基于無線傳感器的輸電桿塔傾斜在線監(jiān)測系統設計

楊俊鴻

摘要：桿塔傾斜屬于典型的隱形故障，在桿塔傾斜現象發(fā)生的發(fā)展初期，巡線人員很難用肉眼觀察到其微小變化。當其發(fā)生沉降時，輸電線路已處于危險狀態(tài)。特別是在臺風等自然災害發(fā)生時，需要快速統計桿塔倒桿、傾斜數量，用于應急救災的計劃安排。鑒于此，本文研發(fā)了一種桿塔傾斜監(jiān)測及統計裝置可以發(fā)現桿塔變形和傾斜，并找出其發(fā)生、發(fā)展的特點，及時掌握傾斜桿塔的變化，預見其發(fā)展程度，及時采取相應措施，確保線路的安全運行。

關鍵詞：無線傳感器;輸電桿塔;在線監(jiān)測;系統設計

0引言

輸電桿塔發(fā)生傾斜的原因，通常有惡劣氣候（如臺風、龍卷風等）、礦石開采、工程施工以及其他外力破壞等。對于我國珠江三角洲地區(qū)來說，這里地勢平坦，每年都有數個臺風登陸，是龍卷風易發(fā)區(qū)。而廣東龍卷風最為多發(fā)的佛山地區(qū)，因為臺風、龍卷風等導致的線路斷線倒桿塔、故障跳閘等事件時有發(fā)生。

2015年10月受臺風“彩虹”影響，禪城、順德等多處發(fā)生停電。佛山市電網受影響停電客戶共94253戶，負荷損失146.7MW。風災共造成佛山電網5個110kV變電站失壓，全市共45.1KM 10kV及以上供電線路受損，133回10kV及以上線路跳閘：1基220kV鐵塔倒塌，188支10kV電桿（塔）斷桿，倒桿，傾斜，4臺配變受損。

本次桿塔傾斜狀態(tài)監(jiān)測裝置的成功研發(fā)，從技術層面上可以在災害發(fā)生時或災害發(fā)生后迅速定位倒桿塔，為災后快速復電提供最時效的倒塔定位信息。大范圍推廣后，必將對我們今后的災后快速復電工作大有幫助。

1基于無線傳感器的輸電桿塔傾斜在線監(jiān)測系統總體設計

本研究中開發(fā)的監(jiān)測裝置采用電容微型擺錘原理，在地球重力的作用下，通過對裝置中的電容量向量進行分析和轉換最終得到輸電桿塔的傾斜角度。裝置總體組成部分有：①系統內核，數字輸出型雙軸傾角無線傳感器×1;②轉換器，高精度16bit A/D轉換器×1;③其他傳感器，高精度數字傳感器。其中，高精度數字傳感器的主要作用，是保證不同溫度下的裝置運行精度。傾斜監(jiān)測原理見圖1。

其中，Ur和Us分別表示擺錘的左極板電壓和右極板電壓。一旦傳感器出現傾斜，傳感器中的Ur和Us會產生一定的規(guī)律變化，計算傳感器斜角（a）的公式為：

對于輸電桿塔來說，需要計算的傾斜角主要有橫向傾斜角和縱向傾斜角兩種，傳感器通過計算桿塔在直角坐標系中的傾斜量，將分析結果儲存到裝置中的存儲器中。桿塔綜合傾斜角（α）的計算方法為：

其中，α1、α2分別表示桿塔的橫向傾斜角和縱向傾斜角。

本次設計的基于無線傳感器的輸電桿塔傾斜在線監(jiān)測系統主要包括桿塔傾斜監(jiān)測模塊、GPRS通信模塊和后臺管理系統三部分。整體設計框架見圖2。

本次系統中的桿塔傾斜監(jiān)測模塊主要由傾角傳感器、主板、供電裝置和數據處理裝置以及TSM無線模塊構成。這些裝置被緊密固定于桿塔上，對桿塔的傾斜狀況進行實時監(jiān)測。系統中的GPRS模塊主要由主板、溫度傳感器、供電裝置和GPRS模塊構成。這些裝置主要作用為遠程傳輸數據和接收主站控制指令。主站管理系統創(chuàng)新性地采用主機+手機的管理方式，增強了數據管理和風險處理的靈活性。

2桿塔傾斜監(jiān)測裝置設計

2.1防電磁干擾設計

電磁干擾主要影響系統中的供電模塊，因此在本系統中，對供電芯片模塊加裝了抗干擾單元。如圖3所示，抗干擾單元主要包括四方面：①自恢復保險絲，圖中F1;②并聯的壓敏電阻，圖中VDR1;③并聯陶瓷放電管，圖中RV2;④防反二極管，圖中D10;瞬態(tài)抑制二極管，圖中D9。

2.2GPRS通信模塊設計

本次系統設計，筆者選用了整體式的西門子MC55 GSM/GPRS通信模塊，該模塊技術成熟、設計緊湊、體積較小，且在系統低功耗狀態(tài)下能夠實現3mA電流運行，非常適合無線式信號傳輸。在接線方式的上，系統GPRS通信模塊兩側分別與DSP芯片和SIM卡卡座電路相連，實現監(jiān)測模塊與后臺管理系統的無線通信。

2.3控制流程設計

系統控制流程圖見圖4所示。開始運行之前，首先要對系統的PSW值、中斷向量入口地址進行初始化和設置，對系統的主時鐘、RSS時鐘、GPIO、定時器等設備進行初始化，通電進入數據采集狀態(tài)，然后進入系統測量模式，讀取采集頻率為8Hz狀態(tài)下的數據實時數據。通過對采集數據進行計算，得到桿塔的綜合傾斜數據。最后將所得數據通過GPRS模塊上傳。

3主站管理系統設計

3.1結構設計

本次系統設計中，輸電桿塔傾斜監(jiān)測系統由一個中心主站和若干個監(jiān)測子站組成。中心主站與各個子站之間通過GPRS連接。一旦發(fā)生桿塔傾斜事故，各個監(jiān)測子站可以立即通過IP地址分析，將事故數據發(fā)送到中心主站系統，中心主站系統通過對實時數據進行分析、計算和處理呈現給工作人員，從而提醒線路運維人員對線路運行狀況予以關注并采取相應處置措施

3.2軟件平臺設計

本次主站管理系統主要采用三層架構統一開發(fā)的模式。三層架構主要為：①數據層，主要作用是封裝訪問傾斜監(jiān)測設備的通信接口，并針對設備和數據的處理方法提供參考意見;②業(yè)務邏輯層，主要作用是根據不同的工作環(huán)節(jié)對反饋回的各種數據進行邏輯分析和處理;③應用表示層，主要是直觀顯示數據并實現人機交互。具體來說，三層架構的主要功能如下。

數據層：能夠提供數據實時處理和訪問功能，可以查詢各個監(jiān)測區(qū)任一桿塔的狀態(tài)數據，如終端設備狀態(tài)、桿塔傾斜狀態(tài)、電池剩余電量等。

業(yè)務邏輯層：業(yè)務邏輯層的具體功能包括三方面。第一，能夠判斷用戶是否具有對該系統的訪問權限;第二，能夠根據用戶信息，判斷用戶是否具有站點管理的權限;第三，將不同的工作流程進行邏輯處理，通過分析，將統計結果呈現到應用展示環(huán)節(jié)。

應用表示層：應用表示層的功能主要是指令交互和數據呈現。用戶可以通過APP、瀏覽器對數據進行遠程操控和查詢。

4應用案例及效果

4.1應用案例

本文以佛山禪城供電局為例，將每一個輸電塔定位一個通信節(jié)點，在每一個輸電塔上安裝1到3個監(jiān)測裝置，系統的組網方案如圖5所示。監(jiān)測裝置將收集到的數據通過GPRS傳送到監(jiān)控中心。

通過對數據的實時監(jiān)控，裝置對輸電桿塔的受力、變形情況進行了呈現。工作人員能夠根據數據準確分析出影響桿塔傾斜狀況的危險因素，并積極制定施工方案對桿塔進行優(yōu)化。

4.2應用效果

本次研發(fā)出的系統具有集成度高、安裝簡單的特點，工作人員不需要進行培訓就可以對裝置進行正常安裝。且該裝置監(jiān)測精度較高，已經在佛山部分地區(qū)進行了實際應用。結果表明，該裝置能夠準確反映輸電桿塔的傾斜、變形和扭動情況，感應靈敏且數據傳送及時。此外，該裝置對于桿塔施工過程中的桿塔受力以及變形情況也有很好的監(jiān)測效果，在對桿塔進行安裝或修繕時，該裝置能夠幫助工作人員及時發(fā)現危險因素，保證工作安全進行。

5結語

本文針對傳統輸電線路運維管理工作的不足，提出了開發(fā)新的輸電桿塔的構想，研發(fā)了一套桿塔傾斜狀態(tài)監(jiān)測裝置，能夠實現桿塔傾斜狀態(tài)的在線監(jiān)測。該裝置能夠通過GPRS進行無線實時通信，將監(jiān)測區(qū)域內的若干輸電桿塔傾斜情況進行處理。系統精度高，能夠進行雙向傾斜角度（延線路方向和垂直于線路方向）實時監(jiān)測，且桿塔傾斜狀態(tài)監(jiān)測裝置無需專業(yè)工具即可安裝，簡單地與桿塔固定后，就可以監(jiān)測桿塔的傾斜狀態(tài)。克服了傳統的巡線檢修依靠人工、拼時間、憑經驗的運維檢修模式，在實際運營過程中效果優(yōu)秀。

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