王佳盟，趙隆，朱文衛(wèi)，袁鵬

(1. 西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510600；3. 陜西倚云惟精新能源科技有限公司，陜西 西安 712000)

輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，在外界條件的作用下，特別是近年來(lái)極端氣候條件的影響下，由線路安全隱患導(dǎo)致的事故頻頻發(fā)生，給其維護(hù)工作帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。沿海地區(qū)為了消除臺(tái)風(fēng)對(duì)輸電線路的威脅，開(kāi)始逐漸應(yīng)用新型防風(fēng)導(dǎo)線[2-3]，盡管這類導(dǎo)線能夠減弱風(fēng)的影響，但仍會(huì)存在舞動(dòng)現(xiàn)象。另一方面，用戶用電量激增以及線路負(fù)荷不斷增大，導(dǎo)致導(dǎo)線溫度升高，高溫天氣進(jìn)一步引起導(dǎo)線發(fā)熱，造成導(dǎo)線弧垂增大[4]，帶來(lái)新的隱患。導(dǎo)線舞動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，桿塔塔身晃動(dòng)，耐張塔變形，金具受損，線路頻繁跳閘[5-6]?；〈惯^(guò)大則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線閃絡(luò)和斷線，甚至令桿塔倒塌。因此，開(kāi)展舞動(dòng)和弧垂監(jiān)測(cè)技術(shù)研究十分必要。

舞動(dòng)和弧垂分別表征輸電線路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)特性。對(duì)于舞動(dòng)監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)最早從2005年就開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作[7]。早期舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)采用加速度傳感器(如在導(dǎo)線中間布置5～7個(gè)加速度傳感器，通過(guò)無(wú)線組網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸)測(cè)量導(dǎo)線振動(dòng)加速度，通過(guò)加速度積分得到舞動(dòng)幅值，以此衡量導(dǎo)線舞動(dòng)的嚴(yán)重程度[8]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，原有的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(global system for mobile communications，GSM)或射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency identification，RFID)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求，而采用改進(jìn)型ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器之間的通信，能夠避免數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象的發(fā)生[9]。然而，使用加速度測(cè)量舞動(dòng)，始終存在導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的誤差；因此，一種基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的方案逐步被應(yīng)用到輸電線路舞動(dòng)測(cè)量中[10]。該方案考慮了導(dǎo)線自激振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的舞動(dòng)，利用加速度、角速度等數(shù)據(jù)解析出導(dǎo)線的實(shí)時(shí)姿態(tài)，提升了傳感器舞動(dòng)監(jiān)測(cè)方案的精確度。盡管慣性導(dǎo)航技術(shù)能夠大大降低扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的誤差，但由于傳感器安裝初始誤差、積分誤差等客觀因素存在，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行仍然會(huì)造成誤差累積。使用視頻圖像分析的技術(shù)，可以從客觀角度抓取導(dǎo)線舞動(dòng)的形態(tài)(例如逐幀捕獲圖像)，通過(guò)頻譜分析得到具體的舞動(dòng)幅值[11-12]，但是視頻監(jiān)測(cè)存在因安裝位置和地形條件不同導(dǎo)致的有時(shí)無(wú)法觀察導(dǎo)線全貌的現(xiàn)象[13]。如果能夠獲取導(dǎo)線上幾個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)空間位置，就可以進(jìn)一步規(guī)避設(shè)備安裝、理論計(jì)算等多方面因素造成的誤差。

對(duì)于弧垂監(jiān)測(cè)，早期采用的是傳感器測(cè)量懸掛點(diǎn)偏移角度和偏移距離的方案[14]，利用測(cè)量出的二維數(shù)據(jù)構(gòu)建導(dǎo)線在空間的理論模型，繼而推算出具體的弧垂值。例如基于張力和傾角傳感器設(shè)計(jì)出的輸電導(dǎo)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[15]，根據(jù)實(shí)時(shí)張力和傾角數(shù)據(jù)，直接通過(guò)理論計(jì)算得出任意點(diǎn)的弧垂值。但隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加，計(jì)算值和實(shí)際值的誤差逐漸增大，單從力學(xué)角度分析弧垂已經(jīng)不能解決實(shí)際問(wèn)題，有學(xué)者建議考慮溫度對(duì)弧垂的影響，重點(diǎn)分析現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期安裝傳感器的歷史數(shù)據(jù)，提出合理的減小誤差的改進(jìn)措施[16]。與舞動(dòng)監(jiān)測(cè)相似，弧垂作為可以直接觀測(cè)到的現(xiàn)象，可以使用圖像觀測(cè)方法避開(kāi)傳感器自身和理論模型帶來(lái)的誤差，如對(duì)遠(yuǎn)處導(dǎo)線所在平面建立坐標(biāo)系，利用遠(yuǎn)程觀測(cè)或測(cè)距設(shè)備測(cè)量導(dǎo)線弧垂[17-18]；但這些視頻圖像技術(shù)應(yīng)用的局限性也很明顯，在復(fù)雜地貌下無(wú)法整體監(jiān)視輸電線路。弧垂監(jiān)測(cè)同樣需要一種能夠精準(zhǔn)獲取導(dǎo)線絕對(duì)空間位置的方案。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“北斗系統(tǒng)”)是我國(guó)自主研制的系統(tǒng)，在工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，其短報(bào)文通信功能備受青睞。傳統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)由于通信距離和技術(shù)限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警功能，而北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信使得在偏遠(yuǎn)山區(qū)部署災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)成為可能[19]。由于高精度的差分定位特性，它能夠在電力設(shè)備故障預(yù)警上節(jié)約大量人力，實(shí)時(shí)確定類似輸電桿塔等大型設(shè)備的位移變化[20]。隨著智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的提出，北斗系統(tǒng)在電網(wǎng)運(yùn)維平臺(tái)信息采集和實(shí)時(shí)傳輸方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[21]。反觀導(dǎo)線舞動(dòng)和弧垂監(jiān)測(cè)方面，傳統(tǒng)方法不能即時(shí)獲取導(dǎo)線空間位置變化量，造成監(jiān)測(cè)誤差不確定和累積，而使用北斗系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)通信工具，能夠避開(kāi)各種不利因素的影響。基于此，本文提出利用空間定位中的北斗定位監(jiān)測(cè)輸電導(dǎo)線運(yùn)行狀態(tài)的方法，從整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)出發(fā)，分析舞動(dòng)和弧垂的理論模型，給出系統(tǒng)在硬件和軟件上的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，并詳細(xì)闡述了整個(gè)方案。

1 導(dǎo)線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框架

基于北斗系統(tǒng)進(jìn)行空間定位的輸電導(dǎo)線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、監(jiān)測(cè)主機(jī)和上位機(jī)軟件組成。其中，傳感器安裝在輸電導(dǎo)線上，中間位置的傳感器主要用于測(cè)量弧垂，整體用于測(cè)量舞動(dòng)數(shù)據(jù)，它們將數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到安裝在鐵塔側(cè)架上的監(jiān)測(cè)主機(jī)，最終數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控后臺(tái)，進(jìn)行集中分析和處理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 北斗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 弧垂計(jì)算原理

導(dǎo)線弧垂通常是由數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出的。在輸電線路監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，計(jì)算弧垂的方法和工具有許多，但往往無(wú)法滿足精度要求高場(chǎng)合的需求。在一般情況下，針對(duì)單根導(dǎo)線的情況，拋物線和懸鏈線模型是公認(rèn)的2種最可靠的數(shù)學(xué)模型[22-23]，其中最準(zhǔn)確的模型是懸鏈線模型。

圖2所示為導(dǎo)線的弧垂懸鏈線模型，圖中fex和fmid分別為輸電導(dǎo)線的弧垂極值和中點(diǎn)弧垂。

圖2 導(dǎo)線弧垂懸鏈線模型

通過(guò)建立直角坐標(biāo)系可以得到以下結(jié)論：

(1)

式中：x、y分別為導(dǎo)線上某點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)位置；w、h、g為常數(shù)，決定模型形狀。

圖2中一般情況下認(rèn)為fex和fmid是相等的，所以可以將A、B這2個(gè)端點(diǎn)連接起來(lái)的直線表示為

(2)

弧垂是指輸電線路2個(gè)相鄰端點(diǎn)的連線與輸電導(dǎo)線之間的垂直距離，由直角坐標(biāo)系中的線段相對(duì)位置可以看出，弧垂fr即為yL與y之間的距離，計(jì)算如下：

(3)

根據(jù)以上分析，通過(guò)計(jì)算導(dǎo)線上的點(diǎn)與連接導(dǎo)線端點(diǎn)的直線之間的距離，就能得到所需要監(jiān)測(cè)的弧垂值。

1.3 舞動(dòng)計(jì)算原理

舞動(dòng)是比較復(fù)雜的、逐步形成的導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)，多發(fā)生在覆冰導(dǎo)線上[24]。以導(dǎo)線上安裝1個(gè)傳感器為例，如圖3所示。假設(shè)虛線部分為t1時(shí)刻導(dǎo)線的起始位置，實(shí)線部分為t2時(shí)刻導(dǎo)線受風(fēng)作用下舞動(dòng)到達(dá)的位置，裝置會(huì)伴隨導(dǎo)線舞動(dòng)在此時(shí)段產(chǎn)生各方向上的位移，而通過(guò)對(duì)裝置北斗定位的三維數(shù)據(jù)變化能夠間接獲取t1—t2時(shí)間段內(nèi)導(dǎo)線位移量變化的具體數(shù)值，結(jié)合導(dǎo)線弧垂數(shù)據(jù)可以精確計(jì)算舞動(dòng)幅值[25]，計(jì)算公式如下：

圖3 導(dǎo)線舞動(dòng)分析模型

(4)

式中：Hmax為導(dǎo)線舞動(dòng)最大幅值；fi,max、fi,min分別為舞動(dòng)最大弧垂和最小弧垂；n為總數(shù)據(jù)量。

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 北斗定位原理

北斗定位系統(tǒng)由地面控制中心、太空中的衛(wèi)星和用戶端3部分組成[26]。地面中心站主要用來(lái)處理衛(wèi)星的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，能夠及時(shí)調(diào)整衛(wèi)星；衛(wèi)星部分由3顆同步衛(wèi)星組成，其中2顆負(fù)責(zé)主要工作；用戶端為用戶使用的設(shè)備，用于接收衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)。

北斗定位原理為雙星定位，其原理如圖4所示。

圖4 北斗定位原理示意圖

同步軌道上的衛(wèi)星接收到地面中心站發(fā)送的請(qǐng)求信號(hào)后，會(huì)在空間坐標(biāo)下分別構(gòu)造出2個(gè)與用戶端相接的虛擬球面，球面的交界處即為用戶所在的實(shí)際位置。衛(wèi)星將位置數(shù)據(jù)發(fā)送給中心站，地面中心站均配有高精度的電子地圖，利用數(shù)學(xué)算法計(jì)算衛(wèi)星返回的位置數(shù)據(jù)并迅速確定用戶端的絕對(duì)空間位置。

2.2 傳感器總體設(shè)計(jì)

整個(gè)傳感器由電源模塊、控制模塊和通信模塊3部分組成，具體硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。電源模塊包含互感器、鋰電池和調(diào)壓電路，能夠?yàn)檎麄€(gè)傳感器提供電能；控制模塊為STM32L052微處理器；通信模塊包含LoRa模塊和北斗模塊，其中LoRa模塊用于傳感器和主機(jī)之間的近距離通信，北斗模塊用于傳感器和衛(wèi)星之間的遠(yuǎn)距離通信。

圖5 傳感器硬件結(jié)構(gòu)

在整個(gè)傳感器的運(yùn)行過(guò)程中，北斗模塊通過(guò)與衛(wèi)星之間通信獲取傳感器的具體空間位置變化信息，再將位置信息發(fā)送給微處理器，微處理器通過(guò)傳感器的LoRa模塊與監(jiān)測(cè)主機(jī)的LoRa模塊之間的通信將接收到的位置信息發(fā)送給監(jiān)測(cè)主機(jī)。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

傳感器電源模塊分為2部分。第1部分是電流互感器取能模塊，由于傳感器被安裝在高壓輸電線上，不便于定期更換，經(jīng)過(guò)各種方案篩選，決定使用技術(shù)比較成熟的互感取能手段取電，如圖6所示。其原理為電磁感應(yīng)，在高壓線路運(yùn)行中，電流互感器的高壓側(cè)流過(guò)電流，這時(shí)低壓側(cè)會(huì)感應(yīng)出電流，由于電流為交流電流，需要經(jīng)過(guò)整流才能為鋰電池供電，所以取能模塊中存在整流電路。

圖6 電流互感器取能原理

第2部分是降壓穩(wěn)壓電路模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。由于無(wú)線模塊所需的工作電壓不同，需要降壓處理取能模塊收集到的電能才能滿足傳感器裝置內(nèi)不同模塊的供電需求，所以設(shè)置了不同的穩(wěn)壓電路，12 V電壓經(jīng)過(guò)CJ7805穩(wěn)壓芯片降壓為5 V，再由SPX3819M5-L-3-3芯片將5 V降壓至3.3 V。5 V穩(wěn)壓電路中芯片的輸出端分別并聯(lián)0.1 μF和100 μF的電容，3.3 V穩(wěn)壓電路中的輸出側(cè)也接入200 μF和0.1 μF的電容，目的是過(guò)濾雜波，使電壓波動(dòng)保持在一個(gè)很小范圍之內(nèi)。

圖7 降壓穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)框圖

電源模塊設(shè)計(jì)完成后，對(duì)傳感器模塊進(jìn)行多次上電實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證模塊的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖8所示。電源模塊被放置在傳感器殼體內(nèi)部，通過(guò)對(duì)輸電導(dǎo)線反復(fù)加壓，傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好，可以通過(guò)儀器檢測(cè)到內(nèi)部還未初始化的通信模塊和控制模塊供電電壓穩(wěn)定，證實(shí)了方案的可行性。

圖8 電源模塊現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.4 通信模塊設(shè)計(jì)

傳感器通信模塊分為L(zhǎng)oRa模塊和北斗模塊2部分。系統(tǒng)選用的LoRa模塊是億佰特公司研發(fā)的E32-433T20S2T，其使用的LoRa擴(kuò)頻技術(shù)大大提高了模塊的靈敏度和抗干擾能力。模塊和微處理器通過(guò)串口連接，具體表現(xiàn)為RXD引腳和串口的USART_TX引腳連接，TXD引腳和串口的USART_RX引腳連接，2個(gè)模塊設(shè)置相同的波特率，以保證傳感器的數(shù)據(jù)正確傳輸。LoRa模塊的電路部分如圖9所示。

圖9 LoRa模塊電路圖

北斗模塊為千尋公司推出的UM220-Ⅲ，作為系統(tǒng)的核心部件，其采用的差分定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)導(dǎo)線厘米級(jí)別的精確定位，繼而解算出有關(guān)導(dǎo)線舞動(dòng)和弧垂的各方向位移數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，北斗模塊使系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)誤差明顯低于GB/T 35697—2017《架空輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置通用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的監(jiān)測(cè)誤差標(biāo)準(zhǔn)。在硬件連接上，其同樣通過(guò)串口與微處理器連接，如圖10所示。

圖10 北斗模塊電路圖

模塊在與傳感器的連接中很容易出現(xiàn)問(wèn)題，甚至導(dǎo)致通信失敗，因此需要通過(guò)串口調(diào)試助手軟件對(duì)模塊進(jìn)行調(diào)試，具體步驟為：利用晶體管-晶體管邏輯電路(transistor transistor logic，TTL)轉(zhuǎn)USB的芯片連接電腦和通信模塊，在調(diào)試軟件中輸入命令和接收數(shù)據(jù)，由此判斷模塊是否正常工作。

3 監(jiān)測(cè)主機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)測(cè)主機(jī)由顯示模塊、電源模塊、控制模塊和通信模塊4部分組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖11所示。顯示模塊為L(zhǎng)CD顯示屏，用于顯示傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；通信模塊由LoRa模塊和4G模塊組成，其中LoRa模塊用于主機(jī)和傳感器之間的通信，4G模塊用于主機(jī)和遠(yuǎn)端監(jiān)控中心之間的通信；控制模塊和電源模塊的組成與傳感器部分基本相同。

圖11 主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

在監(jiān)測(cè)主機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，控制模塊會(huì)調(diào)用LoRa模塊接收傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，再將各類數(shù)據(jù)傳輸給顯示模塊，之后LCD顯示屏將數(shù)據(jù)以列表的形式分類顯示，同時(shí)控制模塊將這些數(shù)據(jù)通過(guò)4G通信模塊發(fā)送給監(jiān)控中心的上位機(jī)，供后期數(shù)據(jù)處理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

主機(jī)與傳感器在電源模塊上的結(jié)構(gòu)基本相同，但供電部分的設(shè)計(jì)存在差異。由于監(jiān)測(cè)主機(jī)被放置在鐵塔的塔架上，互感取能方案無(wú)法滿足工作要求，考慮到鐵塔周圍比較空曠，采光性較好，使用太陽(yáng)能板和蓄電池搭配更能滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的需求。主機(jī)電源模塊的設(shè)計(jì)框圖如圖12所示。

圖12 主機(jī)電源模塊設(shè)計(jì)框圖

太陽(yáng)能板通過(guò)光電效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)控制器給12 V的蓄電池充電，控制器主要起到控制電壓和穩(wěn)壓的作用。輸出部分留提供5 V和3.3 V 這2種等級(jí)的供電電壓，LM2596S-5.0穩(wěn)壓芯片先將12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，再采用與傳感器模塊相同的SPX3819M5-L-3-3芯片將5V電壓降至3.3 V，電路輸出端同樣并聯(lián)了濾波電容，保證供電電壓的穩(wěn)定性。

3.3 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊包括LoRa模塊和4G模塊2部分。LoRa模塊為傳感器模塊的配套模塊，保證近距離通信的穩(wěn)定性；在與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)距離通信模塊選擇上，較早的方案都采用GSM、3G等前幾代通信技術(shù)，通信信號(hào)穩(wěn)定但傳輸速率較慢，最新的5G通信技術(shù)存在功耗較高的問(wèn)題，最終選用4G模塊作為監(jiān)測(cè)主機(jī)和監(jiān)測(cè)后臺(tái)的通信媒介。2個(gè)模塊均采用了串口通信的原理，保證信號(hào)能夠有效接收和發(fā)送。

LoRa模塊與微處理器的連接類似傳感器設(shè)計(jì)部分。4G模塊USR-LTE-7S4同樣提供串口接口，與微處理器的連接也采用TXD與RXD交叉連接的方式，LINK引腳為輸出控制引腳，可以及時(shí)了解網(wǎng)絡(luò)的連接狀況，通常連接在微處理器的任意I/O引腳上，處理器可以直接讀取電平狀態(tài)。4G通信模塊接線如圖13所示。

圖13 4G通信模塊電路圖

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的組成部分，決定著系統(tǒng)內(nèi)各模塊的運(yùn)行邏輯。從總體設(shè)計(jì)方案可以看出，數(shù)據(jù)從傳感器模塊產(chǎn)生，被發(fā)送到監(jiān)測(cè)主機(jī)，再進(jìn)行后續(xù)處理。系統(tǒng)整體軟件流程如圖14所示。

圖14 系統(tǒng)整體軟件流程

傳感器部分程序的執(zhí)行過(guò)程如下：首先進(jìn)行各模塊的初始化工作，包括STM32處理器時(shí)鐘初始化、I/O初始化、串口初始化和傳感器模塊初始化等，具體的初始化過(guò)程通過(guò)調(diào)用子函數(shù)實(shí)現(xiàn)；初始化結(jié)束后，傳感器按照設(shè)定的延時(shí)程序等待一段時(shí)間，到達(dá)采集時(shí)間后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，之后這些數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)設(shè)的校驗(yàn)程序確認(rèn)無(wú)誤后由LoRa模塊發(fā)送，若數(shù)據(jù)不完全或者成功發(fā)送，傳感器會(huì)回到等待指令的狀態(tài)，等待下一輪采集任務(wù)。

監(jiān)測(cè)主機(jī)部分程序的執(zhí)行過(guò)程如下：先進(jìn)行各模塊初始化工作，主機(jī)按照指令等待一段時(shí)間，再接收傳感器LoRa模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，若接收有誤，會(huì)回到等待指令的狀態(tài)，若接收成功，傳感器的定位和計(jì)算數(shù)據(jù)將會(huì)被主機(jī)的LCD模塊分類顯示，以便工作人員確認(rèn)系統(tǒng)的通信和工作狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)同時(shí)會(huì)通過(guò)4G模塊被遠(yuǎn)程發(fā)送給監(jiān)控后臺(tái)，供后續(xù)故障預(yù)警和數(shù)據(jù)分析。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于廣東省陽(yáng)江市某500 kV線路。陽(yáng)江市地處廣東省西南沿海，其500 kV電網(wǎng)是廣東省電力網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，與“西電東送”密切相關(guān)，本次監(jiān)測(cè)的目標(biāo)線路處于粵西地區(qū)的重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域。由于該地區(qū)河流密布，天然落差大，極易發(fā)生各種自然災(zāi)害，且常年遭受臺(tái)風(fēng)等極端天氣的破壞，監(jiān)測(cè)輸電線路的舞動(dòng)和弧垂十分必要。

在施工現(xiàn)場(chǎng)，傳感器被逐個(gè)安裝在鋁包鋼芯的鋁絞導(dǎo)線上，導(dǎo)線型號(hào)為JL/LB20A-630/45，安裝位置如圖15所示。監(jiān)測(cè)主機(jī)被固定在安裝傳感器導(dǎo)線附近的鐵塔上，圖16所示為主機(jī)的通信天線和太陽(yáng)能板在塔架上的具體安裝位置。

圖15 傳感器實(shí)物安裝位置

圖16 主機(jī)部件安裝位置

系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)主機(jī)將傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給安裝上位機(jī)軟件的監(jiān)控中心，工作人員通過(guò)查看后臺(tái)界面來(lái)判斷線路的具體運(yùn)行狀況，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的后臺(tái)界面如圖17所示。圖18所示為2021年10月23日0時(shí)至1時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)每隔5 min采集1次。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，輸電線路正常運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)線在風(fēng)的激勵(lì)下發(fā)生位移變化，產(chǎn)生弧垂值改變和輕微舞動(dòng)現(xiàn)象，這些值都處在安全范圍內(nèi)。在異常情況下，數(shù)據(jù)曲線發(fā)生明顯變化，這時(shí)就可以通過(guò)應(yīng)急處理快速規(guī)避導(dǎo)線安全事故的發(fā)生。

圖17 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)

圖18 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本文將空間定位技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)分析目前輸電導(dǎo)線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案遇到的典型問(wèn)題(例如傳感器監(jiān)測(cè)法中導(dǎo)線自身存在的扭轉(zhuǎn)誤差、圖像監(jiān)測(cè)法中存在的難以觀測(cè)導(dǎo)線全貌等)，給出利用絕對(duì)空間位置定位導(dǎo)線的新型解決方案。通過(guò)北斗系統(tǒng)擴(kuò)展出導(dǎo)線空間位置的精確信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控輸電線路舞動(dòng)和弧垂各項(xiàng)參數(shù)。

從設(shè)計(jì)方案的理論分析可以看出，在輸電導(dǎo)線的在線監(jiān)測(cè)方面，早期采用外在力學(xué)分析方法來(lái)探究舞動(dòng)和弧垂現(xiàn)象，但往往忽視線路自身的絕對(duì)空間位置這個(gè)重要參量。而利用目前日趨成熟的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為輔助工具，設(shè)計(jì)新的監(jiān)測(cè)方案，可為解決輸電線路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)問(wèn)題提供新思路。

本方案利用STM32微處理器的高處理性能、低功耗和多片外資源優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了完整的數(shù)據(jù)處理和通信流程，又借由互感取能，保證了系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)導(dǎo)線運(yùn)行的多參量數(shù)據(jù)，可極大提高導(dǎo)線舞動(dòng)和弧垂的監(jiān)控和預(yù)警能力，在一定程度上防止意外事故的發(fā)生。