頡　鈺

(山西國峰煤電有限責(zé)任公司，山西 汾陽 032200)

0　引言

隨著全球氣候變化，我國出現(xiàn)極端天氣的次數(shù)明顯增多。電力系統(tǒng)中，大量的架空輸電線路等輸變電設(shè)備長期暴露于大氣環(huán)境之中，其性能的穩(wěn)定性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的運行安全。長期運行經(jīng)驗表明，外部氣象環(huán)境導(dǎo)致的輸變電設(shè)備失效是影響電力系統(tǒng)安全的主要原因之一，因此，對氣象變化進(jìn)行監(jiān)測顯得尤為重要[1-2]。本文設(shè)計了一種遠(yuǎn)程實時局部微氣象監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過氣象傳感器采集被監(jiān)測地區(qū)的風(fēng)速、風(fēng)向、太陽輻射和溫度等環(huán)境信息[3-7]，并由通用分組無線服務(wù)(general packet radio service,GPRS)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時傳送到監(jiān)控中心服務(wù)器，實現(xiàn)了對地區(qū)氣象的自動化監(jiān)測，為分析氣象變化和預(yù)防自然災(zāi)害提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，對保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行、維護(hù)居民的正常生活具有十分重要的意義[8-9]。

1　微氣象監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文設(shè)計的氣象監(jiān)測系統(tǒng)由野外監(jiān)測站和監(jiān)控中心服務(wù)器組成。鑒于黑龍江上游南岸漠河地區(qū)全年氣溫變化顯著，而春季是冰凌災(zāi)害易發(fā)季，對電網(wǎng)運行機(jī)制的影響極大[10]，選擇黑龍江漠河段作為被監(jiān)控地區(qū)更具代表性。系統(tǒng)采集該段的風(fēng)速、風(fēng)向、太陽輻射和溫度信息，將不同傳感器輸出的頻率、電壓和數(shù)字信號通過相應(yīng)的調(diào)理電路變換后輸送給微控制器。微控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其打包并利用GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心由監(jiān)控中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等設(shè)備組成。監(jiān)控中心能對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲和顯示，實現(xiàn)當(dāng)?shù)貧夂蛐畔⒌膶崟r、自動化采集。微氣象監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1　Systematic topology

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的供電方式為：由太陽能電池板向鉛蓄電池充電。系統(tǒng)設(shè)計有同步時鐘，每小時采集一次風(fēng)向、風(fēng)速、太陽輻射、溫度、電池電壓信號，并將數(shù)據(jù)以規(guī)定的格式存儲在本地SD卡中。系統(tǒng)每天采集24組數(shù)據(jù)，并在第二天的10點和17點分別將前一天的24組數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。除采集數(shù)據(jù)的時間點以外，外部傳感器和GPRS模塊都處于斷電狀態(tài)，以降低系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)主要包括控制器電路、信號采集電路、無線數(shù)據(jù)通信電路和電源電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of the system

傳感器主要輸出信號有0～20 mV電壓信號(太陽輻射傳感器)、頻率信號(風(fēng)速傳感器)、0～2.5 V電壓信號(風(fēng)向傳感器)。針對不同的信號，在系統(tǒng)中設(shè)計了相應(yīng)的信號調(diào)理電路，將信號調(diào)理后送入控制器進(jìn)行處理。

2.1　太陽輻射量和溫度信號采集電路

系統(tǒng)采用總輻射表TBQ-2-B作為太陽輻射量采集傳感器。它由快速響應(yīng)的繞線電鍍式熱電堆組成。當(dāng)太陽照射時，感應(yīng)面溫度升高，與另一面的冷節(jié)點形成溫差電動勢。溫差電動勢范圍為0～20 mV。此電壓信號需要放大，以提高A/D測量精度。信號采集放大電路如圖3所示。由太陽輻射強度轉(zhuǎn)化的電壓信號輸入儀表放大器AD623，經(jīng)放大后送入控制器進(jìn)行A/D采集。

圖3　信號采集放大電路Fig.3　The signal acquisitionand amplification circuit

(1)

由式(1)可計算出太陽的輻射量，其單位為W/m2。其中，靈敏度系數(shù)取10.29。

溫度傳感器為DS18B20，具有體積小、抗干擾能力強、精度高等特點。該傳感器便于數(shù)字化讀寫操作，測溫范圍為-55～+125 ℃，能夠滿足漠河地區(qū)氣溫檢測的要求。

2.2　風(fēng)速、風(fēng)向信號采集電路

風(fēng)速傳感器為三杯式回轉(zhuǎn)架，型號為ZQZ-TF，采用12V供電，信號變換電路為霍爾傳感電路。其工作原理是：風(fēng)速傳感器在風(fēng)的作用下，由風(fēng)杯帶動主軸旋轉(zhuǎn)，傳感器輸出12V脈沖信號，脈沖信號的頻率與風(fēng)速呈線性關(guān)系。控制器工作電壓為3.3V，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將脈沖幅值調(diào)整到控制器允許的幅值范圍內(nèi)。該設(shè)計采用TLP521-1進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，能起到隔離作用。風(fēng)速電平信號轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4　風(fēng)速電平信號轉(zhuǎn)換電路Fig.4　The wind speed level signal conversion circuit

風(fēng)速傳感器的頻率信號連接到WS處，通過光耦轉(zhuǎn)換隔離后，得到控制器可以檢測、幅值為3.3 V的頻率信號。風(fēng)速與頻率的函數(shù)關(guān)系為：

V=0.1×f

(2)

式中：V為風(fēng)速，m/s；f為頻率，Hz。

風(fēng)向傳感器采用格雷碼盤以及外部采集電路，傳感器輸出的連續(xù)電壓信號與風(fēng)向角成線性關(guān)系。該傳感器型號為ZQZ-TF，采用12 V供電。輸出電壓信號經(jīng)一級緩沖跟隨電路后，送入控制器進(jìn)行A/D采集。采集過程中，風(fēng)向傳感器每30 s采集一次數(shù)據(jù)，采集5 min，共得到10組數(shù)據(jù)。對10組數(shù)據(jù)求平均，并以其結(jié)果作為該次采集的風(fēng)向數(shù)據(jù)。采集的模擬電壓為0～2.5 V，可線性地對應(yīng)于0～360°風(fēng)向角。風(fēng)向與電壓對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5　風(fēng)向與電壓對應(yīng)關(guān)系圖Fig.5　Relationship between wind direction and voltage

2.3　電源電路

系統(tǒng)中，風(fēng)速、風(fēng)向傳感器的電源為12 V，GPRS模塊的電源為5 V，SD卡和控制器的電源為3.3 V。在系統(tǒng)中設(shè)計了低功耗電源關(guān)斷電路。當(dāng)系統(tǒng)處于低功耗時，可以通過控制器切斷風(fēng)速風(fēng)向傳感器和GPRS無線模塊的電源。電源控制電路如圖6所示?？刂破骼肞型MOS管Si9433控制電源的開斷，其允許通過的最大電流ID為3.5 A，滿足本系統(tǒng)的供電需求。當(dāng)三極管Q6基極為高電平時，MOS管打開，將風(fēng)速傳感器連接到WS12V處，可獲得12 V電源電壓。風(fēng)向傳感器和GPRS模塊也采用同樣的電源控制電路。

圖6　電源控制電路Fig.6　Power supply control circuit

3　軟件設(shè)計

3.1　控制程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

圖7　軟件流程圖Fig.7　Software flowchart

系統(tǒng)采用低功耗、穩(wěn)定可靠的MSP430F149控制器作為主控芯片。主控制器程序編譯環(huán)境為IAR Embedded Workbench。系統(tǒng)軟件主要由以下程序組成：主程序、實時時鐘獲取程序、太陽輻射采集程序、風(fēng)向采集程序、風(fēng)速采集程序、SD卡讀寫文件系統(tǒng)程序、GPRS無線數(shù)據(jù)收發(fā)程序。

3.2　通信軟件部分設(shè)計

數(shù)據(jù)通過GPRS，以TCP/IP協(xié)議傳輸。主控制器將采集到的數(shù)據(jù)和時間打包后，按照通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)協(xié)議格式如表1所示。在接收數(shù)據(jù)的服務(wù)器端，可以按照協(xié)議格式解析數(shù)據(jù)。

表1　數(shù)據(jù)協(xié)議格式Tab.1　Data protocol format

為了滿足監(jiān)控中心的查詢需求，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還規(guī)定了一些特殊的命令格式，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時查詢、歷史查詢等功能。

在設(shè)備穩(wěn)定、可靠運行的基礎(chǔ)上，以Microsoft NET Framework 4.0為開發(fā)平臺，設(shè)計了服務(wù)器軟件；采用Access 2010為后臺數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了完整的軟、硬件結(jié)合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程的接收與存儲，保證了數(shù)據(jù)的可靠獲取。

4　現(xiàn)場應(yīng)用

針對黑龍江漠河地區(qū)氣候變化顯著及春季可能存在的冰凌災(zāi)害，在改變段建立了微氣象檢測站。該監(jiān)測站主要采集風(fēng)速、風(fēng)向、太陽輻射、溫度等氣象數(shù)據(jù)。微氣象采集傳感器掛接在4.5 m高的立桿上。立桿底部采用水泥澆筑，保證了穩(wěn)定性。另外，在立桿上安裝了太陽能光伏板。采集系統(tǒng)白天可以采用光伏板給主機(jī)柜內(nèi)部加熱，提高了設(shè)備抗凍性。系統(tǒng)設(shè)計了低電池電壓報警功能，當(dāng)太陽能充電部分因出現(xiàn)故障而導(dǎo)致鉛蓄電池電壓過低時，系統(tǒng)會向負(fù)責(zé)人發(fā)送短信提示。

微氣象監(jiān)測設(shè)備完成現(xiàn)場安裝后，于2016年12月20日開始首期監(jiān)測，并一直可靠穩(wěn)定運行至今。監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。其中，圖8(a)為2017年1月12日24 h的太陽輻射和溫度值，圖8(b)為相同時間24 h的風(fēng)速和風(fēng)向值。

圖8　監(jiān)測結(jié)果Fig.8　The monitoring results

5　結(jié)束語

本文設(shè)計的微氣象監(jiān)測系統(tǒng)可采集被監(jiān)測地區(qū)的風(fēng)速、風(fēng)向、太陽輻射和溫度信息。該設(shè)計采用GPRS為無線數(shù)據(jù)傳送單元，通過太陽能和鉛蓄電池給系統(tǒng)供電，確保了系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、持久運行。系統(tǒng)以.NET Framework 4.0為開發(fā)平臺、Access 2010為后臺數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了微氣候氣象采集軟件，實現(xiàn)了被監(jiān)控地區(qū)的氣象采集，為電力系統(tǒng)管理人員制定輸電線路管理計劃、預(yù)防極端氣候事件及凌汛災(zāi)害提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。在實際工程應(yīng)用中，系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定，可以保持長期、持續(xù)測量。

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