高壓電力線積雪厚度的實時監測系統*

張秀再 ， 范江棋 ， 杜 蒙 ， 張一波

(1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學 江蘇省氣象傳感網技術工程中心，江蘇 南京 210044)

落雪是美麗的自然景觀，但在高壓電力傳輸線路上是一種嚴重的自然災害，是危輸電線路安全運行的主要問題之一。落雪經常造成輸電線路倒塔(桿)、斷線、金具損壞、絕緣子串閃絡等嚴重事故，甚至電網癱瘓[1]。單片機、傳感器和無線通信等技術的發展為高壓線積雪厚度實時監測系統的設計提供了條件。采用高壓線積雪厚度實時監測系統不僅能夠及時發現高壓線上的積雪危害，還能有效節約人力和財力資源[2]，使得高壓電路監測預警工作顯得更加方便和高效。

本文設計的高壓電力線積雪厚度實時監測系統不僅具備實時監測與報警的功能，而且節能環保，具有很高的實用價值。

1 電力線積雪厚度計算數學模型

[3]已經對利用稱重法原理測量導線積雪厚度的數學模型作了詳細介紹，本文將該數學計算模型應用到所設計的監測系統,實現對積雪厚度的監測。電力線積雪厚度等效模型計算等值積雪厚度的表達式為:

式中，φ為電力線積雪厚度；d為無積雪時電力線外徑；m2為積雪時每米電力線的總質量，可由壓力傳感器的測量壓力數據計算獲得；m1為無積雪時每米電力線的質量；ρ為雪的密度。可以根據測算得到的m2計算出等效電力線均勻積雪厚度。

2 硬件系統結構

高壓電力線積雪厚度實時監測系統的硬件結構框圖如圖1所示。系統中MSP430F149為主控模塊，ST-8057-9非晶硅太陽能電池板為電源模塊,高精度MC33079稱重傳感器為壓力感應模塊,NRF905無線收發器為通信模塊。

圖1 系統結構框圖

3 測量裝置結構

高壓電力線積雪厚度實時監測系統裝置如圖2所示，裝置通過支撐底座⑧上的固定螺絲⑦固定在高壓塔上，太陽能模塊①安裝在連接支架⑨上方，可方便接收太陽能。稱重平臺②放在稱重模塊③上方，中間通過連接支架連接以達到穩定的目的。在連接支架⑨的最右端邊安裝激光報警燈④，當稱重平臺②上的模擬電線上積雪達到所設置的危險值時,激光燈閃爍報警，方便地面人員觀測到危險所在的位置。MSP430主控模塊⑤和無線通信模塊⑥都安裝在支撐底座⑧上，主控模塊和無線通信模塊均有防水、防曬外殼。此外，連接支架⑨采用空心材料以方便布線，稱重平臺為1 m長的相同高壓電線。

4 硬件電路設計

4.1 單片機主控芯片

MSP430是IT公司新開發的一類具有16位總線的帶Flash的單片機,其性價比和集成度較高，并且可以在超低功耗模式下工作,對環境和人體的輻射小,功耗測量結果約為100 mW(電流為14 mA),可靠性好,在強電干擾運行不受影響,適應工業級的運行環境,適合做手柄之類的自動控制的設備。其采用16位的總線,外設和內存統一編址,尋址范圍可達64 KB,還可以外擴展存儲器。具有統一的中斷管理和豐富的片上外圍模塊。

本系統采用MSP430單片機為主控芯片,不僅可以直接利用其內部集成的12位A/D轉換器，還可以使得單片機進入低功耗模式,有效減少功耗[4]。

4.2 壓力感應模塊

圖2 測量裝置結構圖

MC33079高精度稱重傳感器是一種將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化的傳感器元件[5],當積雪覆蓋壓力傳感器的重力導致機械形變，從而使傳感器阻值發生變化，引起電流的變化[6]。壓力感應模塊的信號輸出端與單片機P6.1端口相連，信號由單片機進行內部A/D采樣,單片機根據所測量的壓力值計算出對應的積雪厚度。壓力感應模塊電路如圖3所示。

4.3 通信模塊

通信模塊采用NRF905芯片，該模塊主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的 ISM頻段。芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。非常適合于低功耗、低成本的系統設計。

當主控模塊根據壓力感應模塊所測試的壓力值及計算得到的積雪厚度值有變化時，啟動無線模塊并將最新測算的厚度值發送給監控中心。無線通信模塊電路如圖4所示。

4.4 報警模塊

為了讓地面人員能夠及時準確地觀測到報警信號，采用激光報警模塊，因激光的光束不發散，所以幾公里外都可以看見，激光報警模塊同時也克服了大霧等惡劣天氣的影響。當監測系統所測的積雪最新厚度值超過所設閾值時，則單片機P2.1管腳輸出脈沖信號，使報警燈發出閃爍的激光信號，易于地面工作人員遠距離識別。

圖3 MC33079壓力傳感器電路圖

圖4 通信模塊電路圖

4.5 電源模塊

監測系統采用太陽能供電，太陽能電池模塊可以將太陽能轉換成電能并進行存儲和利用，具有高效、環保、壽命長等特點。在白天陽光充足時，太陽能電池模塊轉換成的電能一部分給主控系統供電，另一部分儲存在鉛蓄電池中[7]，當夜晚或陰雨天氣時，控制系統依然可以正常工作，有效地保證了系統工作的持續性。

5 軟件設計

高壓電力線積雪厚度的實時監測系統運用了MSP430F149單片機作為核心控制部分，通過編程來實現系統功能。主程序流程圖如圖5所示，程序開始時，首先初始化MSP430F149單片機，然后進行積雪厚度的實時監測。

6 實驗結果

系統經過軟硬件的調試及實驗，采用自制接收系統接收并顯示測試結果。實驗中采用混合粉末代替積雪，該混合粉末的密度為積雪的平均密度[8](0.14 g/cm3),監測系統測試的結果與直尺測量結果進行對比。為了提高直尺測試值的準確度，在1 m長的測量平臺上均勻選取10個點測量取平均值,系統共測量10次，實驗測試結果如表1所示。根據表1可知，系統監測的性能較好，積雪厚度測量較為準確。

圖5 主程序流程圖

系統實現了高壓線積雪厚度的實時監測，并將最新的數值通過無線發射模塊發送給監控中心，以便地面工作人員準確地了解高壓線上積雪的危險狀況；當積雪厚度達到所設置閾值時，系統自動發出報警信息。高壓線積雪厚度實時監測系統的應用可以節省大量的人力物力,提高監測效率。系統節能環保，性能穩定，具有一定的現實意義和實用價值。

表1 實驗結果對比

參考文獻

[1]吳勝華.高壓輸電線路抗覆冰技術研究[J].城市建設理論研究,2011,15(8):9-11.

[2]黃新波，孫欽東.基于GSM SMS的輸電線路覆冰在線監測系統[J].電氣自動化設備學報,2008,28(5)：10-11.

[3]張予.架空輸電線路導線覆冰在線監測系統[J].高電壓技術,2008,34(9):1992-1995.

[4]冒曉莉，楊博，楊靜秋,等.基于MSP430單片機的節能型數字調頻發射機[J].電子技術應用,2013,39(5):138-140.

[5]凌永發，王杰.壓力傳感器的選擇與應用[J].云南民族學院學報,2003，13(6):15-18.

[6]王化強.傳感器原理及應用[M].天津：天津大學出版社,2007.

[7]何道清,何濤.太陽能光伏發電系統原理與應用技術[M].北京：化學工業出版社,2012.

[8]楊大慶，張寅生，張志忠.烏魯木齊河源雪密度觀測研究[J].地理學報，1992,47(3)：260-266.