基于GPRS的低功耗輸電線路覆冰翻轉(zhuǎn)監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 輝，曹永興，孟勁松，張昌華，黃 琦

（1 電子科技大學(xué)電力系統(tǒng)廣域測量與控制四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 611731；2 電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 611731； 3 四川省電力試驗(yàn)研究院，四川成都 610072）

0 引言

輸電線路覆冰嚴(yán)重威脅著輸電線路和電力網(wǎng)絡(luò)的安全，可靠的運(yùn)行。當(dāng)覆冰載荷超過輸電線路的設(shè)計(jì)抗冰標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會引起導(dǎo)線的翻轉(zhuǎn)，舞動等問題。特別是2008年初，我國南方因?yàn)樘卮笥暄┍鶅鰹?zāi)害造成的輸電線路大面積覆冰，造成鐵塔倒塌，輸電線路斷線，嚴(yán)重影響電網(wǎng)運(yùn)行，給人民生活帶來嚴(yán)重不便，使國家遭受巨大的財(cái)產(chǎn)損失，因此，對輸電線路的翻轉(zhuǎn)角度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以保證輸電線路的安全。本文主要針對500千伏四分裂輸電線路覆冰后，輸電導(dǎo)線會相對其幾何中心發(fā)生相對轉(zhuǎn)動的情況，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種可以自動檢測并發(fā)送輸電導(dǎo)線翻轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測裝置。本監(jiān)測裝置以一定的頻率檢測輸電線路的翻轉(zhuǎn)角度，并將檢測結(jié)果通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心。當(dāng)輸電線路覆冰后，翻轉(zhuǎn)角度超過一定范圍，監(jiān)控中心可以通過本裝置了解到這一情況，并采取措施保證輸電線路的安全。

1 覆冰翻轉(zhuǎn)監(jiān)測裝置硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文研究的測試裝置主要是通過傾角傳感器測量四分裂導(dǎo)線間隔棒的翻轉(zhuǎn)角度，然后通過GPRS技術(shù)將測試數(shù)據(jù)傳回控制中心，從而實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)線翻轉(zhuǎn)的監(jiān)測。監(jiān)測裝置硬件框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測裝置硬件框圖

整個(gè)監(jiān)測裝置硬件以基于C8051F的片上系統(tǒng)芯片CC2530F256為主控制器。CC2530 F256是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SOC）的解決方案。它以增強(qiáng)型8051F單片機(jī)作為控制核心，系統(tǒng)內(nèi)包含8KB的RAM，256KB可編程的Flash.。同時(shí)該控制器有四種工作模式，使它尤其適用于具有超低功耗要求的系統(tǒng)。

在圖1中，考慮到現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境、強(qiáng)烈的電磁干擾以及測試裝置依靠蓄電池進(jìn)行供電的實(shí)際情況，因此該系統(tǒng)對傾角傳感器的精度、GPRS通信模塊工作的可靠性和系統(tǒng)的整體功耗水平提出了較高的要求。

1.2 傾角傳感器的選型及通信接口設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)要工作在低溫，強(qiáng)磁場的惡劣環(huán)境中，因此，對傳感器的抗干擾能力提出了很高的要求。角度測量硬件采用ROB200單軸傾角傳感器。它采用RS422通信協(xié)議，上電穩(wěn)定一段時(shí)間后直接通過一對差分信號線輸出測量結(jié)果，抗干擾能力比模擬輸出的傳感器強(qiáng)。同時(shí)，該傳感器的功耗相對于同類型的傳感器要低，對降低整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的功耗有很大幫助。傾角傳感器工作電壓為12 V，傳感器輸出的差分信號TXD+，TXD-分別連接電平轉(zhuǎn)換芯片的A，B兩端，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成3.3 V的LVTTL電平，從RO管腳輸出，送至控制器的串口輸入端RX。圖2為傾角傳感器與控制器之間的接口電路。

圖2 傾角傳感器接口電路

1.3 GPRS模塊的選型及通信接口設(shè)計(jì)

GPRS通信選用M590模塊。 M590模塊支持TCP/IP協(xié)議，可以簡單地通過AT指令建立起一條基于TCP/IP協(xié)議的通信鏈路，可靠地傳輸數(shù)據(jù)。同時(shí)該模塊的結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，功耗相對較低，適合搭建低功耗的監(jiān)測系統(tǒng)。

GPRS模塊通過串口與控制器通信。因?yàn)镚PRS模塊的TX,RX信號電平為2.85 V的CMOS電平，而控制器的輸出電平是3.3V的LVTTL電平，因此，在GPRS模塊的RX管腳和控制器的TX管腳之間串聯(lián)一個(gè)分壓電阻，使GPRS模塊RX管腳輸入電壓滿足模塊的電平要求；控制器要求輸入的高電平信號范圍在2.5 V到3.3 V之間，所以，GPRS模塊的TX管腳通過一個(gè)0歐電阻與控制器的RX管腳相連。

GPRS模塊設(shè)計(jì)中，加入了兩個(gè)LED。一個(gè)用來指示模塊的供電情況；模塊上電后，LED狀態(tài)為常亮；一個(gè)用來指示模塊的工作情況；模塊工作時(shí)，LED以1 s的間隔閃爍。

GPRS模塊與SIM卡之間的互連設(shè)計(jì)，通過1根電源線與3根信號線。其中：(1)模塊通過VCC對SIM卡供電； (2)模塊向SIM卡提供復(fù)位信號RST,串行時(shí)鐘信號CLK,模塊與SIM卡之間的數(shù)據(jù)信號SIMIO?？紤]到防靜電的需要，在GPRS模塊與SIM卡之間接入了一個(gè)ESD模塊，防止靜電對模塊和SIM卡造成損害。 GPRS模塊原理圖如圖3所示。

圖3 GPRS模塊原理圖

1.4 系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)

為了降低系統(tǒng)功耗，傾角傳感器的電平轉(zhuǎn)換芯片，傾角傳感器，GPRS等3個(gè)模塊工作時(shí)， 控制器通過指令開啟每個(gè)模塊的工作電源。當(dāng)上述模塊不工作時(shí)，控制器通過指令關(guān)閉模塊的工作電源，以降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。因此，整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)，除了前文介紹的低功耗模塊選型之外，另外一個(gè)重點(diǎn)是上述模塊的工作電源的選擇和設(shè)計(jì)。

電平轉(zhuǎn)換芯片的工作電源選擇固定輸出電壓為3.3 V的LP2951-3.3；這是一款低壓差，靜態(tài)功耗很低，帶輸出使能端的LDO電源。使能信號為低電平。

傳感器的工作電源選擇MIC2145；這是一款靜態(tài)功耗很低，輸出電壓可調(diào)，帶輸出使能端的開關(guān)電源。使能信號為高電平。本設(shè)計(jì)中，輸出電壓12 V。

GPRS模塊工作電壓為3.9 V。另外開機(jī)時(shí)的瞬時(shí)電流比較大。所以綜合以上特性，選用輸出電壓可調(diào)的低壓差LDO芯片MIC29302，它可以提供最大輸出3A的電流，滿足GPRS模塊的工作需要。該電源芯片帶有輸出使能端，使能信號為高電平；

考慮到控制器的GPIO管腳的負(fù)載能力，在電源模塊的使能端控制電路設(shè)計(jì)中，采用三極管開關(guān)電路來控制電源使能端的開啟與關(guān)閉?？刂破鞯腉PIO管腳連接到三極管的基極，控制三極管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)了對上述工作電源輸出使能端的控制。

2 覆冰翻轉(zhuǎn)監(jiān)測裝置軟件設(shè)計(jì)

覆冰翻轉(zhuǎn)監(jiān)測裝置的軟件開發(fā)環(huán)境采用基于C/C++的嵌入式開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench for MCS51。IAR Embedded Workbench的 C/C++ 交叉編譯器和調(diào)試器是今天世界最完整的和最容易使用專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。IAR Embedded Workbench支持 35 種以上的 8 位 /16 位 32 位的微處理器結(jié)構(gòu)對不同的微處理器提供一樣直觀用戶界面。

輸電線路發(fā)生覆冰翻轉(zhuǎn)這一情況一般出現(xiàn)在冬季，或者溫度低于零攝氏度的情況下。監(jiān)測裝置的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如下：

(1)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的測量周期進(jìn)行循環(huán)。循環(huán)周期通過主控制器內(nèi)置的休眠計(jì)數(shù)器設(shè)定。

(2)循環(huán)內(nèi)部通過環(huán)境溫度判斷是否需要測量和發(fā)送傾角數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度高于閥值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)溫度低于閥值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)測量傾角數(shù)據(jù)并通過GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。完成上述操作后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個(gè)測量周期。

監(jiān)測裝置軟件工作流程圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測裝置軟件工作流程圖

3 測試與結(jié)論

傳感器送出的數(shù)據(jù)格式為，一幀數(shù)據(jù)5個(gè)字節(jié)，前2個(gè)字節(jié)為固定的幀頭；接下來2字節(jié)為角度數(shù)據(jù)；最后一個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)和。傳感器送出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，將2個(gè)字節(jié)的角度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為4個(gè)字節(jié)的ASCII字符，通過GPRS模塊發(fā)送出去。監(jiān)控中心主機(jī)收到4個(gè)字節(jié)的ASCII字符后，將其還原為兩個(gè)字節(jié)的角度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解碼，得到導(dǎo)線的翻轉(zhuǎn)角度。

部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表1

本監(jiān)測裝置在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，布置在模擬輸電導(dǎo)線上，測量數(shù)據(jù)通過監(jiān)測裝置上的GPRS模塊發(fā)出。接收端的GPRS模塊通過串口轉(zhuǎn)USB模塊與PC相連，收到數(shù)據(jù)后，顯示在PC上的串口調(diào)試助手軟件中。經(jīng)過試驗(yàn)，本監(jiān)測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，正確測量角度，接收并顯示數(shù)據(jù)。下一步，在野外環(huán)境中實(shí)地測試，并將接收并顯示傾角數(shù)據(jù)的功能集成在整個(gè)覆冰監(jiān)測系統(tǒng)軟件中。本監(jiān)測裝置的創(chuàng)新點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)對翻轉(zhuǎn)角度這一物理量實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動測量，同時(shí)整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的功耗很低，節(jié)省能源。

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