引言
智能电网是将先进的传感量测技术、信息通信技术、分析决策技术、自动控制技术和能源电力技术相结合,并与电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网[1]。其中输电线路的智能监测是一个重要环节。
输电线路是电网的重要组成部分,为保证输电线路的稳定运行必须加强维护工作,定期对线路进行巡检,使之处于完好的状态。输电线路电压等级的提高和气候、人为的破坏等因素影响,将对输变电设备和送电线路造成重大影响:如输电线路中的绝缘子出现表面积污、内部裂隙、表面破损、阻抗降低、老化等多种安全隐患严重威胁电力系统的安全运行;输电线路在冬季容易“覆冰”,产生“导线舞动”,使输电线路断线或将杆塔拉倒,引起大面积停电;犯罪份子盗窃输电线路塔材的情况,也严重影响了电力输送。所以,对线路运行状况和外在环境的监控一直是电力运行部门关心的问题。
2 系统总体设计
输电线路综合监测系统是由现场监控终端、监控中心主站和网络传输部分构成,系统结构如图1所示。现场监控终端与监控中心主站之间的数据传输是通过公用移动通信网GPRS完成。监控终端完成电力数据的采集和GPRS发送,由数据采集模块、单片机、GPRS通信模块等组成。每个监控终端可以接多个不同种类的监测单元,每个监测单元与监测装置之间通过无线网络通信。监控终端可实时采集各个监控单元的数据,并上送到监控中心主站监控系统[2]。
GPRS网络部分完成数据的传输功能,实现存储并转发GPRS终端和客户端前置机双方的数据。
监控中心主站系统通过GPRS网络实时监测多个监测装置的数据,实现数据采集,报警信息,图像监控,数据曲线绘制,参数设置等多种功能。监控中心收到采集数据后,绘出电力线路一个运行周期内各项数据的曲线图, 供技术人员分析电力线路运行状况。在现场出现故障(包括温度过高、风速太大、通信不畅)的情况下,监控终端也能够实时上传故障信息。
3 监控终端构成
监控终端完成电力数据的采集和GPRS发送,由数据采集模块、单片机、GPRS通信模块等组成。安装在架空输电线路杆塔上的监控装置包含采集器、高速一体化CCD摄像机、云台、解码器、中央控制板、DSP压缩模块、GPRS/CDMA通讯模块、蓄电池、太阳能电池、温湿度测量模块、风速测量模块。中央控制板可定时或受中心请求启动摄像机工作,将摄像机采集到的视频信号经DSP压缩模块压缩为标准的JPEG文件,同时采集环境的温度、湿度。装置采用太阳能对蓄电池进行浮充的供电终端方式,中央控制板定期检测蓄电池电压以保证系统正常运行,具体结构设计见图2。
装置主芯片采用MSP430系列芯片, 本系统采用性价比较高的MSP430F149单片机。MSP430是16位单片机,它具有超低功耗、众多的片内外设、强大的数据处理能力、系统工作稳定、运行速度快、开发方便等优点,在许多领域得到了广泛的应用。它采用RISC精简指令集,125ns的指令周期,片内含有硬件乘法器,节省了运算时间。该芯片具有60KB的FLASHROM,2KBRAM,采用串行在线编程方法,同时还拥有强大的中断处理功能。它内含一个八个通道的12位高性能A/D转换器,最高采样速度可达200KHZ。系统对信号的采集采用巡检的方式每0.5 s进行一次巡检,当定时进行巡检的时候用定时器中断唤醒CPU, 使其处于工作状态[3]。
MSP430工作在1.8-3.6V电压下,有正常工作模式和4种低功耗工作模式(LPM1、LPM2、LPM3 LPM4),单片机可以方便的在各种工作模式之间切换。MSP430的超低功耗使其在电池供电、便携式设备的应用中表现出非常优良的特性。
通过单片机完成GPRS与INTERNET网络通信编程,由于单片机的内存有限,如何编程完成图像信息的传送,甚至是录像数据的传送至关重要。单片机编程采用μCOS实时操作系统,编程完成多任务调度机理是另一特色。
GPRS模块采用Siemens公司的MC55,它具有普通GSM模块的通话、短信、电话簿管理、CSD(电路交换数据)传输等功能和无线MODEM的GPRS连接功能,另外内置完整的TCP／IP协议栈,不仅支持SOCKET 连接下的TCP／UDP数据传输,还支持HTTP,FTP,SMTP,POP3等上层应用协议。它支持标准ITU—T的AT命令集,可以通过串口对其进行控制。
MC55的连接器是通过50针引脚连接到芯片应用平台的50个引脚用来控制各个逻辑单元,传输数据和音频信号。它提供各种各样音频接口,每种接口都可用在端到端连接器上:1个数字音频接口(DAI)和2个模拟音频接口。利用AT指令,可以轻松地来回接通,并且选择不同音频方式的命令。
GPRS模块和单片机之间的数据通信主要是通过端口TXD0与TXD之间,RXD0与RXD之间的数据传输来完成。其中GPRS模块上的TXD0口是接收从单片机传来的数据,而单片机上的TXD端口是向GPRS模块传送数据的。GPRS模块上的RXD0口是向单片机发送数据,单片机的RXD口则是用于接收从GPRS模块传输来的数据。由于该模块电源引脚有5个,且电压都是3.3～4.8 V,因此这里将5个引脚连在一起,直接接到外部电源上。在MC55的基带处理器上有一个综合SIM接口,它直接接线到主机接口,用于连接到外部的SIM卡座。
4 监测主站的构成
主站端软件采用VC++编写,采用了性能优异的数据库技术SleepyCat,主站软件采用Visual C++6.0编程,使用多线程编程模式,完成一台主站对多套综合在线监控装置的INTERNET网络通讯,要根据各综合在线监控装置上的手机号识别是哪套装置,并处理由于网络故障引起的重复连接。
各采集站对绝缘子串泄漏电流值、杆塔所受拉力值均设有报警,根据用户要求可自行设置,在主站改变该参数后,系统会主动向采集站发送该参数。
主站会定时向采集站召唤数据,时间可按用户需要自行调整,而且根据需要可随时手动召唤数据,数据包括时间、当地环境温度、湿度、落雨、绝缘子的泄漏电流值、风力风速值、风向值、杆塔所受拉力值、声音。对收到的所有数据,主站都会将时间及数据存入历史数据库,以便查询。
5 综合监测系统的应用
输电线路综合监测系统可实现对输电线路及周边环境的全天候检测,可减少因雷击、线路塔材被盗、洪水灾害、冰害、污闪等事故而引发的停电,改变“定期检修”模式为“状态检修”,提高了巡线人员的效率,故障实现定位告警,各监测点数据一旦达到报警值,会立即向线路运行管理人员通过发送手机短信报警,提高了事故抢修速度[4]。目前,输电线路监测系统已经有所应用,如某超高压局的监控系统中绝缘子串的视频监控的应用如图4所示。
6 结束语
对输电线路运行状况和外在环境的监视一直是电力运行部门关心的问题,输电线路综合在线监测系统是性价比非常高的监控系统,同时具有极好的系统扩展能力,提高了电力巡检的管理水平,使用结果表明, 该系统带来较大综合经济效益具有较好的推广和应用价值。
参考文献：
[1] 张文亮,刘壮志,王明俊,杨旭升.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术,2009.(7):1-11.
[2] 毛红艳.基于GPRS的配电站远程监控终端的设计[J]. 微计算机信息,2010.(10):39-40.
[3] 黄新波,孙钦东,王小敬,武键,刘家兵.输电线路危险点远程图像监控系统[J].高电压技术,2007,(8):192-197.
[4] 郭传奇,王明渝.基于GPRS通信技术的电力巡检系统设计[J].自动化仪表,2007,(7):39-42.
作者简介:毛红艳(1969-),女,副教授,硕士研究生,研究方向:嵌入式技术与电力系统通信。