風電場輸電線路覆冰與振動監測系統設計

宋文靜，謝 源，黃文君，李容爽

(上海電機學院電氣學院，上海 201306)

0 引言

隨著風力發電的迅速發展，維持風電機組安全可靠運行顯得尤為重要。風電場大都在偏僻的草原，山地和距離陸地很遠的近海，每逢雨雪、霧凇、冰凍等自然天氣時很容易使輸電線路發生覆冰現象，加上線路附近有風時也會引起輸電線路的振動，此種現象會引發一系列的危險事故的發生，同時會給人類的生產和生活帶來極大不便，造成巨大的經濟損失。在風力發電系統運行過程中，通過實時對導線覆冰與振動的在線監測，檢測與故障診斷可以有效的避免計劃檢修和事后檢修的種種弊端，實現在系統不停止運行下對輸電線路的檢測，從而電力工作人員可以了解線路的覆冰情況并能夠及時采取有效措施消除覆冰[1]。

利用傳感器采集線路信息，將得到的模擬信號進行處理后通過無線通信技術傳送到監控中心，期間利用太陽能電池板結合鐵鋰蓄電池為各部分提供電壓，保證系統的可靠運行。

1 系統總體設計方案

1.1 覆冰與振動監測終端供電方案研究

為了使輸電線路上的傳感器，無線通信單元能夠隨時監測到線路覆冰與振動信息并有效的傳送得到監控中心，必須為他們加外加供電措施。

在電力系統中，太陽能產生的電壓和電流與傳感器等設備所需要的電壓電流可能不太相同，尤其是像陰天下雨等這種天氣變化的時候太陽能就不能承擔給設備供電這一責任，因此給在線監測帶來困擾，影響在適當的時候采取適當的方法取避免災害發生。為了能夠使檢測設備隨時都有能量供給，保證輸電線路的正常監測，選擇加入儲能電池，在沒有陽光的時候，可以利用蓄電電池繼續供電。

1.2 無線通信技術方案研究

利用電波信號能夠在空間中自由傳播的特性從而進行信息交換的一種通信方式就是無線通信。

GPRS 是一種包交換的數據無線通信方式。GPRS 可以進行遠程傳輸數據，是一種耗費能量非常低的通信方式。本文采用太陽能對設備進行充電，而GPRS 就適用于太陽能供電的場合，它不但可以減小太陽能供電成本更讓施工變得簡單可靠。

考慮到通信的安全性，可靠性，距離問題，還有必不可少的經費問題后，選擇GPRS 無線通信作為主要通信方式。

1.3 傳感器的選擇

最基礎的一項工作就是對輸電線路覆冰與振動情況進行信息采取，然后傳送到微機進行數據處理分析。要完成線路覆冰信息的采取，要在線路上安裝一定的監測設備。對傳感器的選擇時要能夠充分考慮到他們的測量范圍以及測量精確度，抗低溫、抗干擾能力。

1.3.1 拉力傳感器

在對線路進行信息采集時，通常將拉力傳感器設置在直線桿塔的絕緣子串上方。電力覆冰檢測傳感器穩定可靠，響應相比較其他的而言速度快。用直流9～12V 對電力監測專用拉力傳感器供電。拉力傳感器在直接電壓激勵條件下，輸出的信號是mV 級的電壓信號，在惠斯通全橋作用下放大輸出信號。這種拉力傳感器的靈敏度為2.0 mV/V，綜合精度為0.03（線性+滯后+重復性），蠕變是±0.05%F·S/30 min，溫度補償范圍-10～+40℃[2-4]。

1.3.2 傾角傳感器

當需要測量系統水平面的傾角變化時可以選用傾角傳感器，能夠對系統進行360 度的傾角測量。傾角傳感器也是12V的直流電提供電源的。雙軸傾角傳感器不怕高溫等嚴峻天氣，無論是高低溫環境，他都能安全穩定的運行。傾角傳感器輸入是機械位置的傾角，輸出是傾角的對應的電壓信號（0.5～ 4.5 V）。自帶高精度穩壓電源電路，電壓穩定性0.5mV，可以讓傳感器工作在高穩定狀態[2-4]。

1.3.3 氣象傳感器

為提高大氣風速、風向、溫濕度等氣象采集數據準確度，氣象傳感器采用高精度數字化超聲波一體化氣象傳感器，由超聲波風速風向傳感器、高精度數字溫度、濕度傳感器集成一體化。超聲波一體化氣象傳感器采用直流12V供電，輸出0～10V的電壓信號，最小采集周期80ms，可在-50℃～60℃寬溫度范圍和0～100%寬相對濕度條件下正常工作[2-4]。

2 系統總體結構設計

輸電線路覆冰與振動監測系統主要由傳感器采集信息，通信技術傳輸信息，供電部分為負載提供電源以及遠程監控中心對線路信息進行監控，如圖1。傳感器部分包括拉力等傳感器完成對線路覆冰情況的采集，能夠有效降低測量誤差。GPRS 通信單元主要作用是將檢測到的數據與監控中心進行交換。供電電源單元包括太陽能電池板、鐵鋰蓄電池、太陽能自動充放電控制電路這幾個部分，這三部分都是輸出穩定的12V。

圖1 輸電線路覆冰與振動監測系統結構圖 Fig.1 Transmission line icing and vibration monitoring system structure diagram

3 系統硬件設計

3.1 51 單片機最小系統電路設計

STC89C51 單片機有兩個晶體振蕩電路反相連接端。在單片機的XTAL1，XTAL2的引腳與晶振Y1相連接，形成單片機的振蕩電路。通常選擇6MHz的Y1與XTAL1，XTAL2相連接，然后將兩個15～33 pF的電容與Y1連接起來組成完整的振蕩電路。Y1的振蕩頻率與芯片的工作速率有著直接關系。要想單片機的工作速率加快，就要選擇振動頻率相對而言比較高的Y1。當C4，C5與Y1以及STC89C51三者的連接不能過大，防止降低運行速率。C6的取值與復位時間成反比。若RST端有持續兩個周期的高電平，單片機就會觸動復位。但電容取值也有范圍，一般來說，最合理的取值范圍在10～30uF之間。當EA端接高電平時，CPU執行內部程序存儲器的指令，當EA 端接低電平時，CPU只能訪問外部程序存儲器，Vpp的作用是當片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp[5]。

3.2 信號變換電路設計

從傳感器得到的信息是沒有經過處理的雜亂的信息，為了方便信息傳送，要對它進行適當的處理，將它變為能夠很容易就看懂的信息。信號在進行傳送與接收時需要對它調制和解調，從中選擇有用的信號保留起來，將對數據處理分析無用的信號去除。信號變換包括信號的濾波與放大，如圖3 所示。在電路中加入濾波就是為了除去脈動的直流電壓中的交流成分，能夠使得到的波形不是胡亂波動而是一段平滑的曲線。在濾波電路選擇時，考慮到自身水平會影響對電路的理解所以選擇了電路比較簡單的RC濾波電路。信號在傳輸過程中會產生一定的損耗，所以采用放大器對一些微弱的信號進行放大。

圖2 51 單片機最小系統圖 Fig.2 51 Single chip microcomputer Minimum system diagram

圖3 信號變換電路圖 Fig.3 Signal conversion circuit diagram

3.3 A/D轉換電路設計

在科技迅速發展的時代，通信技術，計算機技術，電力電子技術，控制技術等也都在飛速發展，為了系統性能指標的準確度，數字計算機技術被廣泛應用。輸電線路覆冰與振動的監測設備所測得信息都是模擬信號，但是這些信號不能被CPU識別，為了能夠讓CPU識別這些數據并對他們進行數據處理分析，需要將這些信號轉換為CPU能夠讀懂的。這時候需要一個轉換器能夠將模擬信號轉換為數字信號，這個轉換器就是A/D轉換器，設計采用ADC0809實現對信號的模數轉換。圖4為A/D轉換電路圖設計。

圖4 A/D 轉換電路圖 Fig.4 A/D conversion circuit diagram

3.4 按鍵電路設計

在圖5 中，當S1 按下時，P1.0 與地相連接，此時I/O 位就是低電平；當S1 打開時，P1.0 與VCC相連接，此時I/O 位就是高電平，如此不斷地斷開與連接S1 就會得到高低電平相接的脈沖序列。當按鍵打開時，I/O 位是高電平，此時就會觸發內部設定，進而去執行系統設定的任務。當按鍵按下時，I/O位是低電平，與地相連接，所操作的就相當于沒有意義，所以按鍵的作用就是控制對芯片信息的輸入。

圖5 按鍵電路圖 Fig.5 Button circuit diagram

3.5 顯示電路設計

人類生活的環境中，隨處可見LCD 液晶顯示器，它的顯示清晰明朗，功耗低，工作電流小等特點就是他被廣泛應用的關鍵因素。

在圖6 中，LCD1602的DB0～DB7分別與單片機AT89C51 的P0.0～P0.7口連接，可以顯示使用者使用信息，P2.5用來控制LCD1602的RS輸入端，P2.6用來控制LCD1602的R/W讀寫控制輸入端、P2.7用來控制LCD1602的E也就是使能信號輸入端。從圖可以看出，R4是滑動電阻，通過改變接入電阻的值改變LCD液晶顯示屏的對比度[6]。

圖6 LCD 屏顯示電路圖 Fig.6 LCD screen display circuit diagram

3.6 GPRS 通信模塊設計

為了研究的簡便性，選用捷麥公司的G300 模塊作為研究的GPRS 通信模塊。G300 具有快速數據交換和邏輯處理能力和很高的網絡穩定性，它主要完成對監測到的信息的接收與傳送。GPRS 數據一次可收發1000 字節，支持大數據包（2M 字節）緩存收發功能。G300 省電能力也很強，可以選5～30 V電源為它供電。它的適用范圍也很廣，可以在-30～+60℃的溫度下正常工作。

圖7 GPRS 通信模塊圖 Fig.7 GPRS communication module diagram

3.7 GPRS 通信單元供電電路設計

太陽能電池板為傳感器、GPRS 通信系統提供的供電電壓應與傳感器等設備所需的電壓相一致，為此需要將太陽能電池板提供的電壓采用DC-DC 轉換器轉換后給傳感器等設備供電。在器件選擇時，首先考慮到的應是轉換效率比較高而且還帶有輸出使能的芯片。系統運行時，有的設備需要上電工作而有的暫時不需要，但不能一直為不需要供電的設備提供能量，若一直處于供電狀態會導致能源的浪費，所以應當在有需要的時候為負載供電，利用輸出使能夠控制部分電路是否帶電。在以上介紹中，利用12 V 電壓為拉力傳感器，雙軸傾角傳感器，六要素傳感器為它們提供電壓，利用5 V 電壓為GPRS 通信單元提供電壓。TPS62133 輸出是穩定的5 V 電壓，最大輸出電流為3 A，它的開關頻率2.5 MHZ。它是一種簡單的能夠使電壓減小的直流到直流的轉換器，輸入電壓范圍是3～17 V。綜合考慮到以上因素，采用TPS62133 為GPRS 通信單元供電[7]。

圖8 GPRS 供電電路 Fig. 8 GPRS power supply circuit

3.8 拉力傳感器供電控制電路設計

拉力傳感器負責獲取覆冰信息。受力采集在15 分鐘內可以完成主動的循環采集，但是當太陽能電池板為傳感器沖上電時所要的采集時間就會大大降低，可達到15s。數據采集完成后，暫時就不需要太陽能電池板為設備充電，可以通過控制電力開關斷開電池板對各種傳感器的供電。拉力傳感器在工作時要有外部電源為它提供電壓。當信息采集完成后，就停止供電。拉力等各種傳感器采集數據時間各不相同，考慮到這一因素，選擇對傳感器進行輪流供電方式，減少能量的損失。在系統運行時需要有高效率的傳感器并且能保證系統的安全穩定運以及必不可少的經濟性因素采用 TI 公司的 CSD25310Q2 P 溝道 MOS 管管理各種設備的開關的關斷，進而保證在需要每個設備收集信息時都能夠及時的為它提供電壓[8]。

圖9 拉力傳感器供電控制電路 Fig.9 Pull sensor power supply control circuit

3.9 太陽能自動充放電電路設計

當有太陽時，利用太陽能電池板為傳感器提供電源，到陰雨天氣或者是夜晚沒有陽光的時候，太陽能就不能為傳感器供電，為了保證能夠持續的為傳感器供電，在系統中加入了鐵鋰蓄電池進行儲能。當有光照時，太陽能就會主動地為蓄電池進行充電，陽光消失后，鐵力蓄電池就會釋放電能為傳感器提供電源，所以本小節就要設計一個自動充放電的電路。自動充放電電路可以由防雷二極管，穩壓二極管，NPN 三極管，單端高壓供電運放，分流穩壓器幾部分組成。太陽能自動充放電電路是通過控制單端高壓供電運放的輸出電平的高低實現對鐵鋰蓄電池的充電和防止逆充電。太陽能自動充放電的原理是在蓄電池的電壓低于13V 時，單端高壓供電運放的1 腳電壓高于13 V，此時DC1 就會導通，太陽能就會對它進行充電。相反的DC1 會截止，從而停止對它的充電以及防止它的逆充電。在充電時，充電電流能夠達到200mA。NPN型三極管的射級電流等于基級電流與集電極電流值之和，當三極管的射級電流為200 mA 時，三極管的基級電流大約為4 mA[9-10]。

圖10 蓄電池充放電電路 Fig.10 Battery charge and discharge circuit

4 系統軟件設計

為達到對輸電線路覆冰與振動的在線監測的目的，設計中采用了各種傳感器對線路信息進行采集，然后將信息傳給微機，經分析運算后又通過GPRS 無線傳輸將信息傳送到監控中心并判斷線路覆冰狀況。本課題的軟件設計就導線覆冰信息采集與信息處理和傳輸展開研究。

4.1 主流程圖設計

圖11 主流程圖 Fig.11 Main flow chart

4.2 傳感器信息采集軟件設計

4.3 GPRS 無線通信設計

圖12 傳感器信息采集流程圖 Fig. 12 Sensor information collection flow chart

圖13 GPRS 無線通信程序流程圖 Fig.13 GPRS wireless communication program flow chart

5 結語

文章以對風電場線路覆冰監測為研究背景，研究了對輸電線路覆冰信息的采集技術、信號轉換技術、信息無線傳輸技術，對基于輸電線路覆冰與振動的監測技術的每個模塊進行設計。本文選取了合適的傳感器對覆冰線路進行信息采集，確定信息傳送方式，對每個模塊進行電路設計，保證系統可靠、有效、安全地運行。