高壓輸電線路覆冰遠程監控系統研究

岳龍旺，劉保國

（河南工業大學 機電工程學院，河南 鄭州 450007）

1 引言

高壓輸電線路覆冰常會引起線路的跳閘、斷線、倒桿、導線舞動、絕緣子閃絡和通信中斷等事故[1-2]。1932年在美國首次出現有記錄的架空電線覆冰事故，1998年1月加拿大魁北克、安大略等省遭遇史無前例的暴冰事故，俄羅斯、法國、冰島和日本等都曾發生嚴重冰雪事故[3]。我國受大氣候和微地形、微氣象條件的影響，冰災事故也頻繁發生，線路冰害事故發生的概率居世界前列[4]。

目前應用得較為廣泛的是熱力除冰與機械除冰兩類方法，其中又以機械式除冰消耗能量最少。各國科研人員基于不同原理的新型除冰方法和裝置層出不窮[5-7]，如：國外研制的LineROVer遙控小車和LineScout輸電線巡檢機器人，國內研制的改進型LineROVer小車，某大學開發的四桿機構除冰機器人、三臂除冰機器人等[8－9]。

隨著機電一體化技術、智能控制技術和無線通訊技術的快速發展，通過構建由遠程監控網絡、智能決策分析系統和除冰機器人組成的輸電線路遠程監控系統，可實現對輸電線路及環境參數的全天候監測并實現輸電線路覆冰的自動清除作業，從而大大減輕巡視人員的勞動強度，提高線路安全運行水平。

2 輸電線路覆冰遠程監控系統設計

輸電線路覆冰遠程監控系統，如圖1所示。整個系統主要四大模塊組成：數據采集模塊、無線傳輸模塊、智能決策模塊、除冰機器人模塊。通過Internet和GPRS/CDMA無線通訊技術，實現智能監控中心、線路維護人員和除冰機器人的遠程互聯、互通。數據采集模塊選用WS600-UMB集成傳感器，負責采集輸電線路現場溫度、相對濕度、降水（強度、類型）、風速、風向、氣壓等環境信息，通過RS485總線接口與除冰機器人控制芯片通信；無線傳輸模塊由MC35i GPRS模塊、GPRS/CDMA網絡和Internet網絡組成的信息通路，負責將輸電線路現場的環境信息傳送到智能監控中心，同時將智能監控中心的控制命令傳送到除冰機器人；智能決策模塊是由我們自主研發的“高壓線路覆冰預警系統-V1.0”軟件實現[10]，該軟件根據接收到的現場環境信息，根據建立的各種覆冰厚度計算、導線風舞仿真以及覆冰厚度增長率計算等模型來實時分析導線覆冰及風舞情況，及時給出除冰預警信息，并以短信方式通知維護人員及時采取除冰措施，并通過遠程網絡向除冰機器人發送控制命令，開始除冰作業；除冰機器人根據監控中心的指令完成具體的除冰作業任務。

圖1 遠程監控系統Fig.1 Remote Monitoring System

3 除冰機器人系統機構設計

對已有輪式機構越障原理的分析，我們設計了一種通過輪系擺動實現越障功能的新型越障除冰機器人系統，該機器人包括機械系統、控制系統、通信系統、傳感器、能源系統等，如圖2所示。

圖2 除冰機器人機構Fig.2 Mechanism of the Deicing Robot

（1）行走機構行走機構由3組驅動機構、行走輪組成。驅動機構由電機、減速機構組成。行走電機驅動行走輪沿高壓線行走。（2）除冰機構除冰機構由除冰電機、限位輪、除冰輪組成。除冰電機通過傳動鏈帶動除冰輪旋轉，實現對線路覆冰的切割，除去高壓輸電線上部的覆冰，其余覆冰在線路振動和冰層自重作用下自動脫落，完成除冰過程。通過調節退位輪高度可調節除冰輪與高壓線間的距離，防止除冰輪損傷高壓線。（3）越障機構越障機構由驅動電機、驅動凸輪軸、3組驅動凸輪、行走機構支架組成。驅動電機帶動凸輪軸旋轉，從而帶動跨線凸輪轉動，跨線凸輪通過連桿帶動驅動機構繞絞接支架偏轉，使驅動輪實現一定幅度范圍內的擺動，實現驅動輪的越障功能。由于3個跨線凸輪在凸輪軸上成120夾角布置，從而實現在1根凸輪軸的驅動下3組驅動機構的順序擺動，從而實現機器人的跨線行走。

4 除冰機器人系統控制系統設計

除冰機器人采用單片機控制，選用PIC16F877A單片機作為機器人的主控芯片，AT24C16存儲芯片作為擴展存儲芯片，利用德國西門子公司生產的MC35iGPRS模塊作為機器人的無線通信模塊，結構，如圖3所示。PIC16F877A是一款集成了10位多通道模數轉換器、2個捕捉器/比較器/PWM模塊、支持在線串行編程（ICSP）、3個8位/16位定時器/計數器、8K*14個FLASH程序存儲器、368*8個數據存儲器（RAM）字節、256*8EEPROM數據存儲器字節和14個中斷源的微控制器。借助PIC16F877A控制器，不僅能夠實現對機器人的遠程控制，同時可實現機器人的自主運動控制。作為機器人的主控芯片，PIC16F877A單片機通過MC35i模塊接收來自上位機的控制命令并將其傳給機器人執行機構，還要根據接收的傳感器信息實現機器人執行機構的自主運動控制。

圖3 除冰機器人硬件系統Fig.3 Hardware System of the Deicing Robot

5 智能決策系統設計

高壓輸電線路覆冰遠程監控系統的核心模塊是智能決策系統模塊。該模塊根據接收到的現場環境信息，通過覆冰厚度增長率計算模型來實時分析導線覆冰情況，及時給出除冰預警信息，并以短信方式通知維護人員及時采取除冰措施，并通過遠程網絡向除冰機器人發送控制命令，開始除冰作業。考慮到整個控制系統的結構與功能，我們采用客戶機與服務器結構，其中服務器程序為運行在監控中心Windows平臺上的“高壓線路覆冰預警系統-V1.0”，如圖4所示。客戶機程序為運行在除冰機器人主控芯片PIC16F877A上的運動控制程序。

圖4 “高壓線路覆冰預警系統”界面Fig.4 Interface of the“Covering Ice Pre-Warning System of High Voltage Line”

服務器程序接收通過遠程網絡傳輸來的線路現場環境信息、預測線路覆冰情況、給出除冰預警信息、短信通知維護人員、向除冰機器人發送控制命令，如圖5所示。服務程序采用基于APDL的參數化設計方法對ANSYS進行二次開發；構建高壓輸電線路覆冰厚度與環境溫度、濕度、風速、風向、結冰時間等因素的數學模型 q≈βEWVDtsinθ+（βEWVtsinθ）2；利用 Visual C++集成開發環境構建運行環境設計出參數化建模與分析接口程序，把ANSYS分析過程封裝在后臺。運用VC++6.0對ANSYS進行二次開發，用戶只需通過用戶界面輸入相關參數，系統就能自動調用ANSYS計算程序，自動進行網格劃分、加載以及自動求解。在高壓輸電線路覆冰厚度模型中，式中：q—覆冰厚度；β—凍結系數；E—捕獲系數；D—高壓輸電線外徑；W—空氣濕度；t—結冰經歷時間；ρb—冰密度；V—風速；θ—風向與高壓輸電線夾角。客戶機程序接收來自MC35i的命令、控制除冰機器人執行除冰作業、讀取傳感器信息、發送傳感器信息等，如圖6所示。

圖5 服務器程序流程圖Fig.5 Program Flow Chart of the Server

圖6 客戶機程序流程圖Fit.6 Program Flow Chart of the Client

6 線路覆冰遠程監控實驗

基于所構建的高壓輸電線路覆冰遠程監控系統，我們進行了線路覆冰遠程監控實驗，遠程監控中心實時監控畫面，如圖7所示。畫面中的“現場環境參數”為由除冰機器人所攜帶的WS600－UMB集成傳感器采集、經由無線收發模塊和網絡傳輸到監控中心的環境參數。現場環境參數中的“覆冰（mm）”指的是根據環境參數、由高壓輸電線路覆冰增長模型所計算出的覆冰厚度；“時間（s）”指的是線路結冰時間；“預警（s）”指的是根據覆冰增長趨勢、高壓線路承載能力推算出的預計線路失效時間。“分析結果”窗口顯示基于線路覆冰增長模型、ANSYS參數化計算方法所得出的塔架應力圖、應變圖、位移圖及計算結果報表。“現場視頻”窗口顯示由除冰機器人所攜帶的攝像頭所錄制、經由無線網絡傳輸的現場圖像。“控制指令”根據分析結果，可向除冰機器人發送控制指令、向線路維修工發送預警信息、并產生預警報表。

圖7 線路覆冰遠程監控實驗Fig.7 Remote Monitorng Experiment of the Covering Ice Line

7 結論

設計了一種高壓輸電線路覆冰遠程監控系統，選用WS600-UMB集成傳感器采集輸電線路現場溫度、相對濕度、降水（強度、類型）、風速、風向、氣壓等環境信息；通過MC35i GPRS模塊、GPRS/CDMA網絡和Internet網絡實現除冰機器人與遠程監控中心的遠程數據傳輸，將現場環境數據傳輸給遠程監控中心、接收監控中心的控制指令；通過VC++和ANSYS的聯合編程實現基于現場實時環境數據的線路覆冰計算與分析，實時預警信息與除冰控制信息發送；選用PIC16F877A單片機實現除冰機器人控制，通過凸輪機構實現機器人越障功能。實驗結果表明，高壓輸電線路覆冰遠程監控系統對于實現高壓輸電線路覆冰情況的遠程監控與實時處理有重要作用。

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