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    基于光纖供能的架空輸電線路氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2022-08-30 03:59:16李程啟劉景龍張圍圍
    山東電力技術(shù) 2022年8期
    關(guān)鍵詞:桿塔氣象光纖

    李程啟,劉景龍,張圍圍,李 娜,張 帆

    (國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250003)

    0 引言

    架空輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分之一,其正常運(yùn)行是整個(gè)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。架空輸電線路大多經(jīng)過(guò)叢林、峽谷、高山等人不方便涉足的復(fù)雜環(huán)境,同時(shí)戶外架空線路在運(yùn)行中容易受風(fēng)、雨、冰、溫度等多種自然因素的影響[1-3],大量的研究也表明氣象對(duì)架空輸電線路性能有較大影響[4-5],因此有必要對(duì)架空輸電線路周?chē)》秶臍庀笮畔⑦M(jìn)行采集及分析,保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行[6-8]。當(dāng)前的氣象在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多使用電池、自取能、電力輸電等方法為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)供能[9-10],存在后期維護(hù)成本高、供能受限于環(huán)境影響、受電磁干擾等不足,使用無(wú)線通信技術(shù)將傳感監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行回傳,存在著傳輸可靠性差、傳輸距離短、抗干擾性差等不足[11-15]。架空輸電線路一般都鋪設(shè)有光纜,光纖通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、損耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),而隨著光纖通信技術(shù)的日益發(fā)展和成熟,使用光纖作為媒介來(lái)傳輸能量逐漸為人們所注意,并且日漸顯露其優(yōu)勢(shì)。在光纖傳能系統(tǒng)中源端的激光器輸出光能,經(jīng)傳能光纖傳輸后,至遠(yuǎn)端進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,并為各用電器件供電。

    當(dāng)前比較成熟且大規(guī)模使用的架空輸電線路氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用太陽(yáng)能電池板從自然界取能配合蓄電池為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供能,使用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication,GSM)、通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service,GPRS)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)等嚴(yán)重依賴運(yùn)營(yíng)商基站信號(hào)覆蓋的無(wú)線通信方式將系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息回傳回變電站或監(jiān)控中心。由于該方案使用蓄電池作為存儲(chǔ)介質(zhì),蓄電池的充放電循環(huán)使用壽命較短,因此該方案在供能上存在后期更換電池、維護(hù)成本高等問(wèn)題。同時(shí)該方案無(wú)法將監(jiān)測(cè)裝置安裝在運(yùn)營(yíng)商基站信號(hào)覆蓋之外的場(chǎng)景,一般這種場(chǎng)景多為深山、峽谷等人跡罕至之地,但這些場(chǎng)景相對(duì)監(jiān)測(cè)意義重大。除此之外,該方案通信距離受運(yùn)營(yíng)商基站影響較大,如NB-IoT 在郊區(qū)使用通信距離可達(dá)10 km左右,在市區(qū)只有3 km左右。

    提出一種以光纖作為能量與信息傳輸載體的架空輸電線路氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng),本系統(tǒng)適用于叢林、峽谷、高山等人不方便涉足的復(fù)雜場(chǎng)景,不受運(yùn)營(yíng)商基站信號(hào)覆蓋影響,可進(jìn)行10 km 遠(yuǎn)距離光纖供能及通信,可有效解決架空輸電線路監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)供能困難及傳感信息傳輸不可靠不穩(wěn)定的問(wèn)題,降低了電力系統(tǒng)施工安裝難度及運(yùn)維難度,節(jié)約了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)成本。也為后續(xù)在微氣象區(qū)域開(kāi)展覆冰、大風(fēng)觀測(cè),獲取長(zhǎng)期實(shí)測(cè)資料,為擬建線路設(shè)計(jì)和已建線路運(yùn)維提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7-8]。

    1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    1.1 總體系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)整體方案如圖1 所示,變電站中包含激光器、光通信單元、監(jiān)測(cè)主機(jī)三大部分,桿塔上安放的傳感器節(jié)點(diǎn)包含光電池、能量管理單元、氣象傳感器、微控制器(Microcontroller Unit,MCU)、光通信單元五大部分,激光器從變電站中發(fā)射出1 550 nm 激光經(jīng)過(guò)現(xiàn)有已鋪設(shè)好的光纖復(fù)合架空地線(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire,OPGW)電力光纜中的一根閑置單模光纖將光能量傳輸?shù)桨惭b在桿塔上的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中的光電池上,光電池將光能量進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換為電能量輸出給能量管理單元,能量管理單元對(duì)電能量進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化供應(yīng)給氣象傳感器、MCU、光通信單元,MCU 將采集到的氣象傳感器傳感信息經(jīng)過(guò)光通信模塊通過(guò)OPGW 電力光纜中的另一根閑置單模光纖將1 310 nm 光信息回傳給變電站中的光通信單元,進(jìn)而傳遞給監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行分析處理顯示。其中,電力光纜直接采用電網(wǎng)公司已鋪設(shè)好的OPGW 光纜,光纖使用OPGW 光纜中閑置的單模光纖,大大降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝復(fù)雜度,節(jié)約施工成本,便于快速安裝及后期維護(hù)。

    圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

    如果需要在距離較長(zhǎng)的輸電線路安裝多個(gè)監(jiān)測(cè)裝置,需要采用圖2 所示的方案,使用分光器對(duì)光能量進(jìn)行分配,由于激光遠(yuǎn)距離傳輸存在損耗,所以距離變電站較近的桿塔分配的光能量相對(duì)變電站較遠(yuǎn)的桿塔分配的光能量百分比更小,按照不同百分比分配激光能量給每一個(gè)監(jiān)測(cè)裝置,從而保證多個(gè)監(jiān)測(cè)裝置都能正常供能。

    圖2 多監(jiān)測(cè)裝置方案

    2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    架空線路氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括多個(gè)硬件組成單元,以下重點(diǎn)介紹能量管理單元電路、微處理器及外圍接口電路、氣象傳感器檢測(cè)電路、光通信單元電路等核心單元。

    2.1 能量管理單元電路

    在本系統(tǒng)中,所有的能量供應(yīng)均由光纖完成。光纖傳能原理是電光轉(zhuǎn)換、光功率傳輸以及光電轉(zhuǎn)換3部分。通過(guò)激光器發(fā)射一定功率密度的激光,將激光注入光纖中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,經(jīng)光纖耦合輸出后打到光電池表面,使光能轉(zhuǎn)換為電能輸出,并供給傳感器系統(tǒng)工作。

    變電站中的激光能量通過(guò)光纖傳輸?shù)綏U塔上的氣象監(jiān)測(cè)終端,激光能量被銦鎵砷(InGaAs)光電池轉(zhuǎn)換為電能輸出,其原理為半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng),具體為光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體PN結(jié)中電子和空穴在空間分開(kāi)而產(chǎn)生電位差。當(dāng)照射的光子能量大于帶隙能量的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。光電池可以當(dāng)作一個(gè)電流源,光照度的大小影響了輸出電流的大小。

    能量管理單元主要由低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator,LDO)、升壓型DC/DC 變換器、存儲(chǔ)介質(zhì)3 部分組成,結(jié)構(gòu)如圖3 所示。小規(guī)模的儲(chǔ)能技術(shù)只有電化學(xué)儲(chǔ)能(電池)和超級(jí)電容器儲(chǔ)能。電池包含鋰電池及蓄電池,電池的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高,使得負(fù)載在斷電后能持續(xù)工作數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí),但功率密度較小,難以滿足具有瞬時(shí)功率特性的監(jiān)測(cè)設(shè)備,且壽命有限,需要定期維護(hù)。因此考慮到電化學(xué)儲(chǔ)能器件的循環(huán)壽命次數(shù)和微能量存儲(chǔ)的特殊性,本系統(tǒng)擬采用電容器進(jìn)行儲(chǔ)能。電容器儲(chǔ)存電能能量,若平均功率為100 mW 的負(fù)載工作10 s,其能量為1 J,輸出電壓一般為5 V,需要電容量達(dá)到約為0.08 F,傳統(tǒng)電容器遠(yuǎn)達(dá)不到計(jì)算的電容量要求,因此本系統(tǒng)采用超級(jí)電容器作為存儲(chǔ)介質(zhì),超級(jí)電容屬于雙電層電容器,超級(jí)電容的容量比通常的電容器大得多,同時(shí)自身?yè)p耗和漏電流也較大。超級(jí)電容的充放電電路簡(jiǎn)單,可快速充放電,且具有瞬時(shí)大功率特性,功率密度高,其與光電池并聯(lián),存儲(chǔ)介質(zhì)接LDO 輸入端,LDO 對(duì)光電池及存儲(chǔ)介質(zhì)輸出的能量進(jìn)行降壓處理,輸出+3.3V 電壓為后續(xù)微處理器、光通信單元、氣象傳感器中的溫濕度、氣壓、光強(qiáng)傳感器供電;存儲(chǔ)介質(zhì)接DC/DC 變換器輸入端,DC/DC 變換器輸出+5 V 電壓為氣象傳感器中的風(fēng)速、風(fēng)向傳感器供電。

    圖3 能量管理單元結(jié)構(gòu)

    能量存儲(chǔ)管理單元采用BQ25505芯片來(lái)管理充放電。BQ25505 是全新智能化的能量采集以及超低功耗管理芯片,專門(mén)設(shè)計(jì)用于高效地獲取并管理從諸如光伏或熱電發(fā)生器(Thermoelectric generator,TEG)等多種不同直流源產(chǎn)生的微瓦至毫瓦級(jí)的電能。作為一款效率較高的DC/DC 升壓充電器,BQ25505 特別滿足超低功耗應(yīng)用的特殊需求。該芯片功耗超低,靜態(tài)電流僅為325 nA,能夠在輸入電壓低至330 mV 時(shí)冷啟動(dòng),并且一旦啟動(dòng),即使在輸入電壓低至100 mV 時(shí)仍能繼續(xù)采集能量。由于一節(jié)光電池的輸出電壓是低于3 V的,而本系統(tǒng)所需要的供電電壓至少為5 V,所以還需要做一個(gè)升壓操作。

    升壓電路中,所使用的IC 為SX1308。SX1308 是一款常用的貼片升壓IC,采用SOT23-6封裝,其輸入電壓范圍為2~24 V,輸出電壓最高可達(dá)28 V,輸出電流最大為2 A。該升壓IC 的內(nèi)部振蕩頻率可達(dá)1.2 MHz,并且?guī)в羞^(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路。

    LDO 部分采用TPS70933 芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),TPS709系列線性穩(wěn)壓器是設(shè)計(jì)用于功耗敏感類應(yīng)用的超低靜態(tài)電流器件。一個(gè)精密帶隙和誤差放大器在溫度范圍內(nèi)的精度為2%。只有1 μA 的靜態(tài)電流使得此器件成為由電池供電、要求非常小閑置狀態(tài)功率耗散的常開(kāi)系統(tǒng)的理想解決方案。為了增加安全性,該器件還具有熱關(guān)斷、電流限制和反向電流保護(hù)功能。關(guān)斷模式通過(guò)將EN 引腳拉為低電平進(jìn)行使能,該模式的關(guān)斷電流低至150 nA(典型值)。

    因此,上述電壓變換芯片的選型均滿足本套系統(tǒng)所需要的超低功耗、高轉(zhuǎn)化效率、高精度應(yīng)用的需求。

    2.2 微處理器及外圍接口電路

    系統(tǒng)采用MSP430G2553 單片機(jī)作為微處理器,MSP430G2553 是一款具有精簡(jiǎn)指令集(RISC)的混合信號(hào)處理器,具有外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)。微處理器的外圍電路如圖4 所示,包含有復(fù)位電路、串口電路、仿真電路。單片機(jī)供電電壓為3.3V,通過(guò)復(fù)位按鍵實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作,通過(guò)仿真接口進(jìn)行程序下載及仿真調(diào)試。晶振采用單片機(jī)內(nèi)部晶振,為了降低系統(tǒng)功耗,時(shí)鐘主頻設(shè)置為1 MHz。該單片機(jī)有直插式及貼片式封裝,為了縮小電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間,故采用貼片式單片機(jī)。

    圖4 微處理器及外圍接口電路

    2.3 氣象傳感器檢測(cè)電路

    氣象傳感器包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等幾種不同類型的傳感器,其中單片機(jī)通過(guò)I2C 通信協(xié)議采集溫度、濕度、氣壓傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),風(fēng)速、風(fēng)向傳感器數(shù)據(jù)采用內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行采集。

    溫濕度傳感器采用SHTC3 芯片制作,SHTC3是一款低功耗溫濕度傳感器,該器件比前代產(chǎn)品具有更寬電源電壓范圍(1.62~3.6 V)和更高精度(±2%RH、±0.2 °C),實(shí)現(xiàn)了更大的靈活性。該器件專門(mén)針對(duì)消費(fèi)類電子設(shè)備行業(yè),在小巧的外形(2 mm×2 mm×0.75 mm)和高魯棒性之間達(dá)到了最佳平衡并易于處理,同時(shí)極具性價(jià)比吸引力,通信方式是I2C,可以檢測(cè)-40~125 ℃的溫度范圍和0~100%RH的濕度范圍。

    氣壓傳感器采用MS5611-01BA03-50 芯片制作,MS5611-01BA03-50 是一種高分辨率數(shù)字壓力傳感器,具有超低功耗特性,MS5611-01BA 是由壓阻傳感器和傳感器接口組成的集成電路,主要功能是把測(cè)得未得補(bǔ)償模擬氣壓值經(jīng)模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成24位的數(shù)字值輸出,同時(shí)也可以輸出一個(gè)24位的數(shù)字溫度值,高度測(cè)量最大分辨率10 cm,MS5611-01BA 支持SPI和I2C 通信,可以通過(guò)上拉PS引腳(Protocol Select)選擇I2C 協(xié)議,下拉則選擇SPI協(xié)議,MS5611-01BA 的I2C 地址為111011Cx,其中C為CSB 引腳的補(bǔ)碼值(取反)。因?yàn)閭鞲衅鲀?nèi)并沒(méi)有微控制器,所有I2C的命令和SPI是相同的。

    風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器內(nèi)部為一只固定的干簧管和隨風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)的磁鐵,測(cè)量?jī)x器按照干簧管每分鐘吸合的次數(shù)來(lái)計(jì)算風(fēng)速,風(fēng)向傳感器內(nèi)部是一個(gè)360°的滑線電阻器,旋轉(zhuǎn)臂就固定在隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)擺上。不同的風(fēng)向?qū)?yīng)不同的電阻值,測(cè)量電阻就可以知道風(fēng)向。因此,風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用+5 V供電模擬電壓輸出型風(fēng)杯式傳感器,目前常見(jiàn)的風(fēng)速風(fēng)向傳感器供電電壓多采用+12 V 供電串口型,其功耗遠(yuǎn)超+5 V供電的風(fēng)速風(fēng)向傳感器,不符合本系統(tǒng)需求。

    本系統(tǒng)通過(guò)使用MSP430G2553單片機(jī)自帶的模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換功能采集風(fēng)速風(fēng)向輸出電壓值,通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換為風(fēng)速風(fēng)向值,為了保證MSP430G2553單片機(jī)精準(zhǔn)讀取數(shù)據(jù),使用MSP430G2553 單片機(jī)內(nèi)部的參考電壓通道作為風(fēng)速風(fēng)向模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的參考電壓,其不會(huì)受到外界供電源波動(dòng)的影響,相比于將外部供電源作為參考電壓,采集精度更高。MSP430G2553單片機(jī)供電系統(tǒng)采用+3.3 V供電,風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用+5 V供電,因此采用分壓電阻法對(duì)兩者進(jìn)行電壓匹配。氣象傳感器檢測(cè)電路如圖5所示。

    圖5 氣象傳感器檢測(cè)電路硬件設(shè)計(jì)

    2.4 光通信單元電路

    本系統(tǒng)采用光纖通信的方式進(jìn)行信息傳輸,位于桿塔上的發(fā)射端與位于變電站中的接收端均使用一種能雙纖工作的光收發(fā)一體的模塊,該模塊的發(fā)射部分的工作原理是將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TTL 電平,經(jīng)過(guò)激光調(diào)制器調(diào)制后,驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器發(fā)射出攜帶數(shù)據(jù)信息的調(diào)制光信號(hào),為了使激光器驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定,驅(qū)動(dòng)部分一般還具有溫度補(bǔ)償電路及自動(dòng)功率控制(Automatic Power Control,APC)電路。接收部分的工作原理是將接收到的光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),隨后經(jīng)過(guò)前置放大器進(jìn)行信號(hào)放大處理,再通過(guò)低通濾波器及限幅放大器,最終輸出TTL電平信號(hào)。此外,接收部分還具備對(duì)光信號(hào)有無(wú)的檢測(cè)能力,當(dāng)接收光路有光信號(hào)輸入時(shí),將由指示管腳輸出高電平,當(dāng)接收光路無(wú)光信號(hào)輸入時(shí),將由指示管腳輸出低電平。

    光通信單元電路選用3.3 V 供電的TTL 型電光/光電轉(zhuǎn)換光模塊,本系統(tǒng)需要使用光纖供能轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)的電能進(jìn)行供電,因?yàn)楣饫w供能的能量較微弱,因此需要盡可能降低通信模塊的功耗來(lái)盡可能多的為存儲(chǔ)介質(zhì)儲(chǔ)能,故該模塊滿足本系統(tǒng)需求。該光模塊傳輸速率低,上限速率可選,最高可達(dá)2 Mbit/s,適用于2 Mbit/s 以下的電力控制和工業(yè)控制的RS232、RS485 型光電轉(zhuǎn)換設(shè)備,本系統(tǒng)所采集的各類氣象信息所占用的數(shù)據(jù)量均小于2 個(gè)字節(jié),因此滿足本系統(tǒng)的信息傳輸速率帶寬要求。發(fā)射器件工作波長(zhǎng)可分別選用1 310 nm 法布里-珀羅(Fabry-perot,F(xiàn)P)和1 550 nm FP 激光器,滿足光在光纖中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?,能保證桿塔到變電站兩者之間遠(yuǎn)距離傳感信息穩(wěn)定傳輸。

    其接口電路如圖6 所示。單片機(jī)串口與光通信單元的TXD 及RXD 連接,外接3.3 V 供電,傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)20 km,采用單模雙纖FC插拔式接口。

    圖6 光通信單元電路

    使用1 km 電力光纜進(jìn)行測(cè)試,發(fā)送端和接收端均使用USB 轉(zhuǎn)TTL 串口助手進(jìn)行模擬桿塔上的節(jié)點(diǎn)往變電站中監(jiān)測(cè)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),桿塔上節(jié)點(diǎn)發(fā)送2.3;123;1013.1;23.1;45,變電站接收到2.3;123;1013.1;23.1;45,未出現(xiàn)丟包,包內(nèi)數(shù)據(jù)表示風(fēng)速2.3 m/s,風(fēng)向123°,氣壓1 013.1 hPa,溫度23.1 ℃,濕度45%RH。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

    圖7 光通信單元電路測(cè)試圖

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    IAR Systems是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和服務(wù)的供應(yīng)商。提供的產(chǎn)品和服務(wù)涉及嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試的每一個(gè)階段,包括帶有C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和中間件、開(kāi)發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機(jī)建模工具。本系統(tǒng)軟件系統(tǒng)依托IAR For MSP430軟件,采用C 語(yǔ)言進(jìn)行編程,通過(guò)仿真接口進(jìn)行下載和調(diào)試。主要程序流程如圖8 所示。由圖8 可知,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,隨后MCU 檢測(cè)超級(jí)電容兩端供電電壓是否滿足正常工作需求,如果滿足,MCU對(duì)氣象傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并通過(guò)光通信模塊進(jìn)行信息回傳,回傳完成后結(jié)束本次工作任務(wù),系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài),此后周期性喚醒循環(huán)監(jiān)測(cè);如果不滿足,整體系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式,間隔一定時(shí)間檢測(cè)供電是否滿足需求。本系統(tǒng)通過(guò)在軟件中選擇Simulator 進(jìn)行一些邏輯及一般運(yùn)算程序調(diào)試,通過(guò)邏輯分析儀觀察I2C 接口型傳感器的傳輸特性。使用仿真器進(jìn)行硬件仿真可以進(jìn)行實(shí)物單步現(xiàn)象調(diào)試,觀察每一步與流程圖功能是否對(duì)應(yīng),進(jìn)而做出相應(yīng)的改動(dòng)調(diào)整。

    圖8 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

    4 系統(tǒng)測(cè)試

    選取某110 kV架空輸電線路對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行安裝調(diào)試,輸電線路桿塔上安裝兩套裝置,每套裝置所采集的傳感信息為溫濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向,所采用的OPGW光纜單纖雙向平均衰減系數(shù)(1 550 nm/1 310 nm)分別為0.21 dB/km 及0.35 dB/km,其中變電站距離桿塔1 的距離為1 km,距離桿塔2 為9 km,兩套裝置分別安裝在兩根桿塔上,實(shí)驗(yàn)條件如表1 所示,測(cè)試結(jié)果如表2 所示。從表2 可以得出,架空輸電線路氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)電力光纜穩(wěn)定供能,并周期性采集回傳傳感數(shù)據(jù)。

    表1 試驗(yàn)條件

    表2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

    本方案與常規(guī)在線氣象監(jiān)測(cè)方案相比,每個(gè)監(jiān)測(cè)裝置無(wú)須辦理運(yùn)營(yíng)商的流量卡套餐,由于使用超級(jí)電容作為本系統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì),超級(jí)電容的充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)50 萬(wàn)次,而常規(guī)在線氣象監(jiān)測(cè)方案所使用的蓄電池多為鋰電池,一般不超過(guò)1 000 次,鋰電池的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于超級(jí)電容的價(jià)格,常規(guī)的在線氣象監(jiān)測(cè)方案一般壽命在2~3年,本方案按照10 min回傳一次數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)裝置可用9 年,大大節(jié)約后期裝置維護(hù)成本。

    5 結(jié)語(yǔ)

    提出一種基于光纖供能技術(shù)的架空輸電線路氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)電網(wǎng)公司已鋪設(shè)好的OPGW 電力復(fù)合光纜中的一根單模光纖為氣象監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)供能,并通過(guò)另一根單模光纖將傳感器信息回傳分析,從供能及通信兩個(gè)方面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便實(shí)用,可靠性強(qiáng),能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,數(shù)據(jù)傳輸安全可靠,為光纖傳能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了參考,氣象傳感信息的獲取分析也為后續(xù)覆冰、大風(fēng)觀測(cè)等監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。

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