輸電線路智能微氣象站在線監測儀的設計

李佳奇，李學斌，趙義松

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

專論

輸電線路智能微氣象站在線監測儀的設計

李佳奇，李學斌，趙義松

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

針對現有輸電線路機械式微氣象采集系統的缺陷，研究并開發了以低功耗控制器為核心的微氣象在線監測儀。該在線監測儀采用AVR單片機，利用超聲波方式實現了風速風向的采集，且引入溫度補償技術，輔以地磁角校正技術，達到了輸電線路風速風向準確監測的效果。GPS定位技術可以使測試結果更加準確。該微氣象在線監測儀精度高，無需復雜的維護，安裝簡易，因此可廣泛應用在各類輸電線路在線監測的現場。

輸電線路；在線監測；風速測試；風向測試；超聲波

輸電線路的安全穩定運行受到多方面因素的制約。實時監測溫度、濕度、風速、風向、光照度等數據，并作出合理的分析，特別是針對北方輸電線路容易發生覆冰，及時制定相應的預案，可以大大提高線路運行的穩定性，保障電網安全。傳統風速風向檢測儀采用機械結構完成測試，安裝施工繁瑣且機械式結構存在磨損情況，需要定期更換。安裝施工時需要安裝人員完成正北方向的標定，考慮安裝人員的技術水平不同，無法保證安裝的準確性［1］。

信息的飛速發展帶來了輸電線路在線監測的變革。可在輸電線路微氣象監測領域引入處理器，輔以超聲波測試技術達到輸電線路風偏在線監測的目的。溫濕度和超聲波風偏監測均不需要任何機械測試元件，因此測量精度大大提高。引入電子羅盤實現智能地磁角方向的判斷，解決了施工時重復確定正北方向的難題，減輕了安裝施工人員的負擔。超聲波聲速根據溫度采集結果進行非線性修正，增加了測試結果的可信度。GPS定位可以使線路位置結果更加直觀。將以上數據綜合分析后，采用無線通信方式實時發送給控制中心，調控中心可及時了解現場工況，并對各類預警信息作出分析判斷，必要時采取相應措施進行處理。該研究和應用具有良好的經濟價值和市場前景。

1 超聲波風速風向監測基本原理

風速風向的判斷以時差法作為理論依據。測試原理圖如圖1所示，設S為超聲波發射探頭到超聲波接收探頭的距離，X為2只傳感器的直線距離［2］。

令Tab為超聲波信號從a探頭發出到b探頭接收，順風氣流消耗的時間，Tba為超聲波信號從b探頭發出到a探頭接收，逆風氣流消耗的時間。可得：

圖1 超聲波風速風向監測原理模型

式中：C為標準聲速，m／s；v為實際風速，m／s。

根據公式（1）、（2），得到該方向風速為

假設當前風速為V，在x，y坐標軸投影分量分別是Vx，Vy，則［3］：

2 輸電線路智能微氣象在線監測儀硬件設計

精確測試出Tab和Tba后，就可以利用時差法進行風速測試。本設計采用8位低功耗AVR處理器完成微氣象站的設計［4］。該處理器具備功耗低、外設多等優點，很好地實現了需要的功能。

智能微氣象站系統電路部分由超聲波發射／接收模塊、微計算機模塊、地磁角校正模塊、GPRS數傳模塊和測溫補償模塊組成，系統硬件框圖如圖2所示。

2.1 超聲波風速風向測試設計

超聲波風速風向測試過程如下：

a.控制探頭A發射信號，探頭B接收信號；

圖2 輸電線路智能微氣象在線監測儀硬件框圖

b.控制探頭B發射信號，探頭A接收信號；

c.控制探頭C發射信號，探頭D接收信號；

d.控制探頭D發射信號，探頭C接收信號。

上述4個步驟分時循環進行，實現二維軸方向的超聲波信號風速風向探測［5］。

2.2 超聲波發射電路設計

系統引入了TCRT40形式超聲波探頭，為了簡化電路設計，脈沖波利用單片機的內部定時器產生，并在驅動端產生超聲脈沖信號。驅動器采用74HC04構成的5個反相器，形成相位差為180°的脈沖，以提高信號的發射功率。超聲波發射電路如圖3所示。

圖3 超聲波發射電路圖

2.3 超聲波接收電路設計

系統采用CX20106一體化濾波放大芯片，實現了超聲信號的檢波，以濾除無用的干擾信號。超聲波接收電路如圖4所示。

2.4 地磁角智能校正模塊

根據公式（6）確定風向與正北方向夾角，而依據人工方式來判斷定標方向不但耗時耗力，且極易引入數據誤差。本智能微氣象站提出利用電子指南針模塊進行地磁角的測試，實際風向由軟件進行后期處理，同時加入地理信息模塊達到GPS定位的效果，最終使得整機的安裝調試得到大大簡化。

2.5 GPRS無線數傳模塊

圖4 超聲波接收電路圖

采集并處理后的溫濕度、風力、風向以及光照度數據，打包后通過3G無線數傳方式發送給主控室。采用無線方式，不僅提高了數據的可靠性，也很好地解決了有線通信在現場布線施工量大，周期長的窘境。為了降低功耗，增加測試時間，系統采用太陽能電池板充電加鋰電池后備供電，根據實際情況定時上傳數據包，采用格式為電力行業規范的IEC61850協議標準數據包。不采集數據時整機進入休眠模式，功耗小于10 μA。

2.6 溫度補償模塊

由于聲速受到溫度影響，需要進行溫度測試，以達到對聲速修正的目的。采用廣泛應用的熱敏電阻和單片機接口，電路簡單且滿足測試需要。聲速和溫度的關系式如下：

式中：T為環境實際溫度，℃；C為實際聲速，m／s。

配合聲速補償公式，能使測試精度進一步提高。

3 智能微氣象站監測儀軟件設計

開機后整機進行初始化，之后單片機驅動超聲發射探頭發出6個超聲信號，并打開單片機內部定時器T0進行時間統計。若單片機判斷接收探頭收到超聲信號，則立即暫停定時器T0，并將結果存入對應的RAM單元。A探頭發射，B探頭接收，得到時間Tab；然后由B探頭發射，A探頭接收，得到時間Tba。用同樣的方法測試出Tcd、Tdc。再由式（5）～（7）進行軟件分析，最后將所有數據進行打包，通過無線方式模塊上傳主控中心。系統工作軟件流程圖如圖5所示。

4 智能微氣象站測試試驗與誤差分析

圖5 智能微氣象站監測儀軟件設計流程圖

為了模擬現場效果，使用風扇產生恒定風速，采用0.5 m／s精度的機械式風速儀作為校準儀器完成標定，于20℃室溫環境中測試，結果如表1所示。

表1 試驗數據

通過試驗發現，測試儀和標準校準儀都有0.3 m／s數據波動的情況，可近似推出兩者的精度相同。隨著風速趨近于零，風向隨機變化，通過理論研究歸結為測試白噪聲。方向角的測試結果伴隨著風速的提升而接近實際數值。

5 結束語

根據超聲波傳播特性，完成了智能微氣象站超聲波風速風向儀的數學模型，并且以AVR微功耗處理器設計了風速風向測試儀，通過軟件模塊化設計與溫度修正，最終實現了對輸電線路風速風向的精確測量，實現對設備狀態的動態評價和在線測試。該系統維護費用低，有較高的經濟價值與應用前景。

［1］韓洪剛，李學斌.“大檢修”體系下狀態檢修技術支撐力量的建設［J］.東北電力技術，2013，34（3）：23－26.

［2］楊理踐，李佳奇，高松巍.基于虛擬儀器的天然氣管線泄漏聲波監測與定位系統［J］.儀表技術與傳感器，2010，39（7）：19－21.

［3］鄭玲玲，許 剛.基于時差法的超聲波測風系統的研究［J］.電子測量技術，2012，36（12）：31－34.

［4］宋進良，王藝帆，李為兵.基于FPGA技術的電壓監測設備遠程智能檢測系統的研究［J］.東北電力技術，2014，35（4）：35－39.

［5］張幼明，高忠繼，黃 旭.智能變電站技術應用研究分析［J］.東北電力技術，2012，33（5）：1－3.

Design of On?line Monitoring Instrument for Intelligent Micro Meteorological Station in Transmission Line

LI Jia?qi，LI Xue?bin，ZHAO Yi?song

（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

According to the defects of mechanical micro meteorological collection system in transmission line，micro meteorological on?line monitoring system with low power consumption controller at its core is developed.The online monitoring by AVR processor uses ul?trasonic wave to realize collection of wind direction and wind speed and temperature compensation geomagnetic angle correction technol?ogy can accurate to monitor wind effect for transmission line.GPS location techn6ology make the test results more accurate.The on?line monitoring has high accuracy and easy installation without complex maintenance.It can be widely used in the on?line monitoring of all kinds of transmission lines.

Transmission line；On?line monitoring；Wind speed testing；Wind direction testing；Ultrasonic

TM726.3

A

1004－7913（2015）09－0001－03

李佳奇（1984—），男，碩士，工程師，主要研究方向為儀器儀表技術及智能電網技術。

2015－06－30）