输电线路在线监测系统的设计与实现

输电线路在线监测系统的设计与实现

成亚东

湖北宏源电力科技有限公司  湖北省  武汉市  430000

摘要：随着我国电网规模的不断扩大，输送容量、输送电压等级也不断提高，电网事故而造成的经济损失也越来越大。架空输电线路工作环境恶劣，尤其是在山区，在寒冷环境下容易发生结冰而发生大范围线路舞动现象，对架空输电线路造成严重损耗。根据相关研究，输电线路微风振动和导线覆冰、舞动是导致架空输电线路发生振动损伤的主要的危害形式。因此，建立输电线路在线监测对于保障电网的安全稳定运行至关重要。

关键词：输电线路；在线监测；系统设计

一、系统架构和功能

架空输电线路监控系统基于电力物联网来准确实现架空输电线路舞动信息的采集，数据分析和预警。系统分为舞动监测装置、通信主机系统和上位机系统3部分组成，融合智能传感技术、数据分析技术、人工智能运算等。舞动监测装置由无线传感器、气象传感器等信号采集模块、信号调流模块、STM32控制模块、通信模块构成，负责采集导线舞动幅值、频率等信息以及外界环境信息，其中导线舞动监测装置及各类传感器装设在杆塔上，通过RS485与导线舞动状态监测装置连接，通信主系统首先将采集的信息经硬件低通滤波去除高频噪声传输至由STM32主控模块进行加速度解算、去直流、积分计算，获得导线位移信息，通过ZigBee通信方式将加速度、位移、环境等参数打包传递至上位机终端。

上位机终端算法处理中心对舞动信息进行重建并显示保存，同时根据内嵌的算法预警功能模块，基于遗传BP神经网络算法对数据进行处理分析，并进行架空输电线路监控预警。

二、输电线路监测系统设计

针对输电线路经常出现的电力故障，设计关于输电线路监测的方案。

1.系统总体结构

本装置利用STM32F103RCT6单片机及与其控制的外设装备对铁塔状态进行监测，GSM/GPS实现组网和定位，STM32F103RCT6单片机获取传感器检测的数据，再通过GSM模块于另一块连接网关的GSM模块进行通信并通过TCP/IP协议上传数据至服务器中进行分析处理，以此实现物联网的组网。此时，客户可以通过客户端软件随时查看数据，GPS则完成铁塔定位功能，当出现故障预警时可以快速准确的定位铁塔位置，再进行人工检修或者进行其他事故处理方案。

2.太阳能供电模块设计

太阳能作为一种清洁且可以不间断使用的新型能源，但是太阳能电池板对天气的变化非常敏感，光线强度变化较大时，太阳能电池板输出功率变化也较大，直接使用光伏板给电池充电，就会对电池产生损害。利用稳压芯片对光伏板输入的功率进行控制，使其在给电池充电时能够达到稳定的状态，并且不会对电池有损害，负载工作则使用降压芯片为其提供正常工作的额定电压，然后电池再给负载进行供电。

3.传感器的选择

输电线路监控预警所需要采集很多的数据类型和数量，有环境温湿度、风速、风向、大气压强、振幅、经纬度、电量、GPS位置、视频监控、报警等，这些数据大多可用传感器测得，采用传感器采集信息，单片机将传感器采集到的数据转换成JSON字符串格式通过GSM模块发送到服务器端，之后读取服务器在进行数据解码显示。

（1）加速度传感器

加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器，属于机械量传感器。由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件等部分组成。输电线路监控预警装置采用的是十轴陀螺仪姿态传感器，它可测量电塔的倾斜角，把加速度传感器固定在电塔上，当输电线铁塔振动或姿态改变时，加速度传感器的敏感轴由于力的作用会产生一定角度，敏感轴上的加速度会发生改变。通过收集加速度传感器的信息反映铁塔的振动或姿态变化。

（2）风向风速传感器的应用

本设计采用的是风速风向变送器风速袋三杯气象风速仪传感器，传感器组件由风速传感器、风向传感器、传感器支架组成。三杯式风速传感器是一种常见的风速传感器，由3个或3个以上的风杯、转轴、机身组成，每两个相邻的风杯会有一定的夹角。这种风速传感器的原理是利用风吹动风杯内的转轴产生不同转速设计的可连续监测电塔的周围风速、风量（风量=风速x横截面积）大小，能够对电塔的周围风速风量进行实时显示。

（3）微气象传感器的应用

监测环境温湿度及大气压强的传感器基础配件是百叶箱，可以安置多种传感器，例如温湿度传感器、大气压力传感器等，均可放入其中用于电塔输电线路的微气象监测。温度传感器所用的是热敏电阻，阻值随温度的变化而变化，湿度传感器原理是当水蒸气吸附在感湿薄膜上，原件上的电阻率和电阻值都会发生变化而工作，可以测量导线湿度。利用温湿度传感器可以测量电塔的周围环境温湿度，通过与历史数据对比，反应电塔输电线路的运行情况。采用的大气压力传感器的量程是0～120Kpa，工作温度在-20℃～+60℃，0%RH～80%RH之间，由直流电压10～30V供电。压力传感器是基于空气压强为测量对象，实现感应的传感器。输电线路故障预警装置主要监测电塔线路的倾斜角，风速、风向，温湿度，经纬度，大气压强等。通过对这些数据的监测掌握输电线路信息，以提高输电线路安全性和可靠性。

三、系统软件设计

本文监测系统采用GSM模块实现短信发送、语音通话，GPRS通信等功能，利用GSM模块将GPS位置和STM32F103RCT6单片机获取传感器检测的数据通过2G网络、TCP/IP协议上传至服务器中，可以随时在服务器指定的数据库中获取数据，并显示在图形界面中。

该系统监测平台为多用户B/S结构的电力线路智能巡检管理系统，系统采用ThinkPHP企业应用技术框架，采用分层模块化功能设计、使系统具有良好的能力性。系统分电力线路智能巡检管理和智能硬件检测系统。后台管理系统完全采用PHP语音进行开发，具有跨平台特性，可以安装部署到WindowsServer（2008及以上）、Linux操作系统。该系统平台采用的HibernateORM数据映射模型、可部署到Oracle等大型数据库、也可部署到PostgreSQL等开源数据库。如图1所示，低功耗的无线传感器网节点能够在高压塔架周围实现一个无线传感网络，采集环境温度、风速、风向、日照、铁塔状态等数据，并通过每个塔架上的GPRS节点将数据回传至控制中心。

图1后台界面显示图

结束语

设计了一种架空输电线路舞动在线监测系统进行极端环境下的导线舞动监测，并引入遗传BP神经网络实现对导线舞动的预警，实现对输电线路舞动监测和预警，研究结论主要有：（1）输电线路舞动在线监测系统采用三层网络框架结构，由舞动监测装置、通信主机系统和上位机系统3部分组成。采用ADIS16365惯性传感器采数据采集，由ZigZee通信模块的数据通信。利用上位机内嵌遗传BP神经网络算法进行数据分析和舞动预警。（2）基于遗传BP的神经网络算法进行架空输电线路监控预警。以环境参数和实际线路舞动为输出组构成训练集，通过遗传算子的交叉组合和变异形获得的末代种群个体最优解。通过仿真实验表明，算法的精确度较高，实例验证也表明该算法的有效性。

参考文献

[1]余盛达,叶保璇,冯毅强,易婷婷,韩旭君,施超.基于前端识别的架空输电线路在线监测技术研究[J].通信电源技术,2021,38(03):44-46.

[2]刘文峰,袁翔,傅建宇.架空线路覆冰在线监测模型的研究现状[J].电子测试,2019(14):44-46+43.

[3]杨明玉,毛王清.基于遗传算法优化神经网络的直流输电线路故障测距算法[J].华北电力大学学报(自然科学版),2015,42(01):34-38.