王亚峰

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

浅议输电线路导线风偏监测装置的设计

王亚峰

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

提出输电线路风偏在线监测装置，同时采集绝缘子串高压侧和低压侧的风偏角、偏斜角等参数，低压侧的风偏传感器通过RS845总线与杆塔分机进行通信。

绝缘子串；风偏；在线监测

引言

高压侧的风偏传感器组建基于ZigBee的无线网络，实现数据的传输。杆塔监测分机安装在杆塔上，实时监测绝缘子串风偏角以及周围环境气象参数，并对采集到的数据进行误差分析、预处理，然后通过绝缘子风偏计算模型，计算出导线距离杆塔的电气间隙等，最后将风偏角、偏斜角、电气间隙及气象参数通过GPRS/CDMA/3G/WiFi/光纤等方式上传给状态监测代理(CMA)，CMA将数据信息进行汇总处理发送至监控中心(CAG)，监控中心专家软件最后对收集到的数据进行分析、存储，以图形化的方式显示给工作人员。

1 总体架构

当导线电气间隙超过安全阈值时，系统可以通过多种方式远程发出告警，及时通知巡线人员排除威胁，确保输电线路的安全可靠运行。输电线路风偏在线监测技术的整体架构见图1。

图1导线风偏在线监测技术架构

2 状态监测装置设计(杆塔分机)

(1)硬件设计：

导线风偏状态监测装置主要用来完成绝缘子串高压侧和低压侧的风偏角、偏斜角的信息以及杆塔周围气象参数的采集，并实现对数据的预处理、存储，同时将进行数据打包，通过GPRS发送CAG。

1)主控制器的概述：随着信息数字技术的快速发展，目前电子市场有很多MCU种类，因此，选择一款性价比高的MCU至关重要，不但能够降低开发成本，而且可以提高设备的性能。本系统采用的微处理器是STM32F103，STM32F103是基于ARM Cortex-M3 内核的 32 位处理器。主频可72MHZ，充分满足数据的处理速度要求，具有128kB的片内Flash程序存储器、20kB的SRAM、3个UART、2个SII端口、2个I2C接口、12位A/D转换器、4个通用定时器，以及4种低功耗模式：空闲、睡眠、掉电和深度掉电，充分满足设备运行在野外条件下的低功耗要求。

2)存储模块：导线风偏在线监测装置为满足国家电网公司的数据存储要求，采用基于SD卡的FAT32文件系统，它的功能结构如图2。通过它访问和操作SD卡上的目录与文件，比如创建目录、创建文件、读取数据、删除文件等,完成数据存储、历史数据查询等功能。SD卡支持两种通信模式：SD方式和SPI方式。SD方式数据传输速率高，但采用六线制，占用资源；SPI方式虽然速率低，然而其操作简单、占用IO少；因此本文采用SPI通信方式。

图2基于SD卡的文件系统

3)ZigBee网络：最近几年来，ZigBee技术得到了迅速发展，其技术特点主要表现为低功耗、短距离、自组网、低成本等，广泛应用于自动控制、远程控制等领域。目前，ZigBee技术发展迅速，拥有很多种类，本文采用TI公司的CC2430射频芯片，以CC2430芯片为核心，设计出无线ZigBee模块，同时为了增加传输距离，设计了板载天线和外部天线。ZigBee模块主要负责绝缘子高压侧双轴倾角传感器与杆塔分机的通信，完成数据的实时传输。

4)GPRS模块：GPRS是一种利用分组交换技术的无线数据传输技术，既具备GSM网络的功能，同时能够更有效的实现传输数据和信令，通过增加GPRS支持节点和服务支持节点来实现高效的无线数据传输。CPU对GPRS的控制主要是通过串口操作实现的，本次设计选择华为公司的GTM900C，操作简单，易于集成。

5)微气象传感器：导线风偏的故障机理十分复杂，不仅涉及许多外界因素，而且还包括许多随机因素，其中一个重要因素就是环境参数的变化。因此，需要不断的采集线路周围的微气象条件，为风偏闪络机理的研究提供准确的信息。本文的气象传感器采用集成多参数测量传感器MULTI-5P型。

6)供电单元：由于导线风偏在线监测装置运行环境的特殊性，取电困难，只能采用太阳能、风电等间歇式电能供给，并通过蓄电池、超级电容等储能部件转化为持续的电能供给，在太阳能充足时，太阳能电池板产生的电能一方面供给在线监测设备使用，另一方面对蓄电池进行充电，在夜晚及阴雨天气则由蓄电池为装置提供电能。图3为输电线路在线监测装置电源的典型结构框图，主要包含发电设备(太阳能电池板、风力发电机等)、控制及储能设备(充放电控制器、蓄电池)、负载设备(在线监测主机、传感器、光纤交换机、WiFi等)三大部分。

图3输电线路在线监测装置供电单元

(2)软件设计

1)计算模型：前面提到的基于角度传感器的线路风偏在线监测，只通过一个角度传感器采集数据，计算模型简单且精度较低。因此，本文提出一种新型的线路风偏计算方法，利用绝缘子高压侧和低压侧的两个倾角，通过一种叠加算法，精确计算出绝缘子串的偏移距离。

本文采用的新型计算方法如下：假设整个绝缘子串的长度为l，当外界条件作用下使得导线发生偏移时，通过低压侧安装的角度传感器采集到最上端绝缘子的风偏角β1，通过高压侧安装的角度传感器采集到最下端绝缘子的风偏角βn。

根据β1和βn，计算出每一片绝缘子的风偏角：

(1-1)

(1-2)

……

(1-3)

最后，根据绝缘子的型号，计算出绝缘子的电气间隙:

d=Lsinβ1+Lsinβ2+Lsinβ3+…+Lsinβn

(1-4)

2)软件设计：算法设计流程首先初始化读取设备ID，判断工作模式，一方面打开低压侧传感器电源，进行低压侧风偏角和微气象数据的采集；另一方面对高压侧ZigBee无线网络下发校时请求，如果校时成功，则进行绝缘子高压侧风偏角数据采集。对采集到的绝缘子串低压侧和高压侧的风偏角、偏斜角数据，采用均值法和数字滤波技术进行数据预处理，通过最小二乘法消除趋势项和直流分量，即得到绝缘子串的风偏角信息。如果偏移距离超出安全的电气间隙范围，则给出告警信息，并返回继续进行下一次风偏角数据的采集；若电气间隙未超出安全范围也返回继续采集数据。

结语

本章主要介绍导线风偏在线监测的方法，给出风偏监测系统的整体结构,详细介绍监测分机的GPRS通信模块、电源模块、气象参数采集模块和存储模块等，仔细阐述杆塔监测分机的硬件设计和软件设计。并且详细介绍了高压侧和低压侧风偏传感器的设计。

[1]黄新波,孙钦东,王小敬,武键,刘家兵.输电线路危险点远程图像监控系统[J]. 高电压技术，2007(08) .

[2]黄新波,孙钦东,程荣贵,张冠军,刘家兵.导线覆冰的力学分析与覆冰在线监测系统[J]. 电力系统自动化，2007(14) .

[3]蒋兴良,马俊,王少华,孙才新,舒立春.输电线路冰害事故及原因分析[J]. 中国电力，2005(11).

A Brief Discussion on the Design of The Transmission Line Conductor Monsoon Monitoring Device

WANG Ya-feng

(Xi'an Aerotechnical Polytechnic College, Xi'an, Shaanxi 710089)

This paper suggests on-line monitoring device, collects parameters for transmission line monsoon collection of insulator string high side and low voltage side wind parameters such as angle and oblique angle. Low voltage side of monsoon sensor communicate with tower extension by RS845 bus.

insulator strings; windage; online monitoring

2016-11-28

王亚峰(1981-)，男，陕西宝鸡人，实验师，硕士。研究方向：机械加工与机械制造、输电线路覆冰受力分析。

TM73

A

1008-8156(2017)01-0062-03

修回日期：2017-01-10