输电线路智能微气象站在线监测仪的设计

李佳奇，李学斌，赵义松

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

专论

输电线路智能微气象站在线监测仪的设计

李佳奇，李学斌，赵义松

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

针对现有输电线路机械式微气象采集系统的缺陷，研究并开发了以低功耗控制器为核心的微气象在线监测仪。该在线监测仪采用AVR单片机，利用超声波方式实现了风速风向的采集，且引入温度补偿技术，辅以地磁角校正技术，达到了输电线路风速风向准确监测的效果。GPS定位技术可以使测试结果更加准确。该微气象在线监测仪精度高，无需复杂的维护，安装简易，因此可广泛应用在各类输电线路在线监测的现场。

输电线路；在线监测；风速测试；风向测试；超声波

输电线路的安全稳定运行受到多方面因素的制约。实时监测温度、湿度、风速、风向、光照度等数据，并作出合理的分析，特别是针对北方输电线路容易发生覆冰，及时制定相应的预案，可以大大提高线路运行的稳定性，保障电网安全。传统风速风向检测仪采用机械结构完成测试，安装施工繁琐且机械式结构存在磨损情况，需要定期更换。安装施工时需要安装人员完成正北方向的标定，考虑安装人员的技术水平不同，无法保证安装的准确性［1］。

信息的飞速发展带来了输电线路在线监测的变革。可在输电线路微气象监测领域引入处理器，辅以超声波测试技术达到输电线路风偏在线监测的目的。温湿度和超声波风偏监测均不需要任何机械测试元件，因此测量精度大大提高。引入电子罗盘实现智能地磁角方向的判断，解决了施工时重复确定正北方向的难题，减轻了安装施工人员的负担。超声波声速根据温度采集结果进行非线性修正，增加了测试结果的可信度。GPS定位可以使线路位置结果更加直观。将以上数据综合分析后，采用无线通信方式实时发送给控制中心，调控中心可及时了解现场工况，并对各类预警信息作出分析判断，必要时采取相应措施进行处理。该研究和应用具有良好的经济价值和市场前景。

1 超声波风速风向监测基本原理

风速风向的判断以时差法作为理论依据。测试原理图如图1所示，设S为超声波发射探头到超声波接收探头的距离，X为2只传感器的直线距离［2］。

令Tab为超声波信号从a探头发出到b探头接收，顺风气流消耗的时间，Tba为超声波信号从b探头发出到a探头接收，逆风气流消耗的时间。可得：

图1 超声波风速风向监测原理模型

式中：C为标准声速，m／s；v为实际风速，m／s。

根据公式（1）、（2），得到该方向风速为

假设当前风速为V，在x，y坐标轴投影分量分别是Vx，Vy，则［3］：

2 输电线路智能微气象在线监测仪硬件设计

精确测试出Tab和Tba后，就可以利用时差法进行风速测试。本设计采用8位低功耗AVR处理器完成微气象站的设计［4］。该处理器具备功耗低、外设多等优点，很好地实现了需要的功能。

智能微气象站系统电路部分由超声波发射／接收模块、微计算机模块、地磁角校正模块、GPRS数传模块和测温补偿模块组成，系统硬件框图如图2所示。

2.1 超声波风速风向测试设计

超声波风速风向测试过程如下：

a.控制探头A发射信号，探头B接收信号；

图2 输电线路智能微气象在线监测仪硬件框图

b.控制探头B发射信号，探头A接收信号；

c.控制探头C发射信号，探头D接收信号；

d.控制探头D发射信号，探头C接收信号。

上述4个步骤分时循环进行，实现二维轴方向的超声波信号风速风向探测［5］。

2.2 超声波发射电路设计

系统引入了TCRT40形式超声波探头，为了简化电路设计，脉冲波利用单片机的内部定时器产生，并在驱动端产生超声脉冲信号。驱动器采用74HC04构成的5个反相器，形成相位差为180°的脉冲，以提高信号的发射功率。超声波发射电路如图3所示。

图3 超声波发射电路图

2.3 超声波接收电路设计

系统采用CX20106一体化滤波放大芯片，实现了超声信号的检波，以滤除无用的干扰信号。超声波接收电路如图4所示。

2.4 地磁角智能校正模块

根据公式（6）确定风向与正北方向夹角，而依据人工方式来判断定标方向不但耗时耗力，且极易引入数据误差。本智能微气象站提出利用电子指南针模块进行地磁角的测试，实际风向由软件进行后期处理，同时加入地理信息模块达到GPS定位的效果，最终使得整机的安装调试得到大大简化。

2.5 GPRS无线数传模块

图4 超声波接收电路图

采集并处理后的温湿度、风力、风向以及光照度数据，打包后通过3G无线数传方式发送给主控室。采用无线方式，不仅提高了数据的可靠性，也很好地解决了有线通信在现场布线施工量大，周期长的窘境。为了降低功耗，增加测试时间，系统采用太阳能电池板充电加锂电池后备供电，根据实际情况定时上传数据包，采用格式为电力行业规范的IEC61850协议标准数据包。不采集数据时整机进入休眠模式，功耗小于10 μA。

2.6 温度补偿模块

由于声速受到温度影响，需要进行温度测试，以达到对声速修正的目的。采用广泛应用的热敏电阻和单片机接口，电路简单且满足测试需要。声速和温度的关系式如下：

式中：T为环境实际温度，℃；C为实际声速，m／s。

配合声速补偿公式，能使测试精度进一步提高。

3 智能微气象站监测仪软件设计

开机后整机进行初始化，之后单片机驱动超声发射探头发出6个超声信号，并打开单片机内部定时器T0进行时间统计。若单片机判断接收探头收到超声信号，则立即暂停定时器T0，并将结果存入对应的RAM单元。A探头发射，B探头接收，得到时间Tab；然后由B探头发射，A探头接收，得到时间Tba。用同样的方法测试出Tcd、Tdc。再由式（5）～（7）进行软件分析，最后将所有数据进行打包，通过无线方式模块上传主控中心。系统工作软件流程图如图5所示。

4 智能微气象站测试试验与误差分析

图5 智能微气象站监测仪软件设计流程图

为了模拟现场效果，使用风扇产生恒定风速，采用0.5 m／s精度的机械式风速仪作为校准仪器完成标定，于20℃室温环境中测试，结果如表1所示。

表1 试验数据

通过试验发现，测试仪和标准校准仪都有0.3 m／s数据波动的情况，可近似推出两者的精度相同。随着风速趋近于零，风向随机变化，通过理论研究归结为测试白噪声。方向角的测试结果伴随着风速的提升而接近实际数值。

5 结束语

根据超声波传播特性，完成了智能微气象站超声波风速风向仪的数学模型，并且以AVR微功耗处理器设计了风速风向测试仪，通过软件模块化设计与温度修正，最终实现了对输电线路风速风向的精确测量，实现对设备状态的动态评价和在线测试。该系统维护费用低，有较高的经济价值与应用前景。

［1］韩洪刚，李学斌.“大检修”体系下状态检修技术支撑力量的建设［J］.东北电力技术，2013，34（3）：23－26.

［2］杨理践，李佳奇，高松巍.基于虚拟仪器的天然气管线泄漏声波监测与定位系统［J］.仪表技术与传感器，2010，39（7）：19－21.

［3］郑玲玲，许 刚.基于时差法的超声波测风系统的研究［J］.电子测量技术，2012，36（12）：31－34.

［4］宋进良，王艺帆，李为兵.基于FPGA技术的电压监测设备远程智能检测系统的研究［J］.东北电力技术，2014，35（4）：35－39.

［5］张幼明，高忠继，黄 旭.智能变电站技术应用研究分析［J］.东北电力技术，2012，33（5）：1－3.

Design of On⁃line Monitoring Instrument for Intelligent Micro Meteorological Station in Transmission Line

LI Jia⁃qi，LI Xue⁃bin，ZHAO Yi⁃song

（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

According to the defects of mechanical micro meteorological collection system in transmission line，micro meteorological on⁃line monitoring system with low power consumption controller at its core is developed.The online monitoring by AVR processor uses ul⁃trasonic wave to realize collection of wind direction and wind speed and temperature compensation geomagnetic angle correction technol⁃ogy can accurate to monitor wind effect for transmission line.GPS location techn6ology make the test results more accurate.The on⁃line monitoring has high accuracy and easy installation without complex maintenance.It can be widely used in the on⁃line monitoring of all kinds of transmission lines.

Transmission line；On⁃line monitoring；Wind speed testing；Wind direction testing；Ultrasonic

TM726.3

A

1004－7913（2015）09－0001－03

李佳奇（1984—），男，硕士，工程师，主要研究方向为仪器仪表技术及智能电网技术。

2015－06－30）