基于光纖供能的架空輸電線路氣象監測系統設計

李程啟，劉景龍，張圍圍，李 娜，張 帆

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

架空輸電線路是電力系統的重要組成部分之一，其正常運行是整個電網穩定運行的基礎。架空輸電線路大多經過叢林、峽谷、高山等人不方便涉足的復雜環境，同時戶外架空線路在運行中容易受風、雨、冰、溫度等多種自然因素的影響［1-3］，大量的研究也表明氣象對架空輸電線路性能有較大影響［4-5］，因此有必要對架空輸電線路周圍小范圍的氣象信息進行采集及分析，保障電網安全可靠運行［6-8］。當前的氣象在線監測系統多使用電池、自取能、電力輸電等方法為監測節點供能［9-10］，存在后期維護成本高、供能受限于環境影響、受電磁干擾等不足，使用無線通信技術將傳感監測節點的信息進行回傳，存在著傳輸可靠性差、傳輸距離短、抗干擾性差等不足［11-15］。架空輸電線路一般都鋪設有光纜，光纖通信具有傳輸距離遠、傳輸速度快、損耗低、抗干擾能力強等特點，而隨著光纖通信技術的日益發展和成熟，使用光纖作為媒介來傳輸能量逐漸為人們所注意，并且日漸顯露其優勢。在光纖傳能系統中源端的激光器輸出光能，經傳能光纖傳輸后，至遠端進行光電轉換，并為各用電器件供電。

當前比較成熟且大規模使用的架空輸電線路氣象監測系統多采用太陽能電池板從自然界取能配合蓄電池為監測系統供能，使用全球移動通信系統（Global System for Mobile Communication，GSM）、通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）、窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）等嚴重依賴運營商基站信號覆蓋的無線通信方式將系統監測信息回傳回變電站或監控中心。由于該方案使用蓄電池作為存儲介質，蓄電池的充放電循環使用壽命較短，因此該方案在供能上存在后期更換電池、維護成本高等問題。同時該方案無法將監測裝置安裝在運營商基站信號覆蓋之外的場景，一般這種場景多為深山、峽谷等人跡罕至之地，但這些場景相對監測意義重大。除此之外，該方案通信距離受運營商基站影響較大，如NB-IoT 在郊區使用通信距離可達10 km左右，在市區只有3 km左右。

提出一種以光纖作為能量與信息傳輸載體的架空輸電線路氣象監測系統，本系統適用于叢林、峽谷、高山等人不方便涉足的復雜場景，不受運營商基站信號覆蓋影響，可進行10 km 遠距離光纖供能及通信，可有效解決架空輸電線路監測節點供能困難及傳感信息傳輸不可靠不穩定的問題，降低了電力系統施工安裝難度及運維難度，節約了系統監測成本。也為后續在微氣象區域開展覆冰、大風觀測，獲取長期實測資料，為擬建線路設計和已建線路運維提供基礎數據［7-8］。

1 系統設計

1.1 總體系統方案設計

系統整體方案如圖1 所示，變電站中包含激光器、光通信單元、監測主機三大部分，桿塔上安放的傳感器節點包含光電池、能量管理單元、氣象傳感器、微控制器（Microcontroller Unit，MCU）、光通信單元五大部分，激光器從變電站中發射出1 550 nm 激光經過現有已鋪設好的光纖復合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）電力光纜中的一根閑置單模光纖將光能量傳輸到安裝在桿塔上的監測節點中的光電池上，光電池將光能量進行光電轉換為電能量輸出給能量管理單元，能量管理單元對電能量進行存儲轉化供應給氣象傳感器、MCU、光通信單元，MCU 將采集到的氣象傳感器傳感信息經過光通信模塊通過OPGW 電力光纜中的另一根閑置單模光纖將1 310 nm 光信息回傳給變電站中的光通信單元，進而傳遞給監測主機進行分析處理顯示。其中，電力光纜直接采用電網公司已鋪設好的OPGW 光纜，光纖使用OPGW 光纜中閑置的單模光纖，大大降低監測系統安裝復雜度，節約施工成本，便于快速安裝及后期維護。

圖1 系統整體設計方案

如果需要在距離較長的輸電線路安裝多個監測裝置，需要采用圖2 所示的方案，使用分光器對光能量進行分配，由于激光遠距離傳輸存在損耗，所以距離變電站較近的桿塔分配的光能量相對變電站較遠的桿塔分配的光能量百分比更小，按照不同百分比分配激光能量給每一個監測裝置，從而保證多個監測裝置都能正常供能。

圖2 多監測裝置方案

2 系統硬件設計

架空線路氣象監測系統包括多個硬件組成單元，以下重點介紹能量管理單元電路、微處理器及外圍接口電路、氣象傳感器檢測電路、光通信單元電路等核心單元。

2.1 能量管理單元電路

在本系統中，所有的能量供應均由光纖完成。光纖傳能原理是電光轉換、光功率傳輸以及光電轉換3部分。通過激光器發射一定功率密度的激光，將激光注入光纖中進行遠距離傳輸，經光纖耦合輸出后打到光電池表面，使光能轉換為電能輸出，并供給傳感器系統工作。

變電站中的激光能量通過光纖傳輸到桿塔上的氣象監測終端，激光能量被銦鎵砷（InGaAs）光電池轉換為電能輸出，其原理為半導體材料的光生伏特效應，具體為光照使不均勻半導體或均勻半導體PN結中電子和空穴在空間分開而產生電位差。當照射的光子能量大于帶隙能量的時候就會產生光生伏特效應。光電池可以當作一個電流源，光照度的大小影響了輸出電流的大小。

能量管理單元主要由低壓差線性穩壓器（Low Dropout Regulator，LDO）、升壓型DC/DC 變換器、存儲介質3 部分組成，結構如圖3 所示。小規模的儲能技術只有電化學儲能（電池）和超級電容器儲能。電池包含鋰電池及蓄電池，電池的優點是能量密度高，使得負載在斷電后能持續工作數小時至數十小時，但功率密度較小，難以滿足具有瞬時功率特性的監測設備，且壽命有限，需要定期維護。因此考慮到電化學儲能器件的循環壽命次數和微能量存儲的特殊性，本系統擬采用電容器進行儲能。電容器儲存電能能量，若平均功率為100 mW 的負載工作10 s，其能量為1 J，輸出電壓一般為5 V，需要電容量達到約為0.08 F，傳統電容器遠達不到計算的電容量要求，因此本系統采用超級電容器作為存儲介質，超級電容屬于雙電層電容器，超級電容的容量比通常的電容器大得多，同時自身損耗和漏電流也較大。超級電容的充放電電路簡單，可快速充放電，且具有瞬時大功率特性，功率密度高，其與光電池并聯，存儲介質接LDO 輸入端，LDO 對光電池及存儲介質輸出的能量進行降壓處理，輸出+3.3V 電壓為后續微處理器、光通信單元、氣象傳感器中的溫濕度、氣壓、光強傳感器供電；存儲介質接DC/DC 變換器輸入端，DC/DC 變換器輸出+5 V 電壓為氣象傳感器中的風速、風向傳感器供電。

圖3 能量管理單元結構

能量存儲管理單元采用BQ25505芯片來管理充放電。BQ25505 是全新智能化的能量采集以及超低功耗管理芯片，專門設計用于高效地獲取并管理從諸如光伏或熱電發生器（Thermoelectric generator，TEG）等多種不同直流源產生的微瓦至毫瓦級的電能。作為一款效率較高的DC/DC 升壓充電器，BQ25505 特別滿足超低功耗應用的特殊需求。該芯片功耗超低，靜態電流僅為325 nA，能夠在輸入電壓低至330 mV 時冷啟動，并且一旦啟動，即使在輸入電壓低至100 mV 時仍能繼續采集能量。由于一節光電池的輸出電壓是低于3 V的，而本系統所需要的供電電壓至少為5 V，所以還需要做一個升壓操作。

升壓電路中，所使用的IC 為SX1308。SX1308 是一款常用的貼片升壓IC，采用SOT23-6封裝，其輸入電壓范圍為2～24 V，輸出電壓最高可達28 V，輸出電流最大為2 A。該升壓IC 的內部振蕩頻率可達1.2 MHz，并且帶有過流、過熱保護電路。

LDO 部分采用TPS70933 芯片進行設計，TPS709系列線性穩壓器是設計用于功耗敏感類應用的超低靜態電流器件。一個精密帶隙和誤差放大器在溫度范圍內的精度為2%。只有1 μA 的靜態電流使得此器件成為由電池供電、要求非常小閑置狀態功率耗散的常開系統的理想解決方案。為了增加安全性，該器件還具有熱關斷、電流限制和反向電流保護功能。關斷模式通過將EN 引腳拉為低電平進行使能，該模式的關斷電流低至150 nA（典型值）。

因此，上述電壓變換芯片的選型均滿足本套系統所需要的超低功耗、高轉化效率、高精度應用的需求。

2.2 微處理器及外圍接口電路

系統采用MSP430G2553 單片機作為微處理器，MSP430G2553 是一款具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器，具有外圍電路設計簡單、低功耗、體積小等優點。微處理器的外圍電路如圖4 所示，包含有復位電路、串口電路、仿真電路。單片機供電電壓為3.3V，通過復位按鍵實現復位操作，通過仿真接口進行程序下載及仿真調試。晶振采用單片機內部晶振，為了降低系統功耗，時鐘主頻設置為1 MHz。該單片機有直插式及貼片式封裝，為了縮小電路板結構設計空間，故采用貼片式單片機。

圖4 微處理器及外圍接口電路

2.3 氣象傳感器檢測電路

氣象傳感器包括溫度、濕度、氣壓、風速、風向等幾種不同類型的傳感器，其中單片機通過I2C 通信協議采集溫度、濕度、氣壓傳感器監測數據，風速、風向傳感器數據采用內部A/D轉換接口進行采集。

溫濕度傳感器采用SHTC3 芯片制作，SHTC3是一款低功耗溫濕度傳感器，該器件比前代產品具有更寬電源電壓范圍（1.62～3.6 V）和更高精度（±2%RH、±0.2 °C），實現了更大的靈活性。該器件專門針對消費類電子設備行業，在小巧的外形（2 mm×2 mm×0.75 mm）和高魯棒性之間達到了最佳平衡并易于處理，同時極具性價比吸引力，通信方式是I2C，可以檢測-40～125 ℃的溫度范圍和0～100%RH的濕度范圍。

氣壓傳感器采用MS5611-01BA03-50 芯片制作，MS5611-01BA03-50 是一種高分辨率數字壓力傳感器，具有超低功耗特性，MS5611-01BA 是由壓阻傳感器和傳感器接口組成的集成電路，主要功能是把測得未得補償模擬氣壓值經模擬/數字信號轉換成24位的數字值輸出，同時也可以輸出一個24位的數字溫度值，高度測量最大分辨率10 cm，MS5611-01BA 支持SPI和I2C 通信，可以通過上拉PS引腳（Protocol Select）選擇I2C 協議，下拉則選擇SPI協議，MS5611-01BA 的I2C 地址為111011Cx，其中C為CSB 引腳的補碼值（取反）。因為傳感器內并沒有微控制器，所有I2C的命令和SPI是相同的。

風杯式風速傳感器內部為一只固定的干簧管和隨風杯旋轉的磁鐵，測量儀器按照干簧管每分鐘吸合的次數來計算風速，風向傳感器內部是一個360°的滑線電阻器，旋轉臂就固定在隨風向轉動的風擺上。不同的風向對應不同的電阻值，測量電阻就可以知道風向。因此，風速風向傳感器采用+5 V供電模擬電壓輸出型風杯式傳感器，目前常見的風速風向傳感器供電電壓多采用+12 V 供電串口型，其功耗遠超+5 V供電的風速風向傳感器，不符合本系統需求。

本系統通過使用MSP430G2553單片機自帶的模擬/數字信號轉換功能采集風速風向輸出電壓值，通過計算轉換為風速風向值，為了保證MSP430G2553單片機精準讀取數據，使用MSP430G2553 單片機內部的參考電壓通道作為風速風向模擬/數字信號轉換的參考電壓，其不會受到外界供電源波動的影響，相比于將外部供電源作為參考電壓，采集精度更高。MSP430G2553單片機供電系統采用+3.3 V供電，風速風向傳感器采用+5 V供電，因此采用分壓電阻法對兩者進行電壓匹配。氣象傳感器檢測電路如圖5所示。

圖5 氣象傳感器檢測電路硬件設計

2.4 光通信單元電路

本系統采用光纖通信的方式進行信息傳輸，位于桿塔上的發射端與位于變電站中的接收端均使用一種能雙纖工作的光收發一體的模塊，該模塊的發射部分的工作原理是將輸入數據轉換成TTL 電平，經過激光調制器調制后，驅動半導體激光器發射出攜帶數據信息的調制光信號，為了使激光器驅動穩定，驅動部分一般還具有溫度補償電路及自動功率控制（Automatic Power Control，APC）電路。接收部分的工作原理是將接收到的光信號通過光電探測器轉換為電信號，隨后經過前置放大器進行信號放大處理，再通過低通濾波器及限幅放大器，最終輸出TTL電平信號。此外，接收部分還具備對光信號有無的檢測能力，當接收光路有光信號輸入時，將由指示管腳輸出高電平，當接收光路無光信號輸入時，將由指示管腳輸出低電平。

光通信單元電路選用3.3 V 供電的TTL 型電光/光電轉換光模塊，本系統需要使用光纖供能轉換后存儲的電能進行供電，因為光纖供能的能量較微弱，因此需要盡可能降低通信模塊的功耗來盡可能多的為存儲介質儲能，故該模塊滿足本系統需求。該光模塊傳輸速率低，上限速率可選，最高可達2 Mbit/s，適用于2 Mbit/s 以下的電力控制和工業控制的RS232、RS485 型光電轉換設備，本系統所采集的各類氣象信息所占用的數據量均小于2 個字節，因此滿足本系統的信息傳輸速率帶寬要求。發射器件工作波長可分別選用1 310 nm 法布里-珀羅（Fabry-perot，FP）和1 550 nm FP 激光器，滿足光在光纖中遠距離傳輸的要求，能保證桿塔到變電站兩者之間遠距離傳感信息穩定傳輸。

其接口電路如圖6 所示。單片機串口與光通信單元的TXD 及RXD 連接，外接3.3 V 供電，傳輸距離最遠可達20 km，采用單模雙纖FC插拔式接口。

圖6 光通信單元電路

使用1 km 電力光纜進行測試，發送端和接收端均使用USB 轉TTL 串口助手進行模擬桿塔上的節點往變電站中監測主機發送數據，桿塔上節點發送2.3；123；1013.1；23.1；45，變電站接收到2.3；123；1013.1；23.1；45，未出現丟包，包內數據表示風速2.3 m/s，風向123°，氣壓1 013.1 hPa，溫度23.1 ℃，濕度45%RH。測試結果如圖7所示。

圖7 光通信單元電路測試圖

3 系統軟件設計

IAR Systems是全球領先的嵌入式系統開發工具和服務的供應商。提供的產品和服務涉及嵌入式系統的設計、開發和測試的每一個階段，包括帶有C/C++編譯器和調試器的集成開發環境、實時操作系統和中間件、開發套件、硬件仿真器以及狀態機建模工具。本系統軟件系統依托IAR For MSP430軟件，采用C 語言進行編程，通過仿真接口進行下載和調試。主要程序流程如圖8 所示。由圖8 可知，監測系統首先進行系統初始化，隨后MCU 檢測超級電容兩端供電電壓是否滿足正常工作需求，如果滿足，MCU對氣象傳感器進行數據采集并通過光通信模塊進行信息回傳，回傳完成后結束本次工作任務，系統進入低功耗狀態，此后周期性喚醒循環監測；如果不滿足，整體系統進入休眠模式，間隔一定時間檢測供電是否滿足需求。本系統通過在軟件中選擇Simulator 進行一些邏輯及一般運算程序調試，通過邏輯分析儀觀察I2C 接口型傳感器的傳輸特性。使用仿真器進行硬件仿真可以進行實物單步現象調試，觀察每一步與流程圖功能是否對應，進而做出相應的改動調整。

圖8 監測系統軟件設計流程

4 系統測試

選取某110 kV架空輸電線路對該系統進行安裝調試，輸電線路桿塔上安裝兩套裝置，每套裝置所采集的傳感信息為溫濕度、氣壓、風速、風向，所采用的OPGW光纜單纖雙向平均衰減系數（1 550 nm/1 310 nm）分別為0.21 dB/km 及0.35 dB/km，其中變電站距離桿塔1 的距離為1 km，距離桿塔2 為9 km，兩套裝置分別安裝在兩根桿塔上，實驗條件如表1 所示，測試結果如表2 所示。從表2 可以得出，架空輸電線路氣象監測系統可以通過電力光纜穩定供能，并周期性采集回傳傳感數據。

表1 試驗條件

表2 系統測試結果統計表

本方案與常規在線氣象監測方案相比，每個監測裝置無須辦理運營商的流量卡套餐，由于使用超級電容作為本系統的存儲介質，超級電容的充放電循環次數可達50 萬次，而常規在線氣象監測方案所使用的蓄電池多為鋰電池，一般不超過1 000 次，鋰電池的價格遠遠高于超級電容的價格，常規的在線氣象監測方案一般壽命在2～3年，本方案按照10 min回傳一次數據，預計裝置可用9 年，大大節約后期裝置維護成本。

5 結語

提出一種基于光纖供能技術的架空輸電線路氣象監測系統，通過電網公司已鋪設好的OPGW 電力復合光纜中的一根單模光纖為氣象監測節點供能，并通過另一根單模光纖將傳感器信息回傳分析，從供能及通信兩個方面對整個系統進行驗證，實驗結果表明系統設計方便實用，可靠性強，能長時間穩定工作，數據傳輸安全可靠，為光纖傳能技術在電力系統中的應用提供了參考，氣象傳感信息的獲取分析也為后續覆冰、大風觀測等監測提供數據支撐。