為保證通用性，塔上終端和線上傳感器的太陽能充放電設(shè)計原理相同，區(qū)別在于塔上終端支持更大面積的太陽能電池板，且為了給4G模塊供電，需提供一個升壓模塊輸出5.0 V電壓，如圖4中虛線部分所示。

2.1 鋰電池供電保護(hù)電路

為避免對鋰電池的不當(dāng)使用，以延長使用壽命，采用了鋰電池保護(hù)芯片DW01A，可以對鋰電池過度放電、過度充電、短路等情況提供有效的保護(hù)。電路連接如圖5所示。

圖5 鋰電池供電保護(hù)電路圖

檢測VCC電壓，若電壓在過充電壓保護(hù)閾值和過放電壓保護(hù)閾值之外，則電路中的N-MOS管Q1和Q2將會對應(yīng)動作，使鋰電池進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

2.2 3.3 V電平轉(zhuǎn)換

鋰電池正常輸出電壓為3.7 V，系統(tǒng)核心模塊電壓均為3.3 V，因此需要設(shè)計3.7 V-3.3 V電壓轉(zhuǎn)換電路。此處選擇低壓差穩(wěn)壓芯片RT9193-33，在2.5～5 V電壓輸入時可將輸出電壓穩(wěn)定在3.3 V。電路如圖6所示。

圖6 電平轉(zhuǎn)換電路

2.3 5 V電平轉(zhuǎn)換

與線上傳感器不同，舞動監(jiān)測塔上終端需要3.7 V-5 V的升壓電路，為4G模塊提供電源。這里采用MP3414A進(jìn)行升壓電路的設(shè)計，該芯片可輸入電壓為1.8～5.5 V，輸出電壓最大值為5.5 V，最大電流可達(dá)1 A。設(shè)計應(yīng)用電路如圖7所示。

圖7 3.7～5 V升壓電路圖

圖7中，電壓輸入范圍為1.8～5.5 V，輸出電壓是由芯片F(xiàn)B引腳、OUT引腳及其之間形成的分壓網(wǎng)絡(luò)決定的。FB引腳在芯片正常工作時被調(diào)制在0.6 V，所設(shè)計的分壓網(wǎng)絡(luò)使得轉(zhuǎn)換電壓的輸出為5.04 V，符合設(shè)計需要。

2.4 太陽能充電管理電路

選擇為鋰電池充電的太陽能電池板輸出功率為1 W，5 V輸出電壓下電流為200 mA。太陽能充電采用CN3791進(jìn)行充電管理，該芯片可自動跟蹤太陽能電池輸出的最大功率點，有效利用太陽能電池的功率輸出。電路設(shè)計如圖8所示。

經(jīng)功耗分析，該供電設(shè)計可滿足長期使用要求，無需頻繁進(jìn)行維護(hù)。

3 線上傳感器電路設(shè)計

線上傳感器主要任務(wù)為數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿辖K端，其主要需求為低功耗、小型化、便于維護(hù)，主要完成各外圍設(shè)備與其接口連接。因此，線上傳感器的主控芯片選擇STM32L431，它是低功耗系列產(chǎn)品，接口也比較精簡，能夠滿足小型化的要求。

3.1 六軸MEMS傳感器應(yīng)用電路

六軸傳感器選型為ADIS16470，可以通過SPI通信方式與主控芯片之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在與MCU相連時，它作為SPI的從設(shè)備，MCU作為主設(shè)備，電路連接如圖9所示。

3.2 ZigBee應(yīng)用電路

ZigBee模塊選擇ZA2530模塊，建立星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接。舞動監(jiān)測系統(tǒng)的線上傳感器作為終端節(jié)點，塔上終端作為協(xié)調(diào)器。根據(jù)ZA2530模塊的引腳功能，設(shè)計其應(yīng)用電路原理圖如圖10所示。

圖8 太陽能充電管理電路圖

圖9 ADIS16470接口電路原理圖

圖10 ZigBee模塊應(yīng)用電路原理圖

4 塔上終端電路設(shè)計

舞動監(jiān)測塔上終端負(fù)責(zé)對線上傳感器原始舞動參數(shù)的收集，并通過算法求解舞動幅值、頻率等特征參數(shù)，將解算得到的舞動特征參數(shù)經(jīng)無線傳輸至監(jiān)控端。由于塔上終端完成功能較為復(fù)雜，并根據(jù)UART、SPI等外設(shè)接口的需求，選擇主控MCU為STM32F401RET6單片機。

其外圍器件主要為ZigBee通信模塊、藍(lán)牙m(xù)esh通信模塊以及4G通信模塊。ZigBee模塊采用ZA2530，除了軟件上的工作模式不同，其硬件連接與線上傳感器是一致的。下面主要介紹藍(lán)牙m(xù)esh通信模塊和4G通信模塊的連接。

4.1 藍(lán)牙m(xù)esh模塊應(yīng)用電路

藍(lán)牙m(xù)esh模塊選擇E104-BT10模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的透傳。電路設(shè)計如圖11所示。

該模塊供電電壓為1.9～3.6 V，這里采用3.3 V對其進(jìn)行供電；其RST引腳為芯片復(fù)位引腳，由主控芯片IO端口控制；其TXD、RXD引腳與單片機串行口相連即可完成通信功能。

4.2 4G通信模塊應(yīng)用電路

4G通信選擇E840-TTL-4G04模塊，便于通過單片機的串行口進(jìn)行控制。該模塊的供電電壓為4.2～12 V，此處采用5 V電壓供電，設(shè)計其應(yīng)用電路圖如圖12所示。

其TXD、RXD引腳與單片機引腳RXD、TXD相連即可，通過串行口完成數(shù)據(jù)通信。

5 實驗結(jié)果分析

輸電線路的常見舞動為舞動截面近似圓周的運動，實驗室條件下采用卓立漢光Zolix-RSA的單軸轉(zhuǎn)臺與懸臂配合的方式，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)回轉(zhuǎn)運動。其定位精度優(yōu)于0.01°，分辨率高達(dá)0.002 5°，最大轉(zhuǎn)速達(dá)50 (°)/s。配合3D打印制作30 cm、50 cm、70 cm懸臂，測試系統(tǒng)在圓周舞動情況下的適用性，實驗場景如圖13所示。

控制單軸轉(zhuǎn)臺進(jìn)行整圓周運動，當(dāng)采用50 cm長懸臂時，設(shè)置其8.5 s時間內(nèi)運動整個圓周，則理論上運動頻率為0.12 Hz。

線上傳感器采集原始運動數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，經(jīng)過塔上監(jiān)測終端舞動特征參數(shù)辨識算法處理后所得幅值辨識結(jié)果及偏差如圖14所示。

圖11 藍(lán)牙m(xù)esh模塊應(yīng)用電路圖

圖12 4G模塊應(yīng)用電路圖

圖13 旋轉(zhuǎn)懸臂實物圖

(a)幅值曲線

(b)舞動監(jiān)測位移誤差圖14 運動幅值辨識結(jié)果及誤差圖

由圖14可知，所辨識運動幅值誤差最大值為4.4 cm，平均誤差為1.91 cm，平均相對誤差3.8%。將橫軸所辨識幅值進(jìn)行傅里葉變換，獲取運動頻率，幅頻圖像最大幅值對應(yīng)頻率為0.107 Hz，與實際運動頻率0.12 Hz基本一致。

經(jīng)過多次實驗，其中一些實驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 回轉(zhuǎn)運動特征參數(shù)辨識結(jié)果表

通過數(shù)據(jù)結(jié)果可知，系統(tǒng)對運動幅值、頻率的辨識均較為準(zhǔn)確，幅值辨識相對誤差最大為4.4%，出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)幅值70.00 cm時，辨識結(jié)果為73.10 cm，頻率的最大辨識誤差為0.03 Hz，驗證了系統(tǒng)的有效性，能夠滿足課題技術(shù)指標(biāo)的要求。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于無線傳輸?shù)妮旊娋€舞動監(jiān)測的硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)包括線上傳感器和塔上終端。線上傳感器主要負(fù)責(zé)信號的采集，主傳感器為六軸MEMS傳感器；塔上終端將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到舞動特征參數(shù)，并可以將信息通過藍(lán)牙傳送到手機端或通過4G網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心。采用單軸轉(zhuǎn)臺在實驗室環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果與實際情況符合度較好，驗證了系統(tǒng)的有效性。