基于GPRS的低功耗输电线路覆冰翻转监测装置的设计与实现

李 辉，曹永兴，孟劲松，张昌华，黄 琦

（1 电子科技大学电力系统广域测量与控制四川省重点实验室，四川成都 611731；2 电子科技大学能源科学与工程学院，四川成都 611731； 3 四川省电力试验研究院，四川成都 610072）

0 引言

输电线路覆冰严重威胁着输电线路和电力网络的安全，可靠的运行。当覆冰载荷超过输电线路的设计抗冰标准时，会引起导线的翻转，舞动等问题。特别是2008年初，我国南方因为特大雨雪冰冻灾害造成的输电线路大面积覆冰，造成铁塔倒塌，输电线路断线，严重影响电网运行，给人民生活带来严重不便，使国家遭受巨大的财产损失，因此，对输电线路的翻转角度的实时监测，可以保证输电线路的安全。本文主要针对500千伏四分裂输电线路覆冰后，输电导线会相对其几何中心发生相对转动的情况，设计实现了一种可以自动检测并发送输电导线翻转角度数据的在线监测装置。本监测装置以一定的频率检测输电线路的翻转角度，并将检测结果通过GPRS网络发送给监控中心。当输电线路覆冰后，翻转角度超过一定范围，监控中心可以通过本装置了解到这一情况，并采取措施保证输电线路的安全。

1 覆冰翻转监测装置硬件设计

1.1 系统整体设计

本文研究的测试装置主要是通过倾角传感器测量四分裂导线间隔棒的翻转角度，然后通过GPRS技术将测试数据传回控制中心，从而实现了导线翻转的监测。监测装置硬件框图如图1所示。

图1 监测装置硬件框图

整个监测装置硬件以基于C8051F的片上系统芯片CC2530F256为主控制器。CC2530 F256是一个真正的片上系统（SOC）的解决方案。它以增强型8051F单片机作为控制核心，系统内包含8KB的RAM，256KB可编程的Flash.。同时该控制器有四种工作模式，使它尤其适用于具有超低功耗要求的系统。

在图1中，考虑到现场恶劣的工作环境、强烈的电磁干扰以及测试装置依靠蓄电池进行供电的实际情况，因此该系统对倾角传感器的精度、GPRS通信模块工作的可靠性和系统的整体功耗水平提出了较高的要求。

1.2 倾角传感器的选型及通信接口设计

整个监测系统要工作在低温，强磁场的恶劣环境中，因此，对传感器的抗干扰能力提出了很高的要求。角度测量硬件采用ROB200单轴倾角传感器。它采用RS422通信协议，上电稳定一段时间后直接通过一对差分信号线输出测量结果，抗干扰能力比模拟输出的传感器强。同时，该传感器的功耗相对于同类型的传感器要低，对降低整个监测系统的功耗有很大帮助。倾角传感器工作电压为12 V，传感器输出的差分信号TXD+，TXD-分别连接电平转换芯片的A，B两端，经过电平转换芯片转换成3.3 V的LVTTL电平，从RO管脚输出，送至控制器的串口输入端RX。图2为倾角传感器与控制器之间的接口电路。

图2 倾角传感器接口电路

1.3 GPRS模块的选型及通信接口设计

GPRS通信选用M590模块。 M590模块支持TCP/IP协议，可以简单地通过AT指令建立起一条基于TCP/IP协议的通信链路，可靠地传输数据。同时该模块的结构简单，工作可靠，功耗相对较低，适合搭建低功耗的监测系统。

GPRS模块通过串口与控制器通信。因为GPRS模块的TX,RX信号电平为2.85 V的CMOS电平，而控制器的输出电平是3.3V的LVTTL电平，因此，在GPRS模块的RX管脚和控制器的TX管脚之间串联一个分压电阻，使GPRS模块RX管脚输入电压满足模块的电平要求；控制器要求输入的高电平信号范围在2.5 V到3.3 V之间，所以，GPRS模块的TX管脚通过一个0欧电阻与控制器的RX管脚相连。

GPRS模块设计中，加入了两个LED。一个用来指示模块的供电情况；模块上电后，LED状态为常亮；一个用来指示模块的工作情况；模块工作时，LED以1 s的间隔闪烁。

GPRS模块与SIM卡之间的互连设计，通过1根电源线与3根信号线。其中：(1)模块通过VCC对SIM卡供电； (2)模块向SIM卡提供复位信号RST,串行时钟信号CLK,模块与SIM卡之间的数据信号SIMIO。考虑到防静电的需要，在GPRS模块与SIM卡之间接入了一个ESD模块，防止静电对模块和SIM卡造成损害。 GPRS模块原理图如图3所示。

图3 GPRS模块原理图

1.4 系统低功耗的设计

为了降低系统功耗，倾角传感器的电平转换芯片，倾角传感器，GPRS等3个模块工作时， 控制器通过指令开启每个模块的工作电源。当上述模块不工作时，控制器通过指令关闭模块的工作电源，以降低整个系统的功耗。因此，整个监测系统的低功耗设计，除了前文介绍的低功耗模块选型之外，另外一个重点是上述模块的工作电源的选择和设计。

电平转换芯片的工作电源选择固定输出电压为3.3 V的LP2951-3.3；这是一款低压差，静态功耗很低，带输出使能端的LDO电源。使能信号为低电平。

传感器的工作电源选择MIC2145；这是一款静态功耗很低，输出电压可调，带输出使能端的开关电源。使能信号为高电平。本设计中，输出电压12 V。

GPRS模块工作电压为3.9 V。另外开机时的瞬时电流比较大。所以综合以上特性，选用输出电压可调的低压差LDO芯片MIC29302，它可以提供最大输出3A的电流，满足GPRS模块的工作需要。该电源芯片带有输出使能端，使能信号为高电平；

考虑到控制器的GPIO管脚的负载能力，在电源模块的使能端控制电路设计中，采用三极管开关电路来控制电源使能端的开启与关闭。控制器的GPIO管脚连接到三极管的基极，控制三极管的导通与关断，从而实现了对上述工作电源输出使能端的控制。

2 覆冰翻转监测装置软件设计

覆冰翻转监测装置的软件开发环境采用基于C/C++的嵌入式开发环境IAR Embedded Workbench for MCS51。IAR Embedded Workbench的 C/C++ 交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具。IAR Embedded Workbench支持 35 种以上的 8 位 /16 位 32 位的微处理器结构对不同的微处理器提供一样直观用户界面。

输电线路发生覆冰翻转这一情况一般出现在冬季，或者温度低于零摄氏度的情况下。监测装置的系统软件结构如下：

(1)系统根据设定的测量周期进行循环。循环周期通过主控制器内置的休眠计数器设定。

(2)循环内部通过环境温度判断是否需要测量和发送倾角数据。当温度高于阀值时，监控系统重新进入休眠状态；当温度低于阀值时，监控系统测量倾角数据并通过GPRS模块发送数据。完成上述操作后再次进入休眠状态，等待下一个测量周期。

监测装置软件工作流程图如图4所示。

图4 监测装置软件工作流程图

3 测试与结论

传感器送出的数据格式为，一帧数据5个字节，前2个字节为固定的帧头；接下来2字节为角度数据；最后一个字节为校验和。传感器送出的数据，经过转换，将2个字节的角度数据，转换为4个字节的ASCII字符，通过GPRS模块发送出去。监控中心主机收到4个字节的ASCII字符后，将其还原为两个字节的角度数据，并进行解码，得到导线的翻转角度。

部分实验数据如下表1所示。

表1 部分实验数据

续表1

本监测装置在实验室环境下，布置在模拟输电导线上，测量数据通过监测装置上的GPRS模块发出。接收端的GPRS模块通过串口转USB模块与PC相连，收到数据后，显示在PC上的串口调试助手软件中。经过试验，本监测系统能够稳定工作，正确测量角度，接收并显示数据。下一步，在野外环境中实地测试，并将接收并显示倾角数据的功能集成在整个覆冰监测系统软件中。本监测装置的创新点在于可以实现对翻转角度这一物理量实现远程自动测量，同时整个监测系统的功耗很低，节省能源。

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