基于光纖傳能技術的輸電線路監測終端研制

劉洪亮,辛曉虎,歐干新,王建慧,李若寒

(國網天津市電力公司薊州供電分公司,天津 301900)

0 引言

隨著“智慧輸電線路”的建設推進,輸電鐵塔上將新增大量的無線監測裝備,比如鐵塔微氣象、鐵塔傾斜監測、線路通道視頻監拍等裝置[1-2]。從現場應用來看,監測裝備供電多采用自然能的方式,例如太陽能電池板、蓄電池、微型風機等[3]。在實際應用中,太陽能和微型風機的供電方式存在供能不穩定、體積大、成本高的問題,蓄電池則存在壽命短的問題[4]。供能不穩定一定程度上已經成為輸電線路在線監測技術的發展瓶頸。

在輸電線路體上安裝感應線圈或電流互感器可實現在線穩定的取能,然而由于輸電線路一次導線和輸電鐵塔間的巨大電勢差,導線上通過電流互感器抽取的電能難以傳輸至輸電鐵塔側[4 5]。光纖傳能技術是利用功率光纖傳輸光能量。功率光纖具有電絕緣、抗電磁干擾的特點,可解決高壓輸電線路上巨大電勢差和復雜的電磁環境下,電能傳輸的問題[6-8]。

本文基于光纖傳能技術和光電能量轉換技術,提出在復合絕緣子芯柱內構建功率光纖通道,從線路本體抽取電能后,驅動高壓側的固體激光器產生的高功率激光,耦合至傳能光纖傳輸至鐵塔側,然后采用光電能量轉換器(PPC光電池),將激光轉換為電能。實現從輸電線路本體取能,并傳遞至鐵塔側,為安裝在鐵塔上的微氣象、鐵塔傾斜監測、視頻監拍等監控模塊供電。

本文基于上述供能方式,研制了輸電線路監測系統,可實現高壓輸電線路鐵塔傾斜監測、鐵塔微氣象監測和視頻監拍功能。

1 裝置工作原理

1.1 系統設計

為解決輸電線路復雜電磁環境下,弱電設備工作穩定性問題,本文提出將功率光纖與復合絕緣子進行結構融合,功率光纖布置在復合絕緣子芯柱內,與絕緣子芯柱同步生產一次成型,確保絕緣子的機械和絕緣性能和傳能光纖的穩定性,將本系統中的弱電設備,如單片機芯片、固體激光器等元器件布置在復合絕緣子兩側的均壓環內,由均壓環形成電磁屏蔽效應,確保弱電系統在復雜電磁環境下的穩定性,設計結構如圖1所示。

圖1 基于光纖傳能的線路監測終端結構

基于光纖傳能技術的線路監測終端,由供電模塊、監測模塊、控制信息模塊3個組成[910]。其解決了現有設備監測功能單一、供電可靠性低、智能化程度低、信號傳輸不穩定等問題。實現了鐵塔上的傾斜監測、微氣象監測和視頻監拍功能的一體化布置和采集傳輸系統的統一。

1.2 供電模塊

供電模塊由取能電流互感器、整流穩壓模塊、固體激光器、傳能光纖、光電能量轉換器(PPC光電池)、MPPT充電管理模塊、鋰電池等構成,實現從輸電線路本體取能,并通過內置于復合絕緣子芯柱內的光纖傳遞至鐵塔側。

通過安裝在高壓線路本體上的開口電流互感器,從線路上獲得穩定的交流電能,進行整流穩壓后輸出穩定直流,驅動安裝在復合絕緣子線路側均壓環內的固體激光器,將電能轉化為激光光能,激光光能經過傳能光纖傳輸至鐵塔側,再通過安裝在低壓側均壓環內的光電能量轉換器(PPC光電池),將光能轉化為電能,由MPPT充電管理模塊始終跟蹤光電池最大輸出功率點,進行儲能,并為鐵塔側的傳感和控制模塊供電[11-12]。

1.3 監測模塊

監測模塊主要是安裝在鐵塔側的溫濕度、氣壓風速等微氣象監測模塊、鐵塔傾斜監測模塊以及視頻監拍模塊,上述監測模塊通過I2C、UART數字接口與均壓環內的STM32單片機進行控制信號和數據信息的傳遞。監測模塊部分可根據輸電線路場景需求進行定制和擴展。

1.4 控制信息模塊

控制信息模塊是由STM32單片機及單片機外圍電路、4G通信模塊,光電信息轉換模塊等部分組成,控制信息模塊可向監測模塊下發指令、采集匯總監測模塊數據,并對監測數據進行初步分析、篩選、加密等操作。進而降低數據傳輸帶寬,減輕海量數據上傳物聯網云系統后的系統負擔,同時保護隱私數據,降低終端敏感數據隱私泄露的風險。

2 裝置整體設計

2.1 裝置硬件設計

綜合考慮性能、體積、能耗等指標,本文以STM32微處理器為控制核心,設計了監測終端。終端主要包括STM32微處理器(芯片為STM32F103C8T6)及其外圍電路,4G DTU發送電路(Core-Air724);LD825-A激 光 器、LPC-6P光電能量轉換器、62.5 um傳能光纖(武漢凹偉能源科技公司),LD壓控恒流模塊,MPPT充電管理模塊、鋰電池;光電信息收發一體模塊,鐵塔傾斜監測模塊(ADXL345)、鐵塔微氣象、視頻監拍,以及整流、穩壓模塊等附屬電路元器件[6]。

STM32F103C8T6的供電電壓為2.0~3.6 V,最高工作頻率可達72 MHz,I/O端口可以配置成輸出(推挽或開漏)、輸入或復用的外設功能端口,自帶3個USART端口、2個IIC端口,完全滿足該改造裝置的通信接口及計算能力需求。STM32的外圍電路包括電源電路、復位電路、以石英晶振為核心的時鐘回路、CH340G下載回路。

Core-Air724是基于上海合宙Air724通信模組開發的4G通信核心板,供電電壓5~16 V,支持TTL UART通信,支持TCP/UDP/MQTT/阿里云/時采集等功能,實現透傳功能。

LD825-A激 光 器、LPC-6P光電能量轉換器(PPC光電池)、62.5 um傳能光纖三部分組成了激光供能系統,由武漢凹偉能源科技公司研制,該系統電能傳輸效率可達到55%,最大傳輸功率接近1.5 W。系統結構如圖2所示。

圖2 激光供能系統實物

LD825-A固體激光器輸出激光中心波長在905 nm附近,光譜寬度4.0 nm。最大工作電流3 A,輸出光功率最大可達2.8 W。

PPC光電池可將輸入的特定波長的激光能量轉換成電能提供給負載使用,從而實現高電壓、強電磁干擾等環境下,非電接觸式的供電。本文采用的LPC-6P光電池對900~980 nm波長敏感,最大輸入光功率5 W,開路電壓6.65 V,轉換效率大約為50%,且其耦合的光纖為62.5/115 μm的多模光纖。因此,所采用光纖為多模光纖,內徑為62.5/115μm,NA為0.28。

LD壓控恒流模塊為深圳艾克思科技公司研制的固體激光器驅動電源,可實現在6~33 V直流電壓下,輸出0~5 A的恒定電流,支持電壓控制和TTL觸發,工作效率約90%。本文將LD壓控恒流模塊輸出電流控制在1.5 A,并設置了緩啟動電路如圖3所示,避免啟動時的浪涌擊穿固體激光器[6]。

圖3 緩啟動電路

MPPT充電管理模塊以CN3791芯片為核心,匹配輸入電壓6 V,輸出充電電壓4.2 V,最大充電電流1 A,其能夠跟蹤光電池的最大功率點,確保在光強度發生變化時,光電池始終輸出最大功率。

單模單纖光收發一體模塊為低速通信的工業控制光電信息轉換模塊,可實現串口信息透傳。供電電壓5 V,工作波長1 310 nmFP和1 550 nm FP,兼容TTL、CMOS電平,可實現輸電線路本體和輸電鐵塔之間的通信。

取能電流互感器為開口式電流互感器,采用傳統的導線電流互感器取能方式,在導線本體電流200 A時,最大取能功率可達100 W[4]。

所用蓄電池為額定電壓3.7 V,充電電壓為4.2 V鋰電池。

桿塔傾斜傳感器采用三軸加速度傳感器ADXL345,ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計,分辨率高(13位),測量范圍達±16 g。數字輸出數據為16位二進制補碼格式,可通過SPI或I2C數字接口訪問,可輸出TTL檢測電平和或者模擬信號輸出。通過測量靜態重力加速度實現鐵塔傾斜監測。

桿塔微氣象模塊由溫濕度傳感器、風速傳感器、風向傳感器、雨量傳感器組成,通過UART TTL串口與單片機通信。

視頻監拍裝置,工作功率＜2 W,像素數≥800萬像素,可通過定時啟動的方式節約電量。

裝置整體結構如圖4所示。

2.2 裝置程序設計

輸電線路智能監測終端包含的各監測傳感器信息通過STM32微處理器進行信號處理、加密、編碼后,由4G DTU模塊以AT編碼方式通過公網發送至互聯網云端服務器,由云端服務器進行數據處理和進一步分析、展示,實現各類監測信息的匯總和統一監測。

STM32微處理器的程序主要采用Keil5軟件編寫,主要程序包括系統時鐘、串行接口的初始化,傳感器模塊初始化設置、DTU模塊初始化設置,輪詢傳感器模塊數據、數據處理、數據加密的定義,供電信息監測子程序、光電信息轉換模塊通信子程序、數據處理子程序、DTU模塊控制子程序等構成,如圖5所示。

圖4 輸電線路智能監測終端結構

圖5 STM32程序流程示意

3 現場測試

因本項目未制作澆筑一體成型的復合光纖絕緣子,僅利用3D打印技術制作了復合光纖絕緣子模型,及相關傳感器配件,如圖6所示,因此對裝置功能進行了實驗室和現場驗證。

圖6 輸電線路監控終端

在試驗室內利用電流發生器輸出100 A交流電流,模擬輸電線路一次導體,并從中獲取電能,為裝置整體供能。

電流互感器在線取能技術已經較為成熟[4-5],市場上同類產品也較多,且輸出功率較本系統“電-光-電”能量轉換部分大很多。因此本項目選取輸出直流電壓為12 V的取能電流互感器。并通過控制壓控恒流源的電壓,調整固體激光器驅動電流,獲得不同參數下本系統的工作狀態。通過測量取能電流互感器輸出功率,和MPPT充電管理模塊的輸入功率,評估本系統整體取能效率,試驗時環境溫度25℃,并默認MPPT充電管理模塊工作始終處于在最大取能功率狀態,測試結果見表1所示。

表1 供電系統現場測試結果

通過現場測量,從取能電流互感器到整流穩壓,在經過“電-光-電”的能量轉換,最后存儲到鋰電池中,本取能系統整體工作效率在25%左右。采用單一模塊,可向外輸出0.45 W的穩定功率,采用鋰電池儲能后,瞬時輸出功率可超過5 W,供低壓側STM32單片機和監控模塊等部分供電,如采用多路光纖并用,或者較大功率光電能量傳輸系統,供電能力和輸出功率可成倍提升。

將該裝置放置于室外現場,通過PC機檢測到鐵塔傾斜及微氣象信息如表2。

表2 某35 kV線路鐵塔測量數據

在現場進行功能性驗證顯示,本裝置終端PC機接收數據與現場測量數據基本一致,裝置編譯、傳輸正確率100%。

4 結論

本文研制了基于光纖傳能技術的輸電線路監測終端,以電流互感器取能方式從線路本體取能后,通過復合絕緣子內構建的光纖通道,以“電-光-電”的方式將能量和信息從輸電線路傳輸至鐵塔上,在鐵塔端以STM32處理器為核心搭建了監測終端,實現線路覆冰舞動、鐵塔微氣象、鐵塔傾斜監測、視頻監拍等實時監控功能。在“智慧輸電線路”的建設推進中,提出的監測終端可依據不同輸電線路場景進行模塊化功能擴展,提出的供電方式為“智慧輸電線路”建設中的供能問題提供了一種新的解決方案。