基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特高壓導(dǎo)線舞動(dòng)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

蔡光柱，趙 爽，楊 振，趙 睿，魏 雷

（北京國(guó)網(wǎng)富達(dá)科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100071）

0 引言

隨著特高壓電網(wǎng)的發(fā)展，輸電線路運(yùn)行管理越來(lái)越復(fù)雜，導(dǎo)線舞動(dòng)事故的發(fā)生也日益頻繁。舞動(dòng)常引起導(dǎo)線斷股、斷線、金具嚴(yán)重磨損、脫落、桿塔傾倒、線路跳閘等嚴(yán)重事故，容易造成電網(wǎng)大面積停電，給電網(wǎng)運(yùn)行造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為了及時(shí)掌握架空輸電線路導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)變化情況，須在易發(fā)生舞動(dòng)區(qū)域相關(guān)線路上部署導(dǎo)線舞動(dòng)檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)采集導(dǎo)線舞動(dòng)數(shù)據(jù)。特高壓輸電線路的相鄰鐵塔之間檔距較長(zhǎng)，但舞動(dòng)檢測(cè)儀卻需要均勻安裝在檔距之間，為便于施工人員安裝，保證檢測(cè)儀的檢測(cè)準(zhǔn)確度，舞動(dòng)檢測(cè)儀的電池容量受到極大限制，因此具有無(wú)線傳輸、超低功耗特點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［1］被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的監(jiān)測(cè)中。

目前，舞動(dòng)監(jiān)測(cè)方法主要包括：基于位移傳感器、加速度傳感器的導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置［2］；傳統(tǒng)的基于差分GPS 的輸電線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)方法［3］，通過(guò)無(wú)線GSM 傳輸模塊的導(dǎo)線舞動(dòng)信息數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；基于視頻分析技術(shù)的導(dǎo)線舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［4］，或者采用分布式光纖傳感器測(cè)得線路動(dòng)態(tài)［5］；黃新波對(duì)舞動(dòng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和舞動(dòng)定位算法［6］進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出一種慣性傳感器的輸電導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。現(xiàn)存舞動(dòng)檢測(cè)儀存在諸多不足之處，比如能源供給不穩(wěn)定、系統(tǒng)功耗高，往往3 年左右需要更換電池，安裝施工成本高；檢測(cè)儀本身重量大，對(duì)導(dǎo)線連接處有磨損；采集精度不夠，只采集X、Y 軸方向的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)沒(méi)有加密，存在安全風(fēng)險(xiǎn)等。

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型舞動(dòng)檢測(cè)儀，采用超低功耗設(shè)計(jì)，利用微機(jī)電系統(tǒng) （Micro Electromechanical System，MEMS） 速度傳感器采集X、Y、Z 方向上的舞動(dòng)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)舞動(dòng)數(shù)據(jù)按照國(guó)家電網(wǎng)有限公司要求進(jìn)行加密處理，將加密后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離無(wú)線電 （Long Range Radio，LoRa）芯片發(fā)送到數(shù)據(jù)接收基站。該舞動(dòng)檢測(cè)儀具有安裝方便、超低功耗、采集精度高、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 導(dǎo)線舞動(dòng)檢測(cè)儀系統(tǒng)架構(gòu)

所設(shè)計(jì)導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)儀主要由STM32L5 主芯片、高能膠體電池、MEMS 加速度傳感器、加密模塊和Semtech LoRa 模塊組成，如圖1 所示。

圖1 舞動(dòng)檢測(cè)儀系統(tǒng)組成

為有效降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)電池使用壽命，在低功耗STM32L5 芯片上移植RT-Thread 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)［7］，可以靈活設(shè)置各任務(wù)啟動(dòng)、關(guān)閉和配置采樣周期，在非測(cè)量時(shí)間舞動(dòng)監(jiān)測(cè)儀關(guān)閉各任務(wù)，進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。舞動(dòng)數(shù)據(jù)的采集使用MEMS 加速度傳感器測(cè)量導(dǎo)線在X、Y、Z 3 個(gè)方向上的加速度值和角速度值，通過(guò)SPI1 接口將采集數(shù)據(jù)發(fā)送回STM32L5主芯片，經(jīng)過(guò)低通濾波器、二次積分算法、數(shù)據(jù)矯正、快速傅里葉變換（FFT）后，得出舞動(dòng)幅值、舞動(dòng)頻率等參數(shù)。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕瑢⑽鑴?dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)SPI2 口傳輸給加密芯片進(jìn)行加密，最后將加密后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)LoRa 芯片發(fā)送到數(shù)據(jù)接收基站。布置在后臺(tái)服務(wù)器上的在線監(jiān)測(cè)專家系統(tǒng)［8］，結(jié)合氣象、線溫、振動(dòng)等數(shù)據(jù)，對(duì)舞動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為舞動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生提供有效預(yù)警。

舞動(dòng)檢測(cè)儀5 個(gè)為一組，安裝在輸電線路各鐵塔的檔距之間。輸電導(dǎo)線長(zhǎng)期處于高壓、高溫、潮濕等復(fù)雜環(huán)境中，為有效防止尖端放電及電磁干擾，舞動(dòng)檢測(cè)儀機(jī)械設(shè)計(jì)如圖2 所示。圖2 中2、3 為線路鐵塔編號(hào)；4 為后臺(tái)服務(wù)器；101、102、103 為第一組舞動(dòng)檢測(cè)儀，201、202、203 為第二組舞動(dòng)檢測(cè)儀編號(hào)；編號(hào)便于后臺(tái)服務(wù)器區(qū)分不同舞動(dòng)檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)。

圖2 舞動(dòng)檢測(cè)儀安裝

2 超低功耗模式設(shè)計(jì)

導(dǎo)線舞動(dòng)檢測(cè)儀須均勻安裝在檔距之間，安裝更換電池勞動(dòng)強(qiáng)度高、難度大、危險(xiǎn)性高。為有效延長(zhǎng)電池的使用壽命，硬件采用最新STM32L5 超低功耗MCU 芯片，其專有的超低功耗技術(shù)［9］為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)能應(yīng)用打造了一款性能出色的微控制器。該芯片利用Arm Cortex-M33 處理器，可在性能、功耗和安全性之間實(shí)現(xiàn)新的最優(yōu)平衡。

軟件方面采用國(guó)產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)RT-Thread對(duì)舞動(dòng)檢測(cè)儀運(yùn)行任務(wù)進(jìn)行管理［10］。通過(guò)對(duì)STM32L5低功耗模式的研究［11］，利用RT-Thread 內(nèi)部定時(shí)器設(shè)置采樣周期，當(dāng)采樣周期滿足時(shí)，利用外部中斷喚醒舞動(dòng)檢測(cè)儀，開(kāi)始采集、加密、發(fā)送舞動(dòng)數(shù)據(jù)等任務(wù)［12］；在非測(cè)量時(shí)間關(guān)閉MEMS 加速度傳感器、加密模塊和LoRa 模塊的電源，關(guān)閉舞動(dòng)檢測(cè)儀各運(yùn)行任務(wù)，使STM32L5 主芯片系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，從而最大限度地降低舞動(dòng)檢測(cè)儀的功耗，延長(zhǎng)電池工作壽命。相比于傳統(tǒng)舞動(dòng)檢測(cè)儀，采用低功耗模式設(shè)計(jì)的舞動(dòng)檢測(cè)儀電池使用壽命可達(dá)10 年以上，有效降低了輸電線路巡檢人員的工作強(qiáng)度。

3 舞動(dòng)檢測(cè)儀工作原理

3.1 MEMS 加速度傳感器

考慮到輸電線路野外環(huán)境十分惡劣復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)舞動(dòng)參數(shù)的精確測(cè)量，采用ADXL357 模塊。其具有體積小、集成度高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，最小電流僅需200 μA，是要求超低功耗的舞動(dòng)檢測(cè)儀的理想選擇。導(dǎo)線舞動(dòng)屬于低頻率、大振幅，其舞動(dòng)幅度為0～10 m，頻率為0.1～5 Hz，因此將采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz，能夠精確采集舞動(dòng)特征量。為提高舞動(dòng)檢測(cè)儀的檢測(cè)精度，采用普通氣泡水平儀、六面體盒狀物，對(duì)舞動(dòng)檢測(cè)儀進(jìn)行初始標(biāo)定。ADXL357 模塊通過(guò)SPI1 接口與STM32L5 通信，舞動(dòng)檢測(cè)儀的采集周期為10 min，每隔10 min ADXL357 模塊會(huì)收到主芯片發(fā)送的舞動(dòng)數(shù)據(jù)采集指令，便開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集流程，按照時(shí)序要求依次讀出X、Y、Z 軸加速度值和角加速度值對(duì)應(yīng)寄存器地址的數(shù)據(jù)。首先利用低通濾波器去除不符合條件的噪聲，對(duì)采集到的加速度值采用5 次均值法的數(shù)字濾波技術(shù)進(jìn)行處理；其次對(duì)采集到的角加速度值進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，將載體坐標(biāo)系下的加速度值，經(jīng)過(guò)四元素算法轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)系下的加速度值，然后利用均值濾波和最小二乘法，經(jīng)過(guò)第一次積分，將加速度值轉(zhuǎn)換為速度值；得到速度值后，再次利用最小二乘法，經(jīng)過(guò)第二次積分，將速度值轉(zhuǎn)換為位移值；最后由STM32L5對(duì)采集到的舞動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換（FFT）得到舞動(dòng)特征量［13］，舞動(dòng)特征量經(jīng)過(guò)頻率響應(yīng)校正后，發(fā)送給加密模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加密后再通過(guò)LoRa芯片發(fā)送到數(shù)據(jù)接收基站。舞動(dòng)特征量計(jì)算流程［14］如圖3 所示。

3.2 加密模塊

隨著針對(duì)智能電網(wǎng)通信報(bào)文攻擊的頻發(fā)，輸電線路監(jiān)測(cè)設(shè)備的通信數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，已成為當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)人員必須解決的問(wèn)題之一。國(guó)家電力調(diào)度通信中心要求輸變電設(shè)備采用基于調(diào)度證書(shū)的非對(duì)稱密鑰算法實(shí)現(xiàn)控制命令以及參數(shù)設(shè)置指令的單向認(rèn)證與報(bào)文完整性保護(hù)。采用加密芯片對(duì)舞動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，主芯片STM32L5 首先通過(guò)SPI1接收MEMS 加速度傳感器ADXL357 采集的舞動(dòng)數(shù)據(jù)，主芯片再將舞動(dòng)數(shù)據(jù)傳遞給加密芯片，采用基于ECC 的SM2 算法運(yùn)算庫(kù)對(duì)舞動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理［15］，然后將數(shù)據(jù)傳回主芯片，最后主芯片將加密后的舞動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)Semtech LoRa 芯片發(fā)送到數(shù)據(jù)接收基站。舞動(dòng)檢測(cè)儀數(shù)據(jù)加密流程，如圖4 所示。

圖3 舞動(dòng)特征量計(jì)算流程

圖4 舞動(dòng)數(shù)據(jù)加密流程

3.3 LoRa 通信模塊

相對(duì)于2.4G、ZigBee、WiFi 或者藍(lán)牙等傳統(tǒng)無(wú)線通信方式，低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）是一種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)。其面向物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中傳輸范圍廣和傳輸信息量少的應(yīng)用終端，同時(shí)還具有低功耗、遠(yuǎn)距離、高可靠無(wú)線通信等優(yōu)點(diǎn)［16］。考慮到舞動(dòng)檢測(cè)儀是安裝在輸電導(dǎo)線上，其數(shù)據(jù)傳輸量小，且必須確保其具有超低功耗特點(diǎn)，綜合考慮，系統(tǒng)選用SX1262 LoRa 芯片，用于實(shí)現(xiàn)舞動(dòng)檢測(cè)儀與遠(yuǎn)端的LoRa 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其發(fā)射功率可調(diào)，最大傳輸距離可以達(dá)到30 km，發(fā)射電流最大120 mA，電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 年。

4 模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4.1 模擬試驗(yàn)

為了驗(yàn)證舞動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的有效性和準(zhǔn)確性，在某模擬舞動(dòng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬測(cè)試。將舞動(dòng)監(jiān)測(cè)儀懸掛在試驗(yàn)臺(tái)上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，懸掛點(diǎn)與圓心的距離可隨時(shí)調(diào)整，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中電機(jī)可帶動(dòng)滑桿調(diào)節(jié)舞動(dòng)半徑，舞動(dòng)半徑的可調(diào)范圍為0～3 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出振動(dòng)臺(tái)平均振動(dòng)頻率為1 Hz，與設(shè)定的轉(zhuǎn)速一致，舞動(dòng)采集單元的最大幅值誤差為5 cm。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 舞動(dòng)模擬測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) cm

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

導(dǎo)線舞動(dòng)檢測(cè)儀在浙江舟山大跨越輸電線路進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試，如圖5 所示。該檢測(cè)儀安裝投入使用1 年多，深受用戶好評(píng)，運(yùn)行狀況良好。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，證明該舞動(dòng)檢測(cè)儀測(cè)量導(dǎo)線舞動(dòng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、無(wú)丟包現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)到的舞動(dòng)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 舟山線現(xiàn)場(chǎng)采集的3 次舞動(dòng)數(shù)據(jù) m

圖5 舞動(dòng)檢測(cè)儀舟山現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)研發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型特高壓導(dǎo)線舞動(dòng)檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀采用STM32L5 系列低功耗芯片，移植完全自主開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)RT-Thread，管理舞動(dòng)檢測(cè)儀各任務(wù)啟動(dòng)、關(guān)閉和配置采樣周期，實(shí)現(xiàn)了超低功耗設(shè)計(jì)，極大降低了系統(tǒng)的功耗，檢測(cè)儀電池的使用壽命達(dá)到10 年以上。該檢測(cè)儀采用三軸MEMS 加速度傳感器，采集X、Y、Z三個(gè)方向的加速度和角速度數(shù)據(jù)，提高了舞動(dòng)數(shù)據(jù)的采集計(jì)算精度。搭建舞動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)舞動(dòng)檢測(cè)儀的可行性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)精度達(dá)到國(guó)家電網(wǎng)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的架空輸電線路在線監(jiān)測(cè)要求。采用加密芯片，保障了舞動(dòng)檢測(cè)儀采集數(shù)據(jù)的安全性。該舞動(dòng)檢測(cè)儀經(jīng)過(guò)浙江舟山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，證明其采集數(shù)據(jù)精度高，舞動(dòng)現(xiàn)象檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、提高了輸電線路運(yùn)行管理的效率和智能化水平。