高压电力线积雪厚度的实时监测系统*

张秀再 ， 范江棋 ， 杜 蒙 ， 张一波

(1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 江苏省气象传感网技术工程中心，江苏 南京 210044)

落雪是美丽的自然景观，但在高压电力传输线路上是一种严重的自然灾害，是危输电线路安全运行的主要问题之一。落雪经常造成输电线路倒塔(杆)、断线、金具损坏、绝缘子串闪络等严重事故，甚至电网瘫痪[1]。单片机、传感器和无线通信等技术的发展为高压线积雪厚度实时监测系统的设计提供了条件。采用高压线积雪厚度实时监测系统不仅能够及时发现高压线上的积雪危害，还能有效节约人力和财力资源[2]，使得高压电路监测预警工作显得更加方便和高效。

本文设计的高压电力线积雪厚度实时监测系统不仅具备实时监测与报警的功能，而且节能环保，具有很高的实用价值。

1 电力线积雪厚度计算数学模型

[3]已经对利用称重法原理测量导线积雪厚度的数学模型作了详细介绍，本文将该数学计算模型应用到所设计的监测系统,实现对积雪厚度的监测。电力线积雪厚度等效模型计算等值积雪厚度的表达式为:

式中，φ为电力线积雪厚度；d为无积雪时电力线外径；m2为积雪时每米电力线的总质量，可由压力传感器的测量压力数据计算获得；m1为无积雪时每米电力线的质量；ρ为雪的密度。可以根据测算得到的m2计算出等效电力线均匀积雪厚度。

2 硬件系统结构

高压电力线积雪厚度实时监测系统的硬件结构框图如图1所示。系统中MSP430F149为主控模块，ST-8057-9非晶硅太阳能电池板为电源模块,高精度MC33079称重传感器为压力感应模块,NRF905无线收发器为通信模块。

图1 系统结构框图

3 测量装置结构

高压电力线积雪厚度实时监测系统装置如图2所示，装置通过支撑底座⑧上的固定螺丝⑦固定在高压塔上，太阳能模块①安装在连接支架⑨上方，可方便接收太阳能。称重平台②放在称重模块③上方，中间通过连接支架连接以达到稳定的目的。在连接支架⑨的最右端边安装激光报警灯④，当称重平台②上的模拟电线上积雪达到所设置的危险值时,激光灯闪烁报警，方便地面人员观测到危险所在的位置。MSP430主控模块⑤和无线通信模块⑥都安装在支撑底座⑧上，主控模块和无线通信模块均有防水、防晒外壳。此外，连接支架⑨采用空心材料以方便布线，称重平台为1 m长的相同高压电线。

4 硬件电路设计

4.1 单片机主控芯片

MSP430是IT公司新开发的一类具有16位总线的带Flash的单片机,其性价比和集成度较高，并且可以在超低功耗模式下工作,对环境和人体的辐射小,功耗测量结果约为100 mW(电流为14 mA),可靠性好,在强电干扰运行不受影响,适应工业级的运行环境,适合做手柄之类的自动控制的设备。其采用16位的总线,外设和内存统一编址,寻址范围可达64 KB,还可以外扩展存储器。具有统一的中断管理和丰富的片上外围模块。

本系统采用MSP430单片机为主控芯片,不仅可以直接利用其内部集成的12位A/D转换器，还可以使得单片机进入低功耗模式,有效减少功耗[4]。

4.2 压力感应模块

图2 测量装置结构图

MC33079高精度称重传感器是一种将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感器元件[5],当积雪覆盖压力传感器的重力导致机械形变，从而使传感器阻值发生变化，引起电流的变化[6]。压力感应模块的信号输出端与单片机P6.1端口相连，信号由单片机进行内部A/D采样,单片机根据所测量的压力值计算出对应的积雪厚度。压力感应模块电路如图3所示。

4.3 通信模块

通信模块采用NRF905芯片，该模块主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的 ISM频段。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。非常适合于低功耗、低成本的系统设计。

当主控模块根据压力感应模块所测试的压力值及计算得到的积雪厚度值有变化时，启动无线模块并将最新测算的厚度值发送给监控中心。无线通信模块电路如图4所示。

4.4 报警模块

为了让地面人员能够及时准确地观测到报警信号，采用激光报警模块，因激光的光束不发散，所以几公里外都可以看见，激光报警模块同时也克服了大雾等恶劣天气的影响。当监测系统所测的积雪最新厚度值超过所设阈值时，则单片机P2.1管脚输出脉冲信号，使报警灯发出闪烁的激光信号，易于地面工作人员远距离识别。

图3 MC33079压力传感器电路图

图4 通信模块电路图

4.5 电源模块

监测系统采用太阳能供电，太阳能电池模块可以将太阳能转换成电能并进行存储和利用，具有高效、环保、寿命长等特点。在白天阳光充足时，太阳能电池模块转换成的电能一部分给主控系统供电，另一部分储存在铅蓄电池中[7]，当夜晚或阴雨天气时，控制系统依然可以正常工作，有效地保证了系统工作的持续性。

5 软件设计

高压电力线积雪厚度的实时监测系统运用了MSP430F149单片机作为核心控制部分，通过编程来实现系统功能。主程序流程图如图5所示，程序开始时，首先初始化MSP430F149单片机，然后进行积雪厚度的实时监测。

6 实验结果

系统经过软硬件的调试及实验，采用自制接收系统接收并显示测试结果。实验中采用混合粉末代替积雪，该混合粉末的密度为积雪的平均密度[8](0.14 g/cm3),监测系统测试的结果与直尺测量结果进行对比。为了提高直尺测试值的准确度，在1 m长的测量平台上均匀选取10个点测量取平均值,系统共测量10次，实验测试结果如表1所示。根据表1可知，系统监测的性能较好，积雪厚度测量较为准确。

图5 主程序流程图

系统实现了高压线积雪厚度的实时监测，并将最新的数值通过无线发射模块发送给监控中心，以便地面工作人员准确地了解高压线上积雪的危险状况；当积雪厚度达到所设置阈值时，系统自动发出报警信息。高压线积雪厚度实时监测系统的应用可以节省大量的人力物力,提高监测效率。系统节能环保，性能稳定，具有一定的现实意义和实用价值。

表1 实验结果对比

参考文献

[1]吴胜华.高压输电线路抗覆冰技术研究[J].城市建设理论研究,2011,15(8):9-11.

[2]黄新波，孙钦东.基于GSM SMS的输电线路覆冰在线监测系统[J].电气自动化设备学报,2008,28(5)：10-11.

[3]张予.架空输电线路导线覆冰在线监测系统[J].高电压技术,2008,34(9):1992-1995.

[4]冒晓莉，杨博，杨静秋,等.基于MSP430单片机的节能型数字调频发射机[J].电子技术应用,2013,39(5):138-140.

[5]凌永发，王杰.压力传感器的选择与应用[J].云南民族学院学报,2003，13(6):15-18.

[6]王化强.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社,2007.

[7]何道清,何涛.太阳能光伏发电系统原理与应用技术[M].北京：化学工业出版社,2012.

[8]杨大庆，张寅生，张志忠.乌鲁木齐河源雪密度观测研究[J].地理学报，1992,47(3)：260-266.