基于GPRS的低功耗輸電線路覆冰翻轉監測裝置的設計與實現

李 輝，曹永興，孟勁松，張昌華，黃 琦

（1 電子科技大學電力系統廣域測量與控制四川省重點實驗室，四川成都 611731；2 電子科技大學能源科學與工程學院，四川成都 611731； 3 四川省電力試驗研究院，四川成都 610072）

0 引言

輸電線路覆冰嚴重威脅著輸電線路和電力網絡的安全，可靠的運行。當覆冰載荷超過輸電線路的設計抗冰標準時，會引起導線的翻轉，舞動等問題。特別是2008年初，我國南方因為特大雨雪冰凍災害造成的輸電線路大面積覆冰，造成鐵塔倒塌，輸電線路斷線，嚴重影響電網運行，給人民生活帶來嚴重不便，使國家遭受巨大的財產損失，因此，對輸電線路的翻轉角度的實時監測，可以保證輸電線路的安全。本文主要針對500千伏四分裂輸電線路覆冰后，輸電導線會相對其幾何中心發生相對轉動的情況，設計實現了一種可以自動檢測并發送輸電導線翻轉角度數據的在線監測裝置。本監測裝置以一定的頻率檢測輸電線路的翻轉角度，并將檢測結果通過GPRS網絡發送給監控中心。當輸電線路覆冰后，翻轉角度超過一定范圍，監控中心可以通過本裝置了解到這一情況，并采取措施保證輸電線路的安全。

1 覆冰翻轉監測裝置硬件設計

1.1 系統整體設計

本文研究的測試裝置主要是通過傾角傳感器測量四分裂導線間隔棒的翻轉角度，然后通過GPRS技術將測試數據傳回控制中心，從而實現了導線翻轉的監測。監測裝置硬件框圖如圖1所示。

圖1 監測裝置硬件框圖

整個監測裝置硬件以基于C8051F的片上系統芯片CC2530F256為主控制器。CC2530 F256是一個真正的片上系統（SOC）的解決方案。它以增強型8051F單片機作為控制核心，系統內包含8KB的RAM，256KB可編程的Flash.。同時該控制器有四種工作模式，使它尤其適用于具有超低功耗要求的系統。

在圖1中，考慮到現場惡劣的工作環境、強烈的電磁干擾以及測試裝置依靠蓄電池進行供電的實際情況，因此該系統對傾角傳感器的精度、GPRS通信模塊工作的可靠性和系統的整體功耗水平提出了較高的要求。

1.2 傾角傳感器的選型及通信接口設計

整個監測系統要工作在低溫，強磁場的惡劣環境中，因此，對傳感器的抗干擾能力提出了很高的要求。角度測量硬件采用ROB200單軸傾角傳感器。它采用RS422通信協議，上電穩定一段時間后直接通過一對差分信號線輸出測量結果，抗干擾能力比模擬輸出的傳感器強。同時，該傳感器的功耗相對于同類型的傳感器要低，對降低整個監測系統的功耗有很大幫助。傾角傳感器工作電壓為12 V，傳感器輸出的差分信號TXD+，TXD-分別連接電平轉換芯片的A，B兩端，經過電平轉換芯片轉換成3.3 V的LVTTL電平，從RO管腳輸出，送至控制器的串口輸入端RX。圖2為傾角傳感器與控制器之間的接口電路。

圖2 傾角傳感器接口電路

1.3 GPRS模塊的選型及通信接口設計

GPRS通信選用M590模塊。 M590模塊支持TCP/IP協議，可以簡單地通過AT指令建立起一條基于TCP/IP協議的通信鏈路，可靠地傳輸數據。同時該模塊的結構簡單，工作可靠，功耗相對較低，適合搭建低功耗的監測系統。

GPRS模塊通過串口與控制器通信。因為GPRS模塊的TX,RX信號電平為2.85 V的CMOS電平，而控制器的輸出電平是3.3V的LVTTL電平，因此，在GPRS模塊的RX管腳和控制器的TX管腳之間串聯一個分壓電阻，使GPRS模塊RX管腳輸入電壓滿足模塊的電平要求；控制器要求輸入的高電平信號范圍在2.5 V到3.3 V之間，所以，GPRS模塊的TX管腳通過一個0歐電阻與控制器的RX管腳相連。

GPRS模塊設計中，加入了兩個LED。一個用來指示模塊的供電情況；模塊上電后，LED狀態為常亮；一個用來指示模塊的工作情況；模塊工作時，LED以1 s的間隔閃爍。

GPRS模塊與SIM卡之間的互連設計，通過1根電源線與3根信號線。其中：(1)模塊通過VCC對SIM卡供電； (2)模塊向SIM卡提供復位信號RST,串行時鐘信號CLK,模塊與SIM卡之間的數據信號SIMIO。考慮到防靜電的需要，在GPRS模塊與SIM卡之間接入了一個ESD模塊，防止靜電對模塊和SIM卡造成損害。 GPRS模塊原理圖如圖3所示。

圖3 GPRS模塊原理圖

1.4 系統低功耗的設計

為了降低系統功耗，傾角傳感器的電平轉換芯片，傾角傳感器，GPRS等3個模塊工作時， 控制器通過指令開啟每個模塊的工作電源。當上述模塊不工作時，控制器通過指令關閉模塊的工作電源，以降低整個系統的功耗。因此，整個監測系統的低功耗設計，除了前文介紹的低功耗模塊選型之外，另外一個重點是上述模塊的工作電源的選擇和設計。

電平轉換芯片的工作電源選擇固定輸出電壓為3.3 V的LP2951-3.3；這是一款低壓差，靜態功耗很低，帶輸出使能端的LDO電源。使能信號為低電平。

傳感器的工作電源選擇MIC2145；這是一款靜態功耗很低，輸出電壓可調，帶輸出使能端的開關電源。使能信號為高電平。本設計中，輸出電壓12 V。

GPRS模塊工作電壓為3.9 V。另外開機時的瞬時電流比較大。所以綜合以上特性，選用輸出電壓可調的低壓差LDO芯片MIC29302，它可以提供最大輸出3A的電流，滿足GPRS模塊的工作需要。該電源芯片帶有輸出使能端，使能信號為高電平；

考慮到控制器的GPIO管腳的負載能力，在電源模塊的使能端控制電路設計中，采用三極管開關電路來控制電源使能端的開啟與關閉。控制器的GPIO管腳連接到三極管的基極，控制三極管的導通與關斷，從而實現了對上述工作電源輸出使能端的控制。

2 覆冰翻轉監測裝置軟件設計

覆冰翻轉監測裝置的軟件開發環境采用基于C/C++的嵌入式開發環境IAR Embedded Workbench for MCS51。IAR Embedded Workbench的 C/C++ 交叉編譯器和調試器是今天世界最完整的和最容易使用專業嵌入式應用開發工具。IAR Embedded Workbench支持 35 種以上的 8 位 /16 位 32 位的微處理器結構對不同的微處理器提供一樣直觀用戶界面。

輸電線路發生覆冰翻轉這一情況一般出現在冬季，或者溫度低于零攝氏度的情況下。監測裝置的系統軟件結構如下：

(1)系統根據設定的測量周期進行循環。循環周期通過主控制器內置的休眠計數器設定。

(2)循環內部通過環境溫度判斷是否需要測量和發送傾角數據。當溫度高于閥值時，監控系統重新進入休眠狀態；當溫度低于閥值時，監控系統測量傾角數據并通過GPRS模塊發送數據。完成上述操作后再次進入休眠狀態，等待下一個測量周期。

監測裝置軟件工作流程圖如圖4所示。

圖4 監測裝置軟件工作流程圖

3 測試與結論

傳感器送出的數據格式為，一幀數據5個字節，前2個字節為固定的幀頭；接下來2字節為角度數據；最后一個字節為校驗和。傳感器送出的數據，經過轉換，將2個字節的角度數據，轉換為4個字節的ASCII字符，通過GPRS模塊發送出去。監控中心主機收到4個字節的ASCII字符后，將其還原為兩個字節的角度數據，并進行解碼，得到導線的翻轉角度。

部分實驗數據如下表1所示。

表1 部分實驗數據

續表1

本監測裝置在實驗室環境下，布置在模擬輸電導線上，測量數據通過監測裝置上的GPRS模塊發出。接收端的GPRS模塊通過串口轉USB模塊與PC相連，收到數據后，顯示在PC上的串口調試助手軟件中。經過試驗，本監測系統能夠穩定工作，正確測量角度，接收并顯示數據。下一步，在野外環境中實地測試，并將接收并顯示傾角數據的功能集成在整個覆冰監測系統軟件中。本監測裝置的創新點在于可以實現對翻轉角度這一物理量實現遠程自動測量，同時整個監測系統的功耗很低，節省能源。

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