智能电网输电线路在线监测系统设计与应用

王壮壮

（辽宁煤炭基本建设技工学校）

0 引言

输电线路是电网的关键部分，由于传输距离远，地形复杂，气候条件多变，输电线路面临更大挑战。输电线路的可靠性直接关系到电能的传输，一旦输电线路出现故障，将严重影响人民的生产生活，甚至可能带来生命危险。近年来，智能电网的重要性日益凸显，引起了人们的广泛关注。智能电网是将计算机和网络通信等现代技术与传统电网相结合的二代电网，相较于第一代电网，智能电网具有更高的稳定性、更强的安全性和更好的运行效果，同时具备智能化特征，大大降低了对环境的影响。智能电网不仅能够稳定地输电，还能够支持多种形式的发电接入，并能够监测和预警电网故障。在当前情况下，由于我国电力系统的输电成本相对较高，因此需要加大对智能电网的研究和科研力度，以推动我国电力行业的发展。

1 智能在线监测系统的基本概念

智能电网输电线路在线监测系统是利用先进技术实时、在线监测输电线路的最新系统。该系统通过各种探测器实时获取输电线路的温度、湿度、风向、风俗、覆冰、视频图像等相关信息，并利用GPRS/CDMA 通道将数据发送至特高压输电线路在线监测监视中心。此外，该监测监视系统还能够登录内部管理系统和调度自动化系统。

在监视中心，安装了LCD 拼接大屏幕系统，能够实时监测数据、视频、图像和位置等内容。工作人员可以通过监视设备了解运行情况，及时了解设备运行状况和现场情况等，以便灵活调度车辆和人员进行处置工作，进行问题线路的检修和抢修。

智能电网输电线路在线监测系统具有以下特点：

（1）实时监测：能够实时监测输电线路的各种状态参数，及时发现异常情况。

（2）多参数监测：可以同时监测多种参数，包括环境参数和线路状态等。

（3）远程监控：通过GPRS/CDMA 通道实现远程监控，方便管理人员及时获取输电线路的状态信息。

（4）数据存储：可以将监测数据存储下来，方便后期分析处理。

（5）视频监控：可以实现视频监控，直观地观察输电线路的情况。

（6）报警功能：当监测到异常情况时，系统会自动报警，提醒相关人员及时处理。

总之，智能电网输电线路在线监测系统能够对输电线路进行实时、在线的监测和管理，提高输电线路的可靠性和稳定性，为电力系统的安全运行提供有力保障。

2 智能电网在线监测系统的设计思路

2.1 设计总思路

为了满足智能电网对在线监测的需求，本文设计了一种智能电网在线监测系统。该系统采用了先进的传感器技术和通信技术，能够实时监测输电线路的电流、电压、功率等参数，并能及时发现线路故障和异常情况。系统总体架构如下图所示：

如图1 所示，DSP 负责接收并处理来自输电线路的信号，并应用故障检测算法进行故障诊断。经过处理后的数据将通过CAN 总线发送给ARM 单元。ARM 单元负责与上位机进行通信，将监测数据传输到上位机进行进一步的分析和处理。同时，ARM 单元还可以通过LCD 显示器和触摸屏实现人机交互，使工作人员能够实时查看监测数据和进行操作。

图1 线监测系统整体框架

通过这种双CPU 的设计，可以充分利用DSP 和ARM 的优势，提高数据处理速度和系统的实时性，同时实现了远程监测和人机交互功能。此智能电网在线监测系统可以有效地监测输电线路的状态和故障，提高电网的可靠性和稳定性，为工农业提供稳定的电力供应。

2.2 ARM系统设计

2.2.1 ARM最小工作系统设计

选择三星公司生产的S3C2440微处理器作为主控芯片。这是一款16/32 位精简指令集（RISC）微处理器，具有较高的运算速度和较低的功耗。在S3C2440微处理器当中，可以通过外部输入与内部晶体振荡器共同作用的方式，形成时钟模式。

2.2.2 电平的转换

在连接电路中，将S3C2440 的输出引脚连接到LJ245A 的输入引脚，然后将LJ245A 的输出引脚连接到MCP2515 的输入引脚。通过这样的连接方式，LJ245A 将负责将S3C2440 输出的3.3V 信号转换为5V信号，确保与MCP2515的电平匹配。

2.2.3 通用异步收发接口模块

UART （Universal Asynchronous Receiver/Trans‐mitter） 是一种通用的异步收发接口模块，在S3C2440 芯片中用于通过RS232 通信协议将故障信息发送给DTU。然而，S3C2440芯片的UART输出电平采用的是CMOS规范，而DTU 采用的是RS232电平，因此需要一个转换电路接口来实现互联。

本文采用了SP3232 芯片来实现电平的转换。SP3232 芯片支持3.0V 至SV 范围的供电，并且能够实现最高250kpps的数据传输速度。

2.2.4 LCD显示器电路设计

TFT 东华液晶显示屏WXCAT-43TG6#OO1F 是一种4.3英寸的显示屏，具有480 x 272的分辨率。它可以显示16.7 兆种颜色，并且还具备触摸屏功能。这种显示屏通常被广泛应用于pos 机、电力仪器和手持设备等领域。

2.2.5 通信模块

在GPRS DTU 模块中，主要使用的系统为CM3160GPRS DTU，其开发部门为厦门才茂公司，该模块为ARM系统和上位机之间联系搭建桥梁。

2.3 DSP系统设计

2.3.1 DSP最小工作系统设计

所谓DSP 最小工作系统，就是本系统当中能够符合芯片正常运行的最小外围电路系统。主控CPU选择选择了I公司生产的TMS320F2812D SP，它是一款32 位定点DSP 芯片。电源电路使用TPS70151 芯片来提供电源和复位信号；选择外接晶体振荡器内部产生时钟信号的方式。在研发系统的时候，主要采用的是YXD SP-2812 型DSP 开发板为实验平台，这一系统的开发公司为南京研旭公司，可提高研发速度和水平。

2.3.2 信号调理电路设计

整个处理电路的设计和选择元器件的具体参数取决于电流信号的特性和要求。为防止AD 转换模块损坏，设计的电路必须确保信号输入在0 至3V 的范围内。在设计过程中，为了实现AD 模块的有效转换，保障信号正常运行，我们通过下图2 的电路处理原始信号。

图2 信号调理电路

如上图所示，U1 作为电压跟随器，主要使用LM358 运算放大器，能够接收外部信号，并维持输出和输入信号的一致性，有着较大的输入电阻。此外，电压分压电路由R8 和R14 构成的，这可以将原始信号提高，并将双极性信号转换为单极性信号。闭环电路由U2、R10、R9、R12、D1 和D2 形成，它可以限制输出信号的范围。

这些组件一起工作，能够将输出信号限制在可调的范围内。此电路使用正负双12V的电源供电。

2.4 软件设计

在设计软件系统时，需要综合分析软件的各个功能，并设计子模块来实现这些功能。这些子模块包括数据处理模块、上位机监测模块、以及总体系统等。

2.4.1 DSP数据处理系统软件设计

2.4.2 ARM系统软件设计

在ARM 系统中，可以搜集到DSP 数据处理系统中的故障信息，并将这些信息传输至监测软件中，通过LCD 液晶大屏显示出来。此外，ARM 还可以根据触摸屏的指令输出采取相应的措施。

整个软件系统基于Linux 操作系统，在ARM 系统中需要进行移植U-Boot、移植Linux 内核以及嵌入式根文件等工作。同时，还需要设计液晶显示和通信程序，并在系统中加入各类应用程序。这些应用程序包括液晶显示的人机交互程序、CAN 通信程序以及与上位机进行通信的相关程序。

2.4.3 上位机监测软件设计

上位机监测软件的设计目的是接收通过GPRS DTU 发送的故障信息，并使用LabVIEW 进行编写。利用LabVIEW 内置的网络通信功能，我们选择了TCP 通信方式。DTU 和上位机之间的通信数据格式为每次发送21个字节的数据，其中前8位表示线路编号，中间8 位表示事件类型编号，后5 位预留做扩展功能。事件类型编号的定义如下：0 表示自检信号，1 表示短路故障，2 表示接地故障，3 表示断路故障，而其他的编号则保留用于其他功能。

3 在线监测技术的应用

3.1 微风震动在线监测

对于输电线路而言，微风震动是导致线路疲劳断股的重要因素。一般而言，微风震动难以发现，具有隐蔽性和长期性，长时间的积累可能导致架空线路的损坏。因此，安装加速度传感器并采用在线监测系统对线路进行监测是非常必要的。这种传感器具有体积小、能耗低的特点，利用无线智能微机系统和硅微加工技术来模拟电路的运行情况，主要应用于振动监测、汽车碰撞试验等领域。通过加速度传感器，可以分析输电线路中某一线段的震动情况，得出震动的频率和振幅。通过微风震动的在线分析和监测，能够及时解决由此导致的安全隐患和风险。

3.2 覆冰在线监测

在我国的许多地区，冰雪灾害是导致输电线路瘫痪的重要原因，给经济造成了严重损失。因此，开发覆冰情况的在线监测系统非常必要，通过动态监测和分析输电线路的覆冰情况，可以减少冰雪灾害的影响。该系统主要通过监测数据如拉力机导致的倾斜角等，来监测输电线路的覆冰情况。通常情况下，拉力传感器被安装在绝缘子上，该传感器内的电阻变应片能够根据设备形变阻值的变化来反映自身的变化情况。通过监测线路的拉力数值，我们可以获取当前线路的温度、湿度等相关数据。通过数据中心，我们经过数据分析和处理可知当前覆冰情况，并结合线路实际情况，及时采取有效措施，以避免冰雪灾害造成的损失。

3.3 动态扩容系统

在输电线路中，传感器的导线状态由网络系统监测传感器可知，及时获取导线运行中的相关数据，包括温度、风速和风向等。根据这些数据，可以判断输电线路的运行情况，并准确计算出线路在稳定状态下的输送容量上限。这个过程被称为动态增容。在动态增容过程中，通常会有温度监测设备来监测导线的运行温度，并将相应的数据传输给线路监测系统。而风速、风向等数据可以通过气象监测系统获取，并传送给监测系统。监测系统及时分析和研究当前的气象情况，并将处理后的信息发送给监测单位。监测单位进行分析，计算出输电线路的容量限制，并及时调度其他部门进行动态调整。因此，监测系统是动态扩容的重要基础，为其提供了重要的基础信息。

3.4 杆塔倾斜在线监测

输电线路的杆塔通常安装在地形复杂的野外地区，周围环境恶劣，无法获得精确的环境数据，并且容易受到外部力量的影响，导致地面错位、坍塌等问题。特别是在极端天气条件下，如暴雨、狂风等，容易发生泥石流、滑坡等地质灾害。这些地质灾害可能导致地基变形、杆塔倾斜等问题，严重时甚至影响输电线路的正常运行。因此，在220kV以下的输电线路中通常安装倾斜传感器，以实时监测杆塔情况并获取倾斜相关数据，以避免意外情况的发生。

4 结束语

随着经济社会的迅猛发展，我国电力系统的应用也越来越广泛，对该行业的安全运行提出了更高的要求。输电线路的安全和稳定性是电力行业发展的关键所在。为了满足实际电力需求，重视在线监测系统的开发与设计非常重要，需要不断完善和升级系统，丰富整体、软件和硬件配套设施。

输电线路是电力行业安全运行的关键，其监测系统的开发需要重视智能化发展，及时融入最新的信息技术手段，使其更加智能化、科学化和现代化，以满足当前时代发展和进步的需要。通过动态扩容和杆塔倾斜在线监测等技术手段，能够实时监测输电线路的运行状态，提前预警并解决潜在问题，确保输电线路的安全运行。