高速公路供電線路斷路監測報警系統方案設計探討

曹德林

(遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015)

1 背景及意義

高速公路沿線供電線路鋪設完成后，總會遇到一些始料未及的麻煩，比如復雜的地理環境、自然作用力的破壞、人為因素等等，在這種情況下供電電纜損壞將會造成很大的麻煩，雖然高速公路沿線配備柴油發電機以備應急需求，如果故障點不及時了解，備用發電機難以支撐整個路段機電系統運行，此種現象在山區隧道地區尤為明顯，長時間斷電將直接造成不必要的經濟損失及安全隱患，所以及時地檢測出故障點，并將故障信息及時發布出來是供電線路斷路后的首要任務，只有經歷了這個環節維修人員才能根據故障信息作出判斷，進而到達現場進行搶修工作，可見供電線路斷路監測報警在整個維修過程中意義是何其的重要。

2 目前監測技術手段

斷路監測報警功能的實現需要解決兩個問題，第一是傳感器檢測故障信號，其二是故障信息報警。其中現有的斷路檢測方法有很多，最為典型的是通過檢測外加交流信號對電纜狀態的識別，還有通過測量電纜的對地電容來實施監測，當然也不乏通過對電纜電流的測量來判斷供電線路的具體情況；與檢測環節不同，故障報警主要依賴比較成熟的有線通信技術。

2.1 斷路檢測方法

通過外加交流信號對電纜狀態的識別這種方法主要依據的是交流信號在電纜里傳輸可返回交流信號，如果電纜出現斷路故障，所加的外部信號就沒法實時返回來，通過這一點可以檢測電纜是否斷路，進一步通過測長電路可以得出電纜的斷路位置，該過程應用單片機就可以實現，如果用于檢測電壓不高的電纜，比如電話線，還有一定的實用價值，如果檢測的是強電，在初始接口端就要對信號做一下處理，因為單片機不可能直接與電纜進行物理上的連接。往往由于線路鋪設過長，期間又有變壓器的存在，所加信號衰減會很快，無法實現檢測功能，而且會影響到后續遠程監測，整體監控的可靠性不能得到保障。由于上述問題的存在，這項技術目前還沒有廣泛地應用到強電監測領域，未來還需要很長的路要走。

2.2 報警技術

這里面提到的斷路報警其實是一門遠程監控技術，現代遠程監控技術大都是建立在通信基礎上發展而來的，其中發展較早較為成熟的當屬有線通信技術，例如利用有線電話網作為信息傳輸的媒介，但是在構建供電線路的同時，格外架設一條通信線路，將會增加成本，其實用性因此也大打折扣，由于增加了通信線路，本身的斷路問題也要檢測，無形中給系統增加了任務；值得一提的是有線通信在電力領域并未因此遭到拋棄，架設通信線路費用高，那就將電力線作為信息傳輸的媒介，也就是電力線載波技術，雖然這個構思很巧妙，但是由于該項技術起步比較晚，現階段發展還不成熟，并且由于配電變壓器對信號有阻隔作用，只能在一個變壓器區域內進行信號的傳輸，不利于跨變壓器傳輸，而且當電力線負荷很重，線路阻抗下降到1歐姆以下，會對信號造成高消減，不利于遠距離傳輸，綜合以上缺點，該項技術在遠程監控領域的推廣還需要更多的路要走。

3 總體方案設計

針對以往檢測及報警環節出現的諸多缺點，致力于提高系統整體的穩定性、可靠性、安全性、可行性、經濟性，研究優化出了一套斷路監測報警系統，檢測環節采用對電壓信號的獲取識別來判斷供電線路是否出現斷路，因為電壓信號可以被直接測量，而且用戶即使沒有負載也不影響對整個線路的判斷，如果傳感器封裝得比較好的話，整個檢測過程基本不受外在因素影響，也沒有復雜的計算公式以及昂貴的設備，符合設計要求；報警部分采用無線數字移動通信技術，可以避免物理通信線路的架接，而且現階段數字移動通信系統發展比較成熟，其相關產品成本較低，通信覆蓋范圍可達很遠，在很大程度上可以滿足遠程通信功能。為了更好實現設計的要求，通過對PC機、單片機和GSM通信模塊可開發研制出一套電纜斷路監測系統[1]。

系統的總體設計如圖1所示。系統主體硬件分為兩大部分，PC上位機和遠程監控終端。PC上位機部分位于監測中心，主要作用是接收和分析遠程監控終端回傳的故障信息，進而得出故障點，通知工作人員及時趕赴故障現場，第一時間將故障排除。遠程監控終端負責電纜斷路信號的檢測以及報警短信的發送，其供電主要由電纜間接提供，如果電纜因故障及其他原因斷電，采用可充電鋰電池為其提供電源。

整個系統功能的實現大致如下：將安放在電纜上的遠程監控終端依次地編上序號，具體做法如圖1，為了方便，圖中給出了兩個終端，實際設計的時候終端會有很多，在安放的時候根據實際需要以及地理環境等因素設計兩個終端之間的距離，第一個遠程監控終端最好安放在距離供電方較近的位置，方便后續故障位置的判斷。當1號和2號之間發生斷路故障，2號及以后的終端都將發送報警短信給PC上位機，經過PC機的判斷可以確定故障位置在1號和2號之間，其他位置的判斷和這種方法一樣，如果整條線路上的終端都發送報警短信給PC上位機，則可以確定是整條線路停電，如果沒有任何一個終端發送報警短信，則這個供電線路是完整的，根據這種方法就可以實現供電線路斷路監測報警功能[2]。

圖1 系統總體設計

3.1 遠程監控終端設計

遠程監控終端的功能主要可以概括為兩大部分,分別是傳感器檢測電壓信號、單片機控制GSM發送報警信息[1]，這兩部分通過硬件接口相互配合，共同完成檢測報警的功能，保障了PC上位機進一步的工作。

3.1.1傳感器采集電壓信號

由于工業用電大都在220V以上，對電纜電壓信號的獲取可以采用變壓器來實現，并將獲取到的交流電壓信號整流濾波得到一個直流電壓信號，通過電阻進一步地輸入到光耦，在輸出端得到一個數字電壓信號，接入后續單片機就可以完成信號采集的工作。實際應用中，將需要監控的區域劃分成若干段，每一段的距離可以是固定長度，只要是方便人員檢測就可以，每個節點用上述整套設備檢測電壓信號。

3.1.2單片機控制通信模塊發送報警短信

通信部分是遠程監控終端的關鍵部分，數據采集部分將電壓信號采集，送與單片機I/O端口[3]，單片機檢測到這個電壓信號(可以是1也可以是0)與通信模塊建立AT指令連接，模塊將寫好的報警短信送給上位機部分。這個過程的實現需要單片機與通信模塊建立起硬件上的連接，單片機與通訊模塊應用鋰電池供電即可，鋰電池的設計可在線充電，電纜有電時，可以將電纜的電壓變壓整流進而供給單片機、通信模塊和鋰電池，電纜掉電時，鋰電池可以直接供電，保障系統安全地運行。

單片機作為重要環節之一，擔負著前端重要的工作，包括數據采集、信息處理、與GSM模塊間通信[1]，不難看出單片機是遠程監控終端的心臟，是整個系統的動力樞紐，該系統預留了單片機的一些其他的接口，方便日后的產品升級，功能多樣化。該處的單片機選型為總線型，一旦總體框架確定，單片機更換只能是總線型[3]。

3.2 PC上位機設計(監測中心部分)

作為信息的最后匯聚地，上位機部分擔負著極其重要的角色，不僅需要接收遠程監控終端傳來的故障信息，還需要對信息進行處理分析得出故障點，并進一步發出故障信號，通知相關人員維修故障點，這一切對上位機和通信模塊的可靠性要求很高。上位機的工作流程大致可以概括為處于前端的設備將報警信號回送給上位機的通信模塊，這個報警短信包括遠程監控終端所在編號、SIM卡號及地址信息等，PC機通過USB接口將短信采集并根據編號、卡號、地址等信息分析得出故障點[2]。

4 結束語

高速公路供電線路斷路監測報警系統方案設計綜合運用了傳感器技術、無線通信技術、單片機技術、PC機編程技術，整個系統設計力求簡潔，目的在于解決高速公路沿線供電監控問題，配合管養單位及時解決斷電突發情況，最大限度內爭取搶修時間，為高速公路健康運營提供保障。