輸電線路微氣象低功耗實時監測系統設計

頡　鈺

(山西國峰煤電有限責任公司，山西 汾陽 032200)

0　引言

隨著全球氣候變化，我國出現極端天氣的次數明顯增多。電力系統中，大量的架空輸電線路等輸變電設備長期暴露于大氣環境之中，其性能的穩定性直接關系到電力系統的運行安全。長期運行經驗表明，外部氣象環境導致的輸變電設備失效是影響電力系統安全的主要原因之一，因此，對氣象變化進行監測顯得尤為重要[1-2]。本文設計了一種遠程實時局部微氣象監測系統。該系統通過氣象傳感器采集被監測地區的風速、風向、太陽輻射和溫度等環境信息[3-7]，并由通用分組無線服務(general packet radio service,GPRS)網絡將數據實時傳送到監控中心服務器，實現了對地區氣象的自動化監測，為分析氣象變化和預防自然災害提供了有力的數據支撐，對保障電網的安全穩定運行、維護居民的正常生活具有十分重要的意義[8-9]。

1　微氣象監測系統的總體設計

本文設計的氣象監測系統由野外監測站和監控中心服務器組成。鑒于黑龍江上游南岸漠河地區全年氣溫變化顯著，而春季是冰凌災害易發季，對電網運行機制的影響極大[10]，選擇黑龍江漠河段作為被監控地區更具代表性。系統采集該段的風速、風向、太陽輻射和溫度信息，將不同傳感器輸出的頻率、電壓和數字信號通過相應的調理電路變換后輸送給微控制器。微控制器對數據進行處理，將其打包并利用GPRS網絡發送給監控中心。監控中心由監控中心服務器、數據庫服務器等設備組成。監控中心能對數據進行分析、存儲和顯示，實現當地氣候信息的實時、自動化采集。微氣象監測系統拓撲圖如圖1所示。

圖1　系統拓撲圖Fig.1　Systematic topology

2　系統硬件設計

系統的供電方式為：由太陽能電池板向鉛蓄電池充電。系統設計有同步時鐘，每小時采集一次風向、風速、太陽輻射、溫度、電池電壓信號，并將數據以規定的格式存儲在本地SD卡中。系統每天采集24組數據，并在第二天的10點和17點分別將前一天的24組數據發送給服務器。除采集數據的時間點以外，外部傳感器和GPRS模塊都處于斷電狀態，以降低系統功耗。系統主要包括控制器電路、信號采集電路、無線數據通信電路和電源電路。系統結構如圖2所示。

圖2　系統結構圖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(風速傳感器)、0～2.5 V電壓信號(風向傳感器)。針對不同的信號，在系統中設計了相應的信號調理電路，將信號調理后送入控制器進行處理。

2.1　太陽輻射量和溫度信號采集電路

系統采用總輻射表TBQ-2-B作為太陽輻射量采集傳感器。它由快速響應的繞線電鍍式熱電堆組成。當太陽照射時，感應面溫度升高，與另一面的冷節點形成溫差電動勢。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。由太陽輻射強度轉化的電壓信號輸入儀表放大器AD623，經放大后送入控制器進行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。該傳感器便于數字化讀寫操作，測溫范圍為-55～+125 ℃，能夠滿足漠河地區氣溫檢測的要求。

2.2　風速、風向信號采集電路

風速傳感器為三杯式回轉架，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：風速傳感器在風的作用下，由風杯帶動主軸旋轉，傳感器輸出12V脈沖信號，脈沖信號的頻率與風速呈線性關系。控制器工作電壓為3.3V，需要進行電平轉換，將脈沖幅值調整到控制器允許的幅值范圍內。該設計采用TLP521-1進行電平轉換，能起到隔離作用。風速電平信號轉換電路如圖4所示。

圖4　風速電平信號轉換電路Fig.4　The wind speed level signal conversion circuit

風速傳感器的頻率信號連接到WS處，通過光耦轉換隔離后，得到控制器可以檢測、幅值為3.3 V的頻率信號。風速與頻率的函數關系為：

V=0.1×f

(2)

式中：V為風速，m/s；f為頻率，Hz。

風向傳感器采用格雷碼盤以及外部采集電路，傳感器輸出的連續電壓信號與風向角成線性關系。該傳感器型號為ZQZ-TF，采用12 V供電。輸出電壓信號經一級緩沖跟隨電路后，送入控制器進行A/D采集。采集過程中，風向傳感器每30 s采集一次數據，采集5 min，共得到10組數據。對10組數據求平均，并以其結果作為該次采集的風向數據。采集的模擬電壓為0～2.5 V，可線性地對應于0～360°風向角。風向與電壓對應關系如圖5所示。

圖5　風向與電壓對應關系圖Fig.5　Relationship between wind direction and voltage

2.3　電源電路

系統中，風速、風向傳感器的電源為12 V，GPRS模塊的電源為5 V，SD卡和控制器的電源為3.3 V。在系統中設計了低功耗電源關斷電路。當系統處于低功耗時，可以通過控制器切斷風速風向傳感器和GPRS無線模塊的電源。電源控制電路如圖6所示。控制器利用P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，滿足本系統的供電需求。當三極管Q6基極為高電平時，MOS管打開，將風速傳感器連接到WS12V處，可獲得12 V電源電壓。風向傳感器和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　軟件設計

3.1　控制程序設計

系統軟件流程如圖7所示。

圖7　軟件流程圖Fig.7　Software flowchart

系統采用低功耗、穩定可靠的MSP430F149控制器作為主控芯片。主控制器程序編譯環境為IAR Embedded Workbench。系統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、風向采集程序、風速采集程序、SD卡讀寫文件系統程序、GPRS無線數據收發程序。

3.2　通信軟件部分設計

數據通過GPRS，以TCP/IP協議傳輸。主控制器將采集到的數據和時間打包后，按照通信協議發送數據。數據協議格式如表1所示。在接收數據的服務器端，可以按照協議格式解析數據。

表1　數據協議格式Tab.1　Data protocol format

為了滿足監控中心的查詢需求，上位機監控系統還規定了一些特殊的命令格式，以實現數據實時查詢、歷史查詢等功能。

在設備穩定、可靠運行的基礎上，以Microsoft NET Framework 4.0為開發平臺，設計了服務器軟件；采用Access 2010為后臺數據庫，實現了完整的軟、硬件結合的數據采集系統。該系統采用GPRS無線網絡，實現了數據遠程的接收與存儲，保證了數據的可靠獲取。

4　現場應用

針對黑龍江漠河地區氣候變化顯著及春季可能存在的冰凌災害，在改變段建立了微氣象檢測站。該監測站主要采集風速、風向、太陽輻射、溫度等氣象數據。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，保證了穩定性。另外，在立桿上安裝了太陽能光伏板。采集系統白天可以采用光伏板給主機柜內部加熱，提高了設備抗凍性。系統設計了低電池電壓報警功能，當太陽能充電部分因出現故障而導致鉛蓄電池電壓過低時，系統會向負責人發送短信提示。

微氣象監測設備完成現場安裝后，于2016年12月20日開始首期監測，并一直可靠穩定運行至今。監測結果如圖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的風速和風向值。

圖8　監測結果Fig.8　The monitoring results

5　結束語

本文設計的微氣象監測系統可采集被監測地區的風速、風向、太陽輻射和溫度信息。該設計采用GPRS為無線數據傳送單元，通過太陽能和鉛蓄電池給系統供電，確保了系統穩定、可靠、持久運行。系統以.NET Framework 4.0為開發平臺、Access 2010為后臺數據庫，開發了微氣候氣象采集軟件，實現了被監控地區的氣象采集，為電力系統管理人員制定輸電線路管理計劃、預防極端氣候事件及凌汛災害提供了可靠的數據支撐。在實際工程應用中，系統工作可靠、穩定，可以保持長期、持續測量。

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