输电线路微气象低功耗实时监测系统设计

颉　钰

(山西国峰煤电有限责任公司，山西 汾阳 032200)

0　引言

随着全球气候变化，我国出现极端天气的次数明显增多。电力系统中，大量的架空输电线路等输变电设备长期暴露于大气环境之中，其性能的稳定性直接关系到电力系统的运行安全。长期运行经验表明，外部气象环境导致的输变电设备失效是影响电力系统安全的主要原因之一，因此，对气象变化进行监测显得尤为重要[1-2]。本文设计了一种远程实时局部微气象监测系统。该系统通过气象传感器采集被监测地区的风速、风向、太阳辐射和温度等环境信息[3-7]，并由通用分组无线服务(general packet radio service,GPRS)网络将数据实时传送到监控中心服务器，实现了对地区气象的自动化监测，为分析气象变化和预防自然灾害提供了有力的数据支撑，对保障电网的安全稳定运行、维护居民的正常生活具有十分重要的意义[8-9]。

1　微气象监测系统的总体设计

本文设计的气象监测系统由野外监测站和监控中心服务器组成。鉴于黑龙江上游南岸漠河地区全年气温变化显著，而春季是冰凌灾害易发季，对电网运行机制的影响极大[10]，选择黑龙江漠河段作为被监控地区更具代表性。系统采集该段的风速、风向、太阳辐射和温度信息，将不同传感器输出的频率、电压和数字信号通过相应的调理电路变换后输送给微控制器。微控制器对数据进行处理，将其打包并利用GPRS网络发送给监控中心。监控中心由监控中心服务器、数据库服务器等设备组成。监控中心能对数据进行分析、存储和显示，实现当地气候信息的实时、自动化采集。微气象监测系统拓扑图如图1所示。

图1　系统拓扑图Fig.1　Systematic topology

2　系统硬件设计

系统的供电方式为：由太阳能电池板向铅蓄电池充电。系统设计有同步时钟，每小时采集一次风向、风速、太阳辐射、温度、电池电压信号，并将数据以规定的格式存储在本地SD卡中。系统每天采集24组数据，并在第二天的10点和17点分别将前一天的24组数据发送给服务器。除采集数据的时间点以外，外部传感器和GPRS模块都处于断电状态，以降低系统功耗。系统主要包括控制器电路、信号采集电路、无线数据通信电路和电源电路。系统结构如图2所示。

图2　系统结构图Fig.2　Structure of the system

传感器主要输出信号有0～20 mV电压信号(太阳辐射传感器)、频率信号(风速传感器)、0～2.5 V电压信号(风向传感器)。针对不同的信号，在系统中设计了相应的信号调理电路，将信号调理后送入控制器进行处理。

2.1　太阳辐射量和温度信号采集电路

系统采用总辐射表TBQ-2-B作为太阳辐射量采集传感器。它由快速响应的绕线电镀式热电堆组成。当太阳照射时，感应面温度升高，与另一面的冷节点形成温差电动势。温差电动势范围为0～20 mV。此电压信号需要放大，以提高A/D测量精度。信号采集放大电路如图3所示。由太阳辐射强度转化的电压信号输入仪表放大器AD623，经放大后送入控制器进行A/D采集。

图3　信号采集放大电路Fig.3　The signal acquisitionand amplification circuit

(1)

由式(1)可计算出太阳的辐射量，其单位为W/m2。其中，灵敏度系数取10.29。

温度传感器为DS18B20，具有体积小、抗干扰能力强、精度高等特点。该传感器便于数字化读写操作，测温范围为-55～+125 ℃，能够满足漠河地区气温检测的要求。

2.2　风速、风向信号采集电路

风速传感器为三杯式回转架，型号为ZQZ-TF，采用12V供电，信号变换电路为霍尔传感电路。其工作原理是：风速传感器在风的作用下，由风杯带动主轴旋转，传感器输出12V脉冲信号，脉冲信号的频率与风速呈线性关系。控制器工作电压为3.3V，需要进行电平转换，将脉冲幅值调整到控制器允许的幅值范围内。该设计采用TLP521-1进行电平转换，能起到隔离作用。风速电平信号转换电路如图4所示。

图4　风速电平信号转换电路Fig.4　The wind speed level signal conversion circuit

风速传感器的频率信号连接到WS处，通过光耦转换隔离后，得到控制器可以检测、幅值为3.3 V的频率信号。风速与频率的函数关系为：

V=0.1×f

(2)

式中：V为风速，m/s；f为频率，Hz。

风向传感器采用格雷码盘以及外部采集电路，传感器输出的连续电压信号与风向角成线性关系。该传感器型号为ZQZ-TF，采用12 V供电。输出电压信号经一级缓冲跟随电路后，送入控制器进行A/D采集。采集过程中，风向传感器每30 s采集一次数据，采集5 min，共得到10组数据。对10组数据求平均，并以其结果作为该次采集的风向数据。采集的模拟电压为0～2.5 V，可线性地对应于0～360°风向角。风向与电压对应关系如图5所示。

图5　风向与电压对应关系图Fig.5　Relationship between wind direction and voltage

2.3　电源电路

系统中，风速、风向传感器的电源为12 V，GPRS模块的电源为5 V，SD卡和控制器的电源为3.3 V。在系统中设计了低功耗电源关断电路。当系统处于低功耗时，可以通过控制器切断风速风向传感器和GPRS无线模块的电源。电源控制电路如图6所示。控制器利用P型MOS管Si9433控制电源的开断，其允许通过的最大电流ID为3.5 A，满足本系统的供电需求。当三极管Q6基极为高电平时，MOS管打开，将风速传感器连接到WS12V处，可获得12 V电源电压。风向传感器和GPRS模块也采用同样的电源控制电路。

图6　电源控制电路Fig.6　Power supply control circuit

3　软件设计

3.1　控制程序设计

系统软件流程如图7所示。

图7　软件流程图Fig.7　Software flowchart

系统采用低功耗、稳定可靠的MSP430F149控制器作为主控芯片。主控制器程序编译环境为IAR Embedded Workbench。系统软件主要由以下程序组成：主程序、实时时钟获取程序、太阳辐射采集程序、风向采集程序、风速采集程序、SD卡读写文件系统程序、GPRS无线数据收发程序。

3.2　通信软件部分设计

数据通过GPRS，以TCP/IP协议传输。主控制器将采集到的数据和时间打包后，按照通信协议发送数据。数据协议格式如表1所示。在接收数据的服务器端，可以按照协议格式解析数据。

表1　数据协议格式Tab.1　Data protocol format

为了满足监控中心的查询需求，上位机监控系统还规定了一些特殊的命令格式，以实现数据实时查询、历史查询等功能。

在设备稳定、可靠运行的基础上，以Microsoft NET Framework 4.0为开发平台，设计了服务器软件；采用Access 2010为后台数据库，实现了完整的软、硬件结合的数据采集系统。该系统采用GPRS无线网络，实现了数据远程的接收与存储，保证了数据的可靠获取。

4　现场应用

针对黑龙江漠河地区气候变化显著及春季可能存在的冰凌灾害，在改变段建立了微气象检测站。该监测站主要采集风速、风向、太阳辐射、温度等气象数据。微气象采集传感器挂接在4.5 m高的立杆上。立杆底部采用水泥浇筑，保证了稳定性。另外，在立杆上安装了太阳能光伏板。采集系统白天可以采用光伏板给主机柜内部加热，提高了设备抗冻性。系统设计了低电池电压报警功能，当太阳能充电部分因出现故障而导致铅蓄电池电压过低时，系统会向负责人发送短信提示。

微气象监测设备完成现场安装后，于2016年12月20日开始首期监测，并一直可靠稳定运行至今。监测结果如图8所示。其中，图8(a)为2017年1月12日24 h的太阳辐射和温度值，图8(b)为相同时间24 h的风速和风向值。

图8　监测结果Fig.8　The monitoring results

5　结束语

本文设计的微气象监测系统可采集被监测地区的风速、风向、太阳辐射和温度信息。该设计采用GPRS为无线数据传送单元，通过太阳能和铅蓄电池给系统供电，确保了系统稳定、可靠、持久运行。系统以.NET Framework 4.0为开发平台、Access 2010为后台数据库，开发了微气候气象采集软件，实现了被监控地区的气象采集，为电力系统管理人员制定输电线路管理计划、预防极端气候事件及凌汛灾害提供了可靠的数据支撑。在实际工程应用中，系统工作可靠、稳定，可以保持长期、持续测量。

参考文献:

[1] 王建.输电线路气象灾害风险分析与预警方法研究[D].重庆：重庆大学,2016.

[2] 袁语.气象要素对电网稳定运行影响模式的研究[D].北京：华北电力大学,2015.

[3] 刘嘉新,郎红.基于物联网的农林小气候监测系统数据汇聚平台[J].农业科技与装备,2012(11):9-12.

[4] 林兰芬,王瑞松,于鹏华.基于GIS的农田小气候环境可视监测系统[J].农业机械学报,2015,46(3):254-260.

[5] 周晓,李杰,边裕挺.基于无线传感网络的环境温度监测系统设

计[J].浙江工业大学学报,2013,41(4):440-443.

[6] 刘永广.基于多传感器数据融合的输电杆塔健康状况监测系统设计与实现[D].太原：太原理工大学,2016.

[7] 赵亮,黎峰.GPRS无线网络在远程数据采集中的应用[J].计算机工程与设计,2005(9):2552-2554.

[8] 邓召魁,吕玉祥,高存博,等.基于北斗卫星的输电杆塔在线监测系统[J].现代电子技术,2016,39(10):162-166.

[9] 刘郁珏,胡非,朱蓉.五种风速测量相关预测方法的比较研究[J].太阳能学报,2013,34(7):1241-1249.

[10]桂翰林,张秀红,王春华,等.50年来漠河县气候变化趋势分析[J].现代化农业，2009(6):24-26.