電力桿塔傾角和沉降狀態組網監測系統設計

摘 要：電力桿塔傾斜、沉降導致輸電線路、通信網絡中斷的事故日益增多。電力桿塔傾角和沉降狀態組網監測系統在實時監測桿塔狀態的同時，可實現數據4G通信上傳等功能，及時發現桿塔故障，對降低停電、通信中斷的風險具有重要意義。論文提出了一種基于ARM微處理器開發的用于監測電力桿塔傾角和沉降狀態的系統，對涉及的硬件、軟件進行了詳細介紹。測試結果表明，該測試系統能實現相應的功能，且設備使用太陽能板加蓄電池組合供電，實用性強。

關鍵詞：電力桿塔監測；4G通信；嵌入式；太陽能板；組網；輸電線路

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.011

0 引 言

隨著國民經濟和通信技術的快速發展，社會對用電設備、通信設備的依賴性不斷增強。在電力系統和通信網絡覆蓋率不斷提升的同時，電力系統和通信設備由于所處地理位置等原因，遭受到了自然和人為因素造成的諸如輸電桿塔[1-2]、

通信線路桿塔傾斜甚至倒塌等現象，進而導致輸電和通信中斷事故頻發，嚴重威脅電網和通信網絡的安全運行，更影響正常的生產和生活。在線路發生故障后必須及時找出故障點并予以清除，可通過巡線人員沿輸電線路的桿塔逐級查找并解除故障。但由于桿塔所處位置偏僻、分布廣泛和數量眾多，導致采用人工巡檢的方式造成日常檢查和排故工作量繁重，且耗時耗力，效率低下。同時，可能因不能及時發現故障桿塔而釀成大規模的停電、通信中斷等事故。因此，相關部門急需穩定可靠的智能儀器來解決這一難題。

文獻[3]利用特征點預測技術，提出了一種智能提取電力桿塔關鍵點的方法，能簡化對桿塔模型的預測過程。文獻[4]提出一種基于GPRS網絡的電力桿塔監測系統。文獻[5]提出了一種使用無人機對電力桿塔進行遙感測量的檢測技術。文獻[6]設計了電力桿塔檢測的服務器端軟件系統，并給出了軟件集成的姿態測量和振動噪聲去除方法。文獻[7]提出了一種基于GPRS和太陽能供電的桿塔實時姿態在線監測系統，獲得了平滑的優化數據。文獻[8]分析了電路線路運行過程中數據信息的總量，并給出了一種多傳感器的大數據綜合應用系統。文獻[9]給出了一種通過高精度GPS定位、測斜傳感器、風速風向傳感器和雨量計綜合實現對電力桿塔傾斜情況進行監測的系統。

1 系統硬件設計

圖1為電力桿塔傾角和沉降狀態組網監測硬件組成結構，主要包括：嵌入式MCU（STM32F103）、4G模塊[10]、LCD顯示、按鍵、電源等部分。

1.1 電源設計

系統供電使用3 W/10 V光伏板與3.7 V/10 000 mA·h鋰電池組合供電，充電電路采用電壓跟隨性BUCK降壓電路。后級電源部分的3.3 V DC/DC方案采用如圖2所示電路，使用AAT1153為所有器件供電，利用大電容確保RF電源放大器正常使用，承載強電壓降的峰值電流。在網絡信號弱的情況下可以給4G通信發射器提供良好的瞬間電流，防止因為電壓跌落導致的系統欠壓或者處理器端口重枚舉。

1.2 傳感器設計

沉降傳感器使用氣壓型傳感器BMP280，其為壓阻式壓力傳感器，具有精度高、線性強、長期穩定和魯棒性高等特點，電磁兼容優異，連接方便。

傾角傳感器使用基于MEMS技術的高性能三維運動姿態測量系統。它包含三軸陀螺儀、三軸加速度計，三軸電子羅盤等運動傳感器。通過集成各種高性能傳感器姿態動力學核心算法引擎，結合高動態卡爾曼濾波融合算法，提供高精度、高動態、實時補償的三軸姿態角度，可對各類數據進行靈活配置。

1.3 通信部分設計

考慮到使用環境開闊，系統采用高效的ISM頻段射頻SX1278擴頻芯片實現本地組網，工作頻段為410～

441 MHz，步進信道頻率為1 MHz，共計32個信道，可通過設定AT指令實現在線修改串口速率、發射功率、空中速率、工作模式等參數。

數據也會通過4G通信上傳服務器，通信芯片選擇ME3630-C3BC-MP01，可以提供最大50 Mb/s上行速率和150 Mb/s下行速率，支持分集接收。ME3630-C3BC-MP01支持PAP、CHAP、PPP等網絡協議和GNSS，Remote wakeup功能，SMS、GNSS支持FoTA空中升級。電路設計如圖3

所示。

2 系統軟件設計

系統上電后，會先執行初始化程序，依次初始化系統時鐘、GPIO、UART、AT24C02和氣壓計BMP，然后等待4G模塊和無線通信模塊初始化。陀螺儀和氣壓計初始化后，會自動讀取AT24C02中的初始數據，如果沒有初始數據記錄，系統會對當前初始姿態持續進行分析，濾除振動雜波后認定當前姿態為初始位置和角度，并將位置數據存入AT24C02，防止掉電丟失。若上電時位置為非正確初始位置，可按校準按鍵重新執行初始位置檢測。主循環中會周期性進行角度計算，高度換算，并實時檢測上傳沉降值，沉降值超限后會進行中斷報警，中斷服務函數發送UART通信數據至4G模塊，通過短信報告，流程如圖4所示。

3 系統測試

對所有應用功能進行了測試，包括對電力桿塔沉降值、傾斜角度、傾斜方向進行實時監測，無線本地組網測試，4G網絡上傳數據測試，沉降傾斜值超限短信報警及參數配置修改測試。測試結果如圖5、圖6所示，其中4G數據傳輸部分見表1所列。

4 結 語

論文基于嵌入式開發平臺開發了一套應用于電力桿塔傾角和沉降狀態的組網監測系統，在設計并制作系統電源、傳感器、通信電路等硬件的基礎上，完成了系統初始化，參數顯示上報、超限報警等功能，并對所有功能進行了測試，可為電力桿塔傾角和沉降狀態的組網監測提供良好的平臺。

參考文獻

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[10]董澤才，呂孝平，冒文兵.山體滑坡及電力桿塔測斜在線監測系統[J].企業技術開發，2015，34（11）：80-81.

收稿日期：2023-04-04 修回日期：2023-05-17

作者簡介：江星華（1982—），男，碩士研究生，高級工程師，研究方向為電力系統自動化。

萬 東（1982—），男，碩士研究生，高級工程師，研究方向為電力系統自動化。