风电场输电线路覆冰与振动监测系统设计

宋文静，谢 源，黄文君，李容爽

(上海电机学院电气学院，上海 201306)

0 引言

随着风力发电的迅速发展，维持风电机组安全可靠运行显得尤为重要。风电场大都在偏僻的草原，山地和距离陆地很远的近海，每逢雨雪、雾凇、冰冻等自然天气时很容易使输电线路发生覆冰现象，加上线路附近有风时也会引起输电线路的振动，此种现象会引发一系列的危险事故的发生，同时会给人类的生产和生活带来极大不便，造成巨大的经济损失。在风力发电系统运行过程中，通过实时对导线覆冰与振动的在线监测，检测与故障诊断可以有效的避免计划检修和事后检修的种种弊端，实现在系统不停止运行下对输电线路的检测，从而电力工作人员可以了解线路的覆冰情况并能够及时采取有效措施消除覆冰[1]。

利用传感器采集线路信息，将得到的模拟信号进行处理后通过无线通信技术传送到监控中心，期间利用太阳能电池板结合铁锂蓄电池为各部分提供电压，保证系统的可靠运行。

1 系统总体设计方案

1.1 覆冰与振动监测终端供电方案研究

为了使输电线路上的传感器，无线通信单元能够随时监测到线路覆冰与振动信息并有效的传送得到监控中心，必须为他们加外加供电措施。

在电力系统中，太阳能产生的电压和电流与传感器等设备所需要的电压电流可能不太相同，尤其是像阴天下雨等这种天气变化的时候太阳能就不能承担给设备供电这一责任，因此给在线监测带来困扰，影响在适当的时候采取适当的方法取避免灾害发生。为了能够使检测设备随时都有能量供给，保证输电线路的正常监测，选择加入储能电池，在没有阳光的时候，可以利用蓄电电池继续供电。

1.2 无线通信技术方案研究

利用电波信号能够在空间中自由传播的特性从而进行信息交换的一种通信方式就是无线通信。

GPRS 是一种包交换的数据无线通信方式。GPRS 可以进行远程传输数据，是一种耗费能量非常低的通信方式。本文采用太阳能对设备进行充电，而GPRS 就适用于太阳能供电的场合，它不但可以减小太阳能供电成本更让施工变得简单可靠。

考虑到通信的安全性，可靠性，距离问题，还有必不可少的经费问题后，选择GPRS 无线通信作为主要通信方式。

1.3 传感器的选择

最基础的一项工作就是对输电线路覆冰与振动情况进行信息采取，然后传送到微机进行数据处理分析。要完成线路覆冰信息的采取，要在线路上安装一定的监测设备。对传感器的选择时要能够充分考虑到他们的测量范围以及测量精确度，抗低温、抗干扰能力。

1.3.1 拉力传感器

在对线路进行信息采集时，通常将拉力传感器设置在直线杆塔的绝缘子串上方。电力覆冰检测传感器稳定可靠，响应相比较其他的而言速度快。用直流9～12V 对电力监测专用拉力传感器供电。拉力传感器在直接电压激励条件下，输出的信号是mV 级的电压信号，在惠斯通全桥作用下放大输出信号。这种拉力传感器的灵敏度为2.0 mV/V，综合精度为0.03（线性+滞后+重复性），蠕变是±0.05%F·S/30 min，温度补偿范围-10～+40℃[2-4]。

1.3.2 倾角传感器

当需要测量系统水平面的倾角变化时可以选用倾角传感器，能够对系统进行360 度的倾角测量。倾角传感器也是12V的直流电提供电源的。双轴倾角传感器不怕高温等严峻天气，无论是高低温环境，他都能安全稳定的运行。倾角传感器输入是机械位置的倾角，输出是倾角的对应的电压信号（0.5～ 4.5 V）。自带高精度稳压电源电路，电压稳定性0.5mV，可以让传感器工作在高稳定状态[2-4]。

1.3.3 气象传感器

为提高大气风速、风向、温湿度等气象采集数据准确度，气象传感器采用高精度数字化超声波一体化气象传感器，由超声波风速风向传感器、高精度数字温度、湿度传感器集成一体化。超声波一体化气象传感器采用直流12V供电，输出0～10V的电压信号，最小采集周期80ms，可在-50℃～60℃宽温度范围和0～100%宽相对湿度条件下正常工作[2-4]。

2 系统总体结构设计

输电线路覆冰与振动监测系统主要由传感器采集信息，通信技术传输信息，供电部分为负载提供电源以及远程监控中心对线路信息进行监控，如图1。传感器部分包括拉力等传感器完成对线路覆冰情况的采集，能够有效降低测量误差。GPRS 通信单元主要作用是将检测到的数据与监控中心进行交换。供电电源单元包括太阳能电池板、铁锂蓄电池、太阳能自动充放电控制电路这几个部分，这三部分都是输出稳定的12V。

图1 输电线路覆冰与振动监测系统结构图 Fig.1 Transmission line icing and vibration monitoring system structure diagram

3 系统硬件设计

3.1 51 单片机最小系统电路设计

STC89C51 单片机有两个晶体振荡电路反相连接端。在单片机的XTAL1，XTAL2的引脚与晶振Y1相连接，形成单片机的振荡电路。通常选择6MHz的Y1与XTAL1，XTAL2相连接，然后将两个15～33 pF的电容与Y1连接起来组成完整的振荡电路。Y1的振荡频率与芯片的工作速率有着直接关系。要想单片机的工作速率加快，就要选择振动频率相对而言比较高的Y1。当C4，C5与Y1以及STC89C51三者的连接不能过大，防止降低运行速率。C6的取值与复位时间成反比。若RST端有持续两个周期的高电平，单片机就会触动复位。但电容取值也有范围，一般来说，最合理的取值范围在10～30uF之间。当EA端接高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令，当EA 端接低电平时，CPU只能访问外部程序存储器，Vpp的作用是当片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp[5]。

3.2 信号变换电路设计

从传感器得到的信息是没有经过处理的杂乱的信息，为了方便信息传送，要对它进行适当的处理，将它变为能够很容易就看懂的信息。信号在进行传送与接收时需要对它调制和解调，从中选择有用的信号保留起来，将对数据处理分析无用的信号去除。信号变换包括信号的滤波与放大，如图3 所示。在电路中加入滤波就是为了除去脉动的直流电压中的交流成分，能够使得到的波形不是胡乱波动而是一段平滑的曲线。在滤波电路选择时，考虑到自身水平会影响对电路的理解所以选择了电路比较简单的RC滤波电路。信号在传输过程中会产生一定的损耗，所以采用放大器对一些微弱的信号进行放大。

图2 51 单片机最小系统图 Fig.2 51 Single chip microcomputer Minimum system diagram

图3 信号变换电路图 Fig.3 Signal conversion circuit diagram

3.3 A/D转换电路设计

在科技迅速发展的时代，通信技术，计算机技术，电力电子技术，控制技术等也都在飞速发展，为了系统性能指标的准确度，数字计算机技术被广泛应用。输电线路覆冰与振动的监测设备所测得信息都是模拟信号，但是这些信号不能被CPU识别，为了能够让CPU识别这些数据并对他们进行数据处理分析，需要将这些信号转换为CPU能够读懂的。这时候需要一个转换器能够将模拟信号转换为数字信号，这个转换器就是A/D转换器，设计采用ADC0809实现对信号的模数转换。图4为A/D转换电路图设计。

图4 A/D 转换电路图 Fig.4 A/D conversion circuit diagram

3.4 按键电路设计

在图5 中，当S1 按下时，P1.0 与地相连接，此时I/O 位就是低电平；当S1 打开时，P1.0 与VCC相连接，此时I/O 位就是高电平，如此不断地断开与连接S1 就会得到高低电平相接的脉冲序列。当按键打开时，I/O 位是高电平，此时就会触发内部设定，进而去执行系统设定的任务。当按键按下时，I/O位是低电平，与地相连接，所操作的就相当于没有意义，所以按键的作用就是控制对芯片信息的输入。

图5 按键电路图 Fig.5 Button circuit diagram

3.5 显示电路设计

人类生活的环境中，随处可见LCD 液晶显示器，它的显示清晰明朗，功耗低，工作电流小等特点就是他被广泛应用的关键因素。

在图6 中，LCD1602的DB0～DB7分别与单片机AT89C51 的P0.0～P0.7口连接，可以显示使用者使用信息，P2.5用来控制LCD1602的RS输入端，P2.6用来控制LCD1602的R/W读写控制输入端、P2.7用来控制LCD1602的E也就是使能信号输入端。从图可以看出，R4是滑动电阻，通过改变接入电阻的值改变LCD液晶显示屏的对比度[6]。

图6 LCD 屏显示电路图 Fig.6 LCD screen display circuit diagram

3.6 GPRS 通信模块设计

为了研究的简便性，选用捷麦公司的G300 模块作为研究的GPRS 通信模块。G300 具有快速数据交换和逻辑处理能力和很高的网络稳定性，它主要完成对监测到的信息的接收与传送。GPRS 数据一次可收发1000 字节，支持大数据包（2M 字节）缓存收发功能。G300 省电能力也很强，可以选5～30 V电源为它供电。它的适用范围也很广，可以在-30～+60℃的温度下正常工作。

图7 GPRS 通信模块图 Fig.7 GPRS communication module diagram

3.7 GPRS 通信单元供电电路设计

太阳能电池板为传感器、GPRS 通信系统提供的供电电压应与传感器等设备所需的电压相一致，为此需要将太阳能电池板提供的电压采用DC-DC 转换器转换后给传感器等设备供电。在器件选择时，首先考虑到的应是转换效率比较高而且还带有输出使能的芯片。系统运行时，有的设备需要上电工作而有的暂时不需要，但不能一直为不需要供电的设备提供能量，若一直处于供电状态会导致能源的浪费，所以应当在有需要的时候为负载供电，利用输出使能够控制部分电路是否带电。在以上介绍中，利用12 V 电压为拉力传感器，双轴倾角传感器，六要素传感器为它们提供电压，利用5 V 电压为GPRS 通信单元提供电压。TPS62133 输出是稳定的5 V 电压，最大输出电流为3 A，它的开关频率2.5 MHZ。它是一种简单的能够使电压减小的直流到直流的转换器，输入电压范围是3～17 V。综合考虑到以上因素，采用TPS62133 为GPRS 通信单元供电[7]。

图8 GPRS 供电电路 Fig. 8 GPRS power supply circuit

3.8 拉力传感器供电控制电路设计

拉力传感器负责获取覆冰信息。受力采集在15 分钟内可以完成主动的循环采集，但是当太阳能电池板为传感器冲上电时所要的采集时间就会大大降低，可达到15s。数据采集完成后，暂时就不需要太阳能电池板为设备充电，可以通过控制电力开关断开电池板对各种传感器的供电。拉力传感器在工作时要有外部电源为它提供电压。当信息采集完成后，就停止供电。拉力等各种传感器采集数据时间各不相同，考虑到这一因素，选择对传感器进行轮流供电方式，减少能量的损失。在系统运行时需要有高效率的传感器并且能保证系统的安全稳定运以及必不可少的经济性因素采用 TI 公司的 CSD25310Q2 P 沟道 MOS 管管理各种设备的开关的关断，进而保证在需要每个设备收集信息时都能够及时的为它提供电压[8]。

图9 拉力传感器供电控制电路 Fig.9 Pull sensor power supply control circuit

3.9 太阳能自动充放电电路设计

当有太阳时，利用太阳能电池板为传感器提供电源，到阴雨天气或者是夜晚没有阳光的时候，太阳能就不能为传感器供电，为了保证能够持续的为传感器供电，在系统中加入了铁锂蓄电池进行储能。当有光照时，太阳能就会主动地为蓄电池进行充电，阳光消失后，铁力蓄电池就会释放电能为传感器提供电源，所以本小节就要设计一个自动充放电的电路。自动充放电电路可以由防雷二极管，稳压二极管，NPN 三极管，单端高压供电运放，分流稳压器几部分组成。太阳能自动充放电电路是通过控制单端高压供电运放的输出电平的高低实现对铁锂蓄电池的充电和防止逆充电。太阳能自动充放电的原理是在蓄电池的电压低于13V 时，单端高压供电运放的1 脚电压高于13 V，此时DC1 就会导通，太阳能就会对它进行充电。相反的DC1 会截止，从而停止对它的充电以及防止它的逆充电。在充电时，充电电流能够达到200mA。NPN型三极管的射级电流等于基级电流与集电极电流值之和，当三极管的射级电流为200 mA 时，三极管的基级电流大约为4 mA[9-10]。

图10 蓄电池充放电电路 Fig.10 Battery charge and discharge circuit

4 系统软件设计

为达到对输电线路覆冰与振动的在线监测的目的，设计中采用了各种传感器对线路信息进行采集，然后将信息传给微机，经分析运算后又通过GPRS 无线传输将信息传送到监控中心并判断线路覆冰状况。本课题的软件设计就导线覆冰信息采集与信息处理和传输展开研究。

4.1 主流程图设计

图11 主流程图 Fig.11 Main flow chart

4.2 传感器信息采集软件设计

4.3 GPRS 无线通信设计

图12 传感器信息采集流程图 Fig. 12 Sensor information collection flow chart

图13 GPRS 无线通信程序流程图 Fig.13 GPRS wireless communication program flow chart

5 结语

文章以对风电场线路覆冰监测为研究背景，研究了对输电线路覆冰信息的采集技术、信号转换技术、信息无线传输技术，对基于输电线路覆冰与振动的监测技术的每个模块进行设计。本文选取了合适的传感器对覆冰线路进行信息采集，确定信息传送方式，对每个模块进行电路设计，保证系统可靠、有效、安全地运行。