高壓線塔塔基穩定性監測系統的設計

王奇武，周鳳星,嚴保康

(武漢科技大學 冶金自動化與檢測技術教育部工程研究中心，湖北 武漢 430081)

高壓線塔是電力部門輸電線路的重要組成部分。由于我國地質條件的復雜性，受地形與線路的制約，部分輸電塔不可避免地要建立在陡峭的山體自然邊坡區域。與此同時，由于桿塔本身受到的風、雪、覆冰等破壞作用，導致塔基周圍地質長期受雨水浸泡對高壓線塔塔基的穩定性造成了極大的威脅。目前我國除了青藏線等高海拔地區的部分線路之外，其他多數電力線路均未進行塔基的穩定性監測。而僅依靠常規的人工巡檢，既消耗了大量的人力成本，又無法保證及時準確地掌握野外偏遠山區輸電塔的塔基失穩情況。因此，迫切需要建立遠程無人值守的高壓線塔塔基穩定性無線監測系統，以預防和減少事故的發生，提高電力系統的安全性。本文針對多個建立在山體自然邊坡的高壓塔,通過GPRS無線網絡對塔基邊坡的穩定性進行全方位的實時無線監測[1]，并將巖土形變數據及時快速上報至監控中心，為電力部門進行安全維護決策以及建立后續的塔基穩定性專家預報系統提供依據。

1 監測系統總體架構

監測系統主要由現場監測終端和遠程監控中心的上位機服務器組成。現場監測終端主要包括傾斜傳感器、主控制板、GPRS數據傳輸模塊、供電系統4部分。考慮到輸電塔邊坡崩滑速度較慢、對測量精度要求較高等特點，本文采用國內外較為通用的鉆孔傾斜法來實現對巖土的多層次實時監測。將多個傾斜傳感器埋入不同深度的巖土中，當巖土產生形變時，傳感器能夠將軸線與鉛垂線之間的夾角變量通過RS-485總線傳送給架設在高壓線塔上及以MSP430單片機為核心的主控制板上，控制板收到信息后加以簡單處理，并通過GPRS無線網絡發送給監測中心的上位機服務器。由于野外供電不便以及電氣隔離安全要求的限制，整套系統采用太陽能電池板與大容量蓄電池組成的供電系統提供電源。上位機監測系統基于Web網絡技術，采用B/S與C/S相結合的體系結構，實現對監測數據管理和預警[2]。系統的總體工作流程如圖1所示。

圖1 GPRS系統工作流程圖

2 系統硬件設計

本文所設計的無線監測系統以MSP430G2553微處理器為核心,將RS-485通信技術與GPRS無線通信技術相結合[3]，利用傾斜度傳感器實現對巖土體深度形變的持續測量與定位。系統硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構框圖

為了提高測量精度，系統選用高精度硅微式傾斜度傳感器，該傳感器基于先進的MEMS制造技術，具有抗干擾能力強、靈敏度高、溫漂極小等特點，測量范圍為±15°，分辨率可達0.001°。5路傳感器作為從機，通過RS-485串行通信接口與數據采集模塊組建簡單高效的通信網絡,通過帶隔離的增強型RS-485收發器ADM2483芯片連接到作為主機的單片機UART串口上,邏輯端采用3.3 V供電，總線端采用DC-DC電源模塊B0505為其提供5 V的隔離電源。ADM2483基于先進的iCoupler磁隔離技術，省去了外部影響轉換效率的光隔離器件，且具有熱關斷和失效保護功能，可以實現真正可靠的半雙工通信。硬件電路如圖3所示。

圖3 帶隔離的485通信電路原理圖

單片機模塊采用TI公司最新推出的超低功耗、高性能的16位MSP430G2系列單片機MSP430G2553,該單片機具有16位精簡指令集架構和62.5 ns指令周期時間，可以在不到1μs的時間里從待機模式超快速地喚醒。MSP430G2553工作在1.8 V～3.6 V的低電壓范圍，且具有5種低功耗運行模式，超低功耗的工作特性極大提高了光伏供電系統在陰雨天氣的續航能力。單片機作為前端監測系統的控制核心，主要作用是控制系統實現對數據的采集與處理、存儲和上傳等功能。MSP430G2553片上的USCI_A模塊能夠實現UART功能,支持雙緩沖接收/發送和自動波特率監測,通過USCI模塊內置的2個調制器UCBRSx和UCBRFx,采用BITCLK16進行RX采樣，能夠得到非常精準的波特率，單片機利用這個串口通過AT指令控制GPRS模塊完成數據傳輸過程。此外，由于5路傳感器需要通過UART串口和單片機之間組建RS-485通信網絡，這里利用定時器Timer_A模塊的比較捕獲功能模擬出一個軟件UART，利用捕獲功能捕捉管腳起始位的變化，并借助比較器不斷將CCRx的設定值與與定時器的計數值相比較，當兩者相等時即產生中斷，獲得精確的時間間隔。對CCRx寄存器中定時間隔做相應的設置可以得到誤差極小的通信波特率，靈活地完成串口擴展。

為了滿足監測設備對數據采集時間點的精確記錄要求，系統添加了內置晶振和鋰電池的高精度串行時鐘芯片SD2405，該芯片內置高精度時鐘調整功能，無需人工校時，可以在惡劣的環境下長期可靠地工作。同時，在數據存儲方面,系統采用4片串行E2PROM芯片AT24C512提供2 MB的數據存儲空間,用于循環存儲60天的監測參數，并永久保存GPRS模塊的設定參數。AT24C512采用兩線制的I2C串行接口，相比于并行操作的E2PROM更能適應電力現場的強干擾環境。

GPRS數據傳輸部分選用西門子公司生產的工業級雙頻模塊MC52i，由于模塊內部內嵌有TCP/IP協議棧，單片機可以直接使用AT指令集控制模塊,將串口上的原始數據轉換成TCP/IP數據包進行傳送[4]。MC52i模塊正常工作時需要的供電電壓輸入范圍是3.3 V～4.8 V，當模塊以最大功率發射時，供電電流的峰值能達到2 A。為了避免由此造成的電壓跌落導致模塊出現重啟等異常狀況[5]，模塊電源輸入端采用開關穩壓芯片LM2576-ADJ作為電源芯片,并在輸出電壓端口并聯多個470μF的大電容。LM2576-ADJ是一款可調節輸出型開關穩壓芯片，該芯片性能穩定,輸出電流驅動能力強，最大輸出電流可達3 A,具有較強的抵抗電壓跌落的能力[6]。

3 提高系統可靠性的措施

由于本系統主要工作在長期無人維護的工業環境，因此確保系統的穩定性尤為重要。系統在設計時采取了多種措施以提高硬件設備對外部干擾的防護能力，并在軟件設計中通過多種自檢機制應對各方面可能出現的問題。

在電路設計與布局上，一方面采取多種防護措施對其進行保護,包括采用ESD芯片來提高系統的靜電防護能力,并針對雷擊與浪涌電壓在關鍵電路添加TVS二極管等;另一方面，在對器件布局和走線時，盡量縮短敏感回路的走線長度，并對其作鋪地處理，確保GPRS模塊和其他敏感元器件工作穩定。

可能影響系統正常工作的因素有：長時間無數據傳輸導致模塊自動下線、GPRS網絡受惡劣天氣的不良影響、高壓線塔現場的電磁干擾、陰雨天氣造成的太陽能供電設備輸出電壓波動等[7]。這里主要采用心跳包和狀態自檢與自恢復兩種機制來提高系統的可靠性。

GPRS模塊通過GGSN連接Internet網絡，當模塊一段時間不進行數據傳輸時，GGSN會斷開模塊的網絡連接,從而節省信道資源。為了避免網絡中斷，系統設定每隔2 min向監測中心服務器發送一小段心跳信息，以保證模塊的長期在線。針對可能造成GPRS鏈路斷開的外部干擾,系統設計了網絡連接狀態自檢機制，即定期向遠程監控中心發送檢測信息，若重復幾次仍未收到應答信號，則判斷設備已掉線并立即通過AT指令重啟模塊并重新建立連接。此外，采用MSP430單片機內部自帶的看門狗以及MAX813外部硬件看門狗兩級看門狗機制來解決系統死機、假在線等問題，一旦單片機沒有正常接收GPRS模塊返回的信息,立即控制GPRS模塊的RESET引腳重啟模塊并恢復連接[8]。

4 系統軟件設計

系統的軟件設計主要包括兩部分，一部分基于Keil軟件平臺的單片機控制程序編寫，用于控制監測設備完成數據的采集和發送；另一部分為基于Python編程語言的上位機監測系統，利用Web網絡技術和數據庫技術，建立基于Web網絡的監測管理系統，實現數據的表單訪問和圖形化顯示。

4.1 單片機控制程序

單片機程序主要采用C語言編寫，作為數據采集與傳送設備的控制核心，單片機軟件設計主要包括系統初始化、與傳感器之間的485通信、數據的采集與處理、電池電量管理、時鐘芯片控制、GPRS數據傳輸控制等。本文主要介紹與GPRS模塊相關的程序設計,該部分程序實現的主要功能包括GPRS模塊的初始化操作和GPRS數據業務的操作。

MSP430單片機通過串口發送AT指令控制GPRS模塊的各項操作，模塊開機初始化之后，與監測中心建立鏈路連接并按設定格式傳送GPRS數據包。模塊每執行一條指令，均會向單片機返回一小段返回值，包括響應信息和結果碼，以表明當前執行情況，單片機根據返回信息來控制模塊的工作進程。程序流程圖如圖4所示。

圖4 GPRS程序流程圖

4.2 上位機監測系統

上位機監測系統采用Python語言開發，Python是一種純面向對象的程序設計語言，具有高度的擴展性和較高的開發效率。上位機監測系統利用Apache服務器、XBOP應用服務器和Postgre SQL數據庫,主要實現三部分的功能:(1)基于TCP/IP協議的數據接收;(2)通過網頁對塔基傾斜數據的實時監控;(3)提供表單形式的歷史監測數據查詢，為監控人員分析塔基邊坡巖土運動規律提供方便。監測界面如圖5所示。

經過實際運行，基于GPRS的塔基穩定性監測系統能夠較好地實現對高壓線塔塔基邊坡的實時監測，極大降低了人工巡視的人力成本，提高了監測和管理效率。隨著我國智能電網建設的不斷發展，輸電線路的穩定性監測系統已經成為電力部門提升輸電線路精益化管理水平的重要技術手段。同時，以傾斜度傳感器為基礎的監測預警系統在工業或民用建筑的變形、傾斜等其他方面也有較好的應用前景。

[1]李輝,苑臣芒,馬曉鑫.基于 AVR MCU與GSM/GPRS的航標燈監控系統的設計[J].電子技術應用，2012,38(6):97-99.

圖5 上位機監測界面

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[3]薛琳,魏蘭磊,朱述川,等.基于GPRS和RFID技術的門禁控制系統[J].電子技術應用，2012,38(6):145-148.

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