电力杆塔倾角和沉降状态组网监测系统设计

摘 要：电力杆塔倾斜、沉降导致输电线路、通信网络中断的事故日益增多。电力杆塔倾角和沉降状态组网监测系统在实时监测杆塔状态的同时，可实现数据4G通信上传等功能，及时发现杆塔故障，对降低停电、通信中断的风险具有重要意义。论文提出了一种基于ARM微处理器开发的用于监测电力杆塔倾角和沉降状态的系统，对涉及的硬件、软件进行了详细介绍。测试结果表明，该测试系统能实现相应的功能，且设备使用太阳能板加蓄电池组合供电，实用性强。

关键词：电力杆塔监测；4G通信；嵌入式；太阳能板；组网；输电线路

中图分类号：TP202 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）04-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.011

0 引 言

随着国民经济和通信技术的快速发展，社会对用电设备、通信设备的依赖性不断增强。在电力系统和通信网络覆盖率不断提升的同时，电力系统和通信设备由于所处地理位置等原因，遭受到了自然和人为因素造成的诸如输电杆塔[1-2]、

通信线路杆塔倾斜甚至倒塌等现象，进而导致输电和通信中断事故频发，严重威胁电网和通信网络的安全运行，更影响正常的生产和生活。在线路发生故障后必须及时找出故障点并予以清除，可通过巡线人员沿输电线路的杆塔逐级查找并解除故障。但由于杆塔所处位置偏僻、分布广泛和数量众多，导致采用人工巡检的方式造成日常检查和排故工作量繁重，且耗时耗力，效率低下。同时，可能因不能及时发现故障杆塔而酿成大规模的停电、通信中断等事故。因此，相关部门急需稳定可靠的智能仪器来解决这一难题。

文献[3]利用特征点预测技术，提出了一种智能提取电力杆塔关键点的方法，能简化对杆塔模型的预测过程。文献[4]提出一种基于GPRS网络的电力杆塔监测系统。文献[5]提出了一种使用无人机对电力杆塔进行遥感测量的检测技术。文献[6]设计了电力杆塔检测的服务器端软件系统，并给出了软件集成的姿态测量和振动噪声去除方法。文献[7]提出了一种基于GPRS和太阳能供电的杆塔实时姿态在线监测系统，获得了平滑的优化数据。文献[8]分析了电路线路运行过程中数据信息的总量，并给出了一种多传感器的大数据综合应用系统。文献[9]给出了一种通过高精度GPS定位、测斜传感器、风速风向传感器和雨量计综合实现对电力杆塔倾斜情况进行监测的系统。

1 系统硬件设计

图1为电力杆塔倾角和沉降状态组网监测硬件组成结构，主要包括：嵌入式MCU（STM32F103）、4G模块[10]、LCD显示、按键、电源等部分。

1.1 电源设计

系统供电使用3 W/10 V光伏板与3.7 V/10 000 mA·h锂电池组合供电，充电电路采用电压跟随性BUCK降压电路。后级电源部分的3.3 V DC/DC方案采用如图2所示电路，使用AAT1153为所有器件供电，利用大电容确保RF电源放大器正常使用，承载强电压降的峰值电流。在网络信号弱的情况下可以给4G通信发射器提供良好的瞬间电流，防止因为电压跌落导致的系统欠压或者处理器端口重枚举。

1.2 传感器设计

沉降传感器使用气压型传感器BMP280，其为压阻式压力传感器，具有精度高、线性强、长期稳定和鲁棒性高等特点，电磁兼容优异，连接方便。

倾角传感器使用基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器。通过集成各种高性能传感器姿态动力学核心算法引擎，结合高动态卡尔曼滤波融合算法，提供高精度、高动态、实时补偿的三轴姿态角度，可对各类数据进行灵活配置。

1.3 通信部分设计

考虑到使用环境开阔，系统采用高效的ISM频段射频SX1278扩频芯片实现本地组网，工作频段为410～

441 MHz，步进信道频率为1 MHz，共计32个信道，可通过设定AT指令实现在线修改串口速率、发射功率、空中速率、工作模式等参数。

数据也会通过4G通信上传服务器，通信芯片选择ME3630-C3BC-MP01，可以提供最大50 Mb/s上行速率和150 Mb/s下行速率，支持分集接收。ME3630-C3BC-MP01支持PAP、CHAP、PPP等网络协议和GNSS，Remote wakeup功能，SMS、GNSS支持FoTA空中升级。电路设计如图3

所示。

2 系统软件设计

系统上电后，会先执行初始化程序，依次初始化系统时钟、GPIO、UART、AT24C02和气压计BMP，然后等待4G模块和无线通信模块初始化。陀螺仪和气压计初始化后，会自动读取AT24C02中的初始数据，如果没有初始数据记录，系统会对当前初始姿态持续进行分析，滤除振动杂波后认定当前姿态为初始位置和角度，并将位置数据存入AT24C02，防止掉电丢失。若上电时位置为非正确初始位置，可按校准按键重新执行初始位置检测。主循环中会周期性进行角度计算，高度换算，并实时检测上传沉降值，沉降值超限后会进行中断报警，中断服务函数发送UART通信数据至4G模块，通过短信报告，流程如图4所示。

3 系统测试

对所有应用功能进行了测试，包括对电力杆塔沉降值、倾斜角度、倾斜方向进行实时监测，无线本地组网测试，4G网络上传数据测试，沉降倾斜值超限短信报警及参数配置修改测试。测试结果如图5、图6所示，其中4G数据传输部分见表1所列。

4 结 语

论文基于嵌入式开发平台开发了一套应用于电力杆塔倾角和沉降状态的组网监测系统，在设计并制作系统电源、传感器、通信电路等硬件的基础上，完成了系统初始化，参数显示上报、超限报警等功能，并对所有功能进行了测试，可为电力杆塔倾角和沉降状态的组网监测提供良好的平台。

参考文献

[1]王佳伟. 低成本、低功耗杆塔倾角监测仪设计[D]. 太原：太原理工大学，2010.

[2]彭海涛，何志伟，傅永花. 基于MCU的输电线路杆塔突发电流监测器的设计[J].电测与仪表，2009，46（s1）：91-93.

[3]唐娜娜. 基于4G-LTE的脱机LED控制系统的设计[D].长春：中国科学院大学（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所），2018.

[4]李昌柯，李英成，金芳芳，等.电力杆塔模型特征点智能提取关键技术研究[J].测绘科学，2022，47（11）：162-169.

[5]渠海荣.基于GPRS的电力杆塔安全监测系统的设计[J].自动化技术与应用，2015，34（10）：34-38.

[6]姚煜. 基于无人机遥感技术的电力杆塔倾斜检测[D].哈尔滨：东北农业大学，2021.

[7]何梦花. 电力杆塔变形监测服务器端软件系统研制[D].合肥：合肥工业大学，2021.

[8]王涛，王锬.基于卡尔曼滤波的电力杆塔倾斜监测系统研究[J].信息技术与信息化，2017，42（10）：113-117.

[9]李国胜，王春阳，郑雪，等.电力杆塔上的多传感器大数据综合应用系统[J].农村电气化，2017，39（8）：41-43.

[10]董泽才，吕孝平，冒文兵.山体滑坡及电力杆塔测斜在线监测系统[J].企业技术开发，2015，34（11）：80-81.

收稿日期：2023-04-04 修回日期：2023-05-17

作者简介：江星华（1982—），男，硕士研究生，高级工程师，研究方向为电力系统自动化。

万 东（1982—），男，硕士研究生，高级工程师，研究方向为电力系统自动化。