基于物联网技术的特高压导线舞动检测仪设计

蔡光柱，赵 爽，杨 振，赵 睿，魏 雷

（北京国网富达科技发展有限责任公司，北京 100071）

0 引言

随着特高压电网的发展，输电线路运行管理越来越复杂，导线舞动事故的发生也日益频繁。舞动常引起导线断股、断线、金具严重磨损、脱落、杆塔倾倒、线路跳闸等严重事故，容易造成电网大面积停电，给电网运行造成重大经济损失。为了及时掌握架空输电线路导线的运动变化情况，须在易发生舞动区域相关线路上部署导线舞动检测仪，实时采集导线舞动数据。特高压输电线路的相邻铁塔之间档距较长，但舞动检测仪却需要均匀安装在档距之间，为便于施工人员安装，保证检测仪的检测准确度，舞动检测仪的电池容量受到极大限制，因此具有无线传输、超低功耗特点的物联网技术［1］被广泛应用于电力设备的监测中。

目前，舞动监测方法主要包括：基于位移传感器、加速度传感器的导线舞动监测装置［2］；传统的基于差分GPS 的输电线路舞动监测方法［3］，通过无线GSM 传输模块的导线舞动信息数据的监测系统；基于视频分析技术的导线舞动在线监测系统［4］，或者采用分布式光纤传感器测得线路动态［5］；黄新波对舞动检测监测系统的硬件设计和舞动定位算法［6］进行了详细分析，提出一种惯性传感器的输电导线舞动监测系统。现存舞动检测仪存在诸多不足之处，比如能源供给不稳定、系统功耗高，往往3 年左右需要更换电池，安装施工成本高；检测仪本身重量大，对导线连接处有磨损；采集精度不够，只采集X、Y 轴方向的数据；数据没有加密，存在安全风险等。

为解决上述问题，设计一种基于物联网技术的新型舞动检测仪，采用超低功耗设计，利用微机电系统 （Micro Electromechanical System，MEMS） 速度传感器采集X、Y、Z 方向上的舞动参数，进而对舞动数据按照国家电网有限公司要求进行加密处理，将加密后的数据经过远距离无线电 （Long Range Radio，LoRa）芯片发送到数据接收基站。该舞动检测仪具有安装方便、超低功耗、采集精度高、数据传输距离远的特点，符合相关安全标准要求。

1 导线舞动检测仪系统架构

所设计导线舞动监测仪主要由STM32L5 主芯片、高能胶体电池、MEMS 加速度传感器、加密模块和Semtech LoRa 模块组成，如图1 所示。

图1 舞动检测仪系统组成

为有效降低系统功耗，延长电池使用寿命，在低功耗STM32L5 芯片上移植RT-Thread 物联网操作系统［7］，可以灵活设置各任务启动、关闭和配置采样周期，在非测量时间舞动监测仪关闭各任务，进入低功耗休眠状态。舞动数据的采集使用MEMS 加速度传感器测量导线在X、Y、Z 3 个方向上的加速度值和角速度值，通过SPI1 接口将采集数据发送回STM32L5主芯片，经过低通滤波器、二次积分算法、数据矫正、快速傅里叶变换（FFT）后，得出舞动幅值、舞动频率等参数。为保证数据传输的安全性，将舞动数据经SPI2 口传输给加密芯片进行加密，最后将加密后的数据经过LoRa 芯片发送到数据接收基站。布置在后台服务器上的在线监测专家系统［8］，结合气象、线温、振动等数据，对舞动数据进行分析，为舞动现象的发生提供有效预警。

舞动检测仪5 个为一组，安装在输电线路各铁塔的档距之间。输电导线长期处于高压、高温、潮湿等复杂环境中，为有效防止尖端放电及电磁干扰，舞动检测仪机械设计如图2 所示。图2 中2、3 为线路铁塔编号；4 为后台服务器；101、102、103 为第一组舞动检测仪，201、202、203 为第二组舞动检测仪编号；编号便于后台服务器区分不同舞动检测仪的数据。

图2 舞动检测仪安装

2 超低功耗模式设计

导线舞动检测仪须均匀安装在档距之间，安装更换电池劳动强度高、难度大、危险性高。为有效延长电池的使用寿命，硬件采用最新STM32L5 超低功耗MCU 芯片，其专有的超低功耗技术［9］为物联网节能应用打造了一款性能出色的微控制器。该芯片利用Arm Cortex-M33 处理器，可在性能、功耗和安全性之间实现新的最优平衡。

软件方面采用国产物联网操作系统RT-Thread对舞动检测仪运行任务进行管理［10］。通过对STM32L5低功耗模式的研究［11］，利用RT-Thread 内部定时器设置采样周期，当采样周期满足时，利用外部中断唤醒舞动检测仪，开始采集、加密、发送舞动数据等任务［12］；在非测量时间关闭MEMS 加速度传感器、加密模块和LoRa 模块的电源，关闭舞动检测仪各运行任务，使STM32L5 主芯片系统进入低功耗休眠状态，从而最大限度地降低舞动检测仪的功耗，延长电池工作寿命。相比于传统舞动检测仪，采用低功耗模式设计的舞动检测仪电池使用寿命可达10 年以上，有效降低了输电线路巡检人员的工作强度。

3 舞动检测仪工作原理

3.1 MEMS 加速度传感器

考虑到输电线路野外环境十分恶劣复杂，为实现舞动参数的精确测量，采用ADXL357 模块。其具有体积小、集成度高、功耗低的优点，最小电流仅需200 μA，是要求超低功耗的舞动检测仪的理想选择。导线舞动属于低频率、大振幅，其舞动幅度为0～10 m，频率为0.1～5 Hz，因此将采样频率设置为1 000 Hz，能够精确采集舞动特征量。为提高舞动检测仪的检测精度，采用普通气泡水平仪、六面体盒状物，对舞动检测仪进行初始标定。ADXL357 模块通过SPI1 接口与STM32L5 通信，舞动检测仪的采集周期为10 min，每隔10 min ADXL357 模块会收到主芯片发送的舞动数据采集指令，便开启数据采集流程，按照时序要求依次读出X、Y、Z 轴加速度值和角加速度值对应寄存器地址的数据。首先利用低通滤波器去除不符合条件的噪声，对采集到的加速度值采用5 次均值法的数字滤波技术进行处理；其次对采集到的角加速度值进行数据预处理，将载体坐标系下的加速度值，经过四元素算法转换成地理坐标系下的加速度值，然后利用均值滤波和最小二乘法，经过第一次积分，将加速度值转换为速度值；得到速度值后，再次利用最小二乘法，经过第二次积分，将速度值转换为位移值；最后由STM32L5对采集到的舞动数据经过快速傅里叶变换（FFT）得到舞动特征量［13］，舞动特征量经过频率响应校正后，发送给加密模块，数据经过加密后再通过LoRa芯片发送到数据接收基站。舞动特征量计算流程［14］如图3 所示。

3.2 加密模块

随着针对智能电网通信报文攻击的频发，输电线路监测设备的通信数据安全问题，已成为当下物联网设备开发人员必须解决的问题之一。国家电力调度通信中心要求输变电设备采用基于调度证书的非对称密钥算法实现控制命令以及参数设置指令的单向认证与报文完整性保护。采用加密芯片对舞动数据进行加密，主芯片STM32L5 首先通过SPI1接收MEMS 加速度传感器ADXL357 采集的舞动数据，主芯片再将舞动数据传递给加密芯片，采用基于ECC 的SM2 算法运算库对舞动数据进行加密处理［15］，然后将数据传回主芯片，最后主芯片将加密后的舞动数据通过Semtech LoRa 芯片发送到数据接收基站。舞动检测仪数据加密流程，如图4 所示。

图3 舞动特征量计算流程

图4 舞动数据加密流程

3.3 LoRa 通信模块

相对于2.4G、ZigBee、WiFi 或者蓝牙等传统无线通信方式，低功耗广域物联网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）是一种物联网网络层技术。其面向物联网技术中传输范围广和传输信息量少的应用终端，同时还具有低功耗、远距离、高可靠无线通信等优点［16］。考虑到舞动检测仪是安装在输电导线上，其数据传输量小，且必须确保其具有超低功耗特点，综合考虑，系统选用SX1262 LoRa 芯片，用于实现舞动检测仪与远端的LoRa 网关进行数据通信，其发射功率可调，最大传输距离可以达到30 km，发射电流最大120 mA，电池续航时间长达10 年。

4 模拟试验和现场测试

4.1 模拟试验

为了验证舞动监测仪的有效性和准确性，在某模拟舞动实验室进行了模拟测试。将舞动监测仪悬挂在试验台上，当电机转动时，悬挂点与圆心的距离可随时调整，旋转过程中电机可带动滑杆调节舞动半径，舞动半径的可调范围为0～3 m。

根据现场多个监测点记录，统计数据得出振动台平均振动频率为1 Hz，与设定的转速一致，舞动采集单元的最大幅值误差为5 cm。统计数据如表1所示。

表1 舞动模拟测试现场数据统计 cm

4.2 现场试验

导线舞动检测仪在浙江舟山大跨越输电线路进行实际现场性能测试，如图5 所示。该检测仪安装投入使用1 年多，深受用户好评，运行状况良好。经过现场实际使用，证明该舞动检测仪测量导线舞动数据准确，数据传输稳定、无丢包现象，达到了预期目标。现场实际检测到的舞动数据如表2 所示。

表2 舟山线现场采集的3 次舞动数据 m

图5 舞动检测仪舟山现场性能测试

5 结语

设计研发了一种基于物联网技术的新型特高压导线舞动检测仪。该检测仪采用STM32L5 系列低功耗芯片，移植完全自主开发的国产物联网操作系统RT-Thread，管理舞动检测仪各任务启动、关闭和配置采样周期，实现了超低功耗设计，极大降低了系统的功耗，检测仪电池的使用寿命达到10 年以上。该检测仪采用三轴MEMS 加速度传感器，采集X、Y、Z三个方向的加速度和角速度数据，提高了舞动数据的采集计算精度。搭建舞动测试平台，对舞动检测仪的可行性和数据准确性进行了测试，测量数据精度达到国家电网有限公司企业标准所规定的架空输电线路在线监测要求。采用加密芯片，保障了舞动检测仪采集数据的安全性。该舞动检测仪经过浙江舟山现场实际运行测试，证明其采集数据精度高，舞动现象检测数据准确、提高了输电线路运行管理的效率和智能化水平。