基于STM32的輸電線路狀態監測系統的研究

摘 要：輸電線路是電力系統的重要組成部分，對其狀態的監測一直是智能電網發展的核心。目前電網中輸電線路的運維工作主要依賴人工巡檢的方式進行，成本高，工作量大，伴隨著一定的危險性。因此，設計了一款基于STM32的狀態監測系統，通過多種傳感器實現對線路弧垂角度和輸電線路接點溫度的實時監測，并通過LoRa傳輸技術將數據傳輸至主控制器進行處理并與設定的閾值比較，若所測數據超出閾值范圍，觸發蜂鳴器報警的同時將報警信息發送至移動端，最后通過顯示模塊對數據進行直觀顯示，從而實現狀態監測和報警功能。該系統成本低，功耗低，體積小，操作方便，對提升電力系統安全性和可靠性具有重要的意義。

關鍵詞：STM32；狀態監測；數字式溫度傳感器；弧垂角度；LoRa；SX1278

中圖分類號：TP23；TM92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）12-00-04

0 引 言

隨著我國工業的快速發展，人們的生活質量不斷提升，對電能的需求也在日益增加[1]。目前，我國供電人口已超11億人，電網覆蓋面積達到國土面積的88%，電網的安全運行直接關系到現代工業和人們生活的穩定[2]。高壓輸電線路大多數為長距離的架空線路，易受環境影響從而發生故障。因此，為了有效預防輸電線路故障的發生，本文設計了一款基于STM32單片機[3]的輸電線路狀態監測系統。該系統將傳感器與單片機相結合，能夠對線路的弧垂角度和線路接點溫度等參數進行采集，并對采集的數據進行分析。一旦檢測到數據異常，系統立即觸發蜂鳴器報警，同時LED燈閃爍，并將這些實時數據上傳到移動端[4]。如此，我們可以及時掌握輸電線路的狀態，對輸電線路故障做到早發現、早處理。相較于其他系統，該系統智能化程度高，操作便捷，監測準確，功能全面且實用性強，顯著提升了輸電線路運維的工作效率。

1 系統整體設計及其設計原理

1.1 系統硬件設計

輸電線路狀態監測系統主要包括主控制器模塊、傳感器模塊、電源模塊[5]、通信模塊和顯示模塊。主控制器模塊作為監測系統的核心，直接決定著輸電線路狀態監測的可靠性，對于整個系統而言具有極其重要的地位；傳感器模塊主要負責數據的采集工作，并將采集到的模擬信號轉換成數字信號傳輸至單片機中，再通過軟件對信號進行后續的處理與計算，當所采集的數據超出設定的閾值范圍時，系統觸發蜂鳴器報警，同時LED燈閃爍；電源模塊負責為整個系統供電；通信模塊負責數據傳輸，確保監測信息的即時性；顯示模塊可以實時顯示線路各項參數，使用戶可以迅速、直觀地了解線路的實時狀態。系統總體設計框架如圖1所示。

1.2 主控制器設計

本系統主控制器選用了由ARM（Advanced RISC Machines）公司出品的STM32F103單片機。該單片機搭載了高性能的Cortex-M3內核，不僅功能齊全，而且價格低廉，具備低功耗、易開發等優點。同時該單片機還具有以下特點：擁有64 KB的程序存儲器；工作電壓為2～3.6 V；有卓越的環境適應能力，能夠在-40～85 ℃的極端溫度環境下穩定工作；具備出色的中斷能力，其37個通用I/O口可連接到16個外部中斷線；最高工作頻率可以達到72 MHz，能夠保證它擁有較快的中斷響應速度。該單片機集成度較高，其外設、引腳和軟件均可兼容，其最小系統電路如圖2所示。

1.3 溫度監測模塊設計

在輸電線路的長期運行過程中，線路溫度的監測常被忽略。為了確保對輸電線路接點溫度的準確測量，本系統采用DS18B20數字式溫度傳感器[6]。該傳感器憑借其低成本、技術成熟、抗干擾能力強等優點，適用于大多數場合。

DS18B20的工作電壓范圍為3～5 V，可設置9～12位的分辨率，可測定的溫度范圍為-55～125 ℃，測溫精度為±1.2 ℃。其在絕大部分的工作場合中都能夠有不錯的表現。此外，DS18B20與主控制器之間的通信可以通過一條數據線完成，無需其他器件幫助，結構簡單，操作簡便。DS18B20溫度傳感器電路如圖3所示。

1.4 導線弧垂監測模塊設計

本系統采用高精度雙軸傾角傳感器[7]SCA100T，它測量范圍廣，測量精度高，體積小，具有完善的外部接口功能。SCA100T傳感器的測量原理為牛頓第二定律，即加速度與受力成正比。當傳感器水平放置時它只受重力作用[8]，而受力和傾角有關，當傾角發生變化時，此時所受的合力隨之發生變化。通過結合實測傾角和預設的線路模型，進行理論推導，可以建立傾角與線路弧垂之間的數學關系，進而獲取弧垂數據。這種方法在工程設計中極具實用價值。SCA100T傳感器不僅具有很高的分辨率，而且受環境溫度影響較小。得益于其高阻尼的設計，該傳感器可以承受20 kg的沖擊，因此可以很好地適應各種外部環境。SCA100T傾角傳感器電路如圖4所示。

在傳感器進行信號采集過程中，濾波和模數轉換是關鍵步驟。濾波部分采用MAX280芯片，這是一款5階、零直流誤差、全極點實現的低通濾波器。MAX280芯片的基本電路如圖5所示。通過它的原理圖可以看出，傾角傳感器SCA100T輸出的信號，經過MAX280進行濾波處理，產生信噪比高的信號，隨后信號被輸送給A/D轉換電路，進行模數轉換。整個過程中，將SCA100T傾角傳感器所采集的傾角信息通過輸出接口被輸送到濾波芯片MAX280中。

得到的信號還需要進行模數轉換。選用ADS1114芯片進行模數轉換，該芯片是一款16位的A/D轉換器，經過MAX280濾波后的信號被輸送至ADS1114芯片，以獲得傾角傳感器的數據。ADS1114芯片電路如圖6所示。

1.5 電源模塊設計

因為監測系統需在戶外長時間工作，因此需要選擇一個可以長時間穩定供電的電源模塊。本文的電源模塊選用太陽能供電和蓄電池供電相結合的復合供電方案。此方案旨在解決惡劣天氣條件下太陽能供電不足的問題，同時通過太陽能的輔助供電，可以有效延長蓄電池的使用壽命，此外，該方案還具備成本低、效益高的優點。太陽能板穩壓輸出電路如圖7所示。

蓄電池采用TP4056模塊，模塊內部有降壓開關電源轉換器，可以穩定輸出2 A電流，該模塊還具有保護功能，當輸出電壓大于5 V時，將會關閉充電模式，以延長蓄電池的使用壽命。蓄電池模塊電路如圖8所示。

1.6 通信模塊設計

本系統采用LoRa無線傳輸技術[9]，同時配備了AS32型號的通信模塊。該模塊內置SX1278射頻芯片，該芯片工作電壓為3.3～5 V，不僅功耗低，成本低廉，還能夠實現超過15 km的長距離數據傳輸。AS32模塊提供了4種工作模式：一般模式、省電模式、喚醒模式以及信號強度模式，以滿足不同場景下的應用需求。此外，該模塊在-40～85 ℃的溫度環境下均能穩定工作，展現了出色的環境適應性，且其運營成本較低。在數據傳輸方面，LoRa通信模塊通過B11和B15引腳與主控制器進行數據傳輸，B8與B9引腳負責控制模塊的工作模式切換。通信模塊電路如圖9所示。

1.7 顯示模塊設計

本文采用OLED顯示屏[10]，它能夠直觀地顯示線路接點溫度和線路弧垂角度，使操作人員可以及時了解線路狀態。該顯示屏具備高亮度和高分辨率的特點，同時功耗較低，很適配該狀態監測系統。顯示模塊電路如圖10所示。

2 系統軟件設計

輸電線路狀態監測系統的軟件部分主要實現以下核心功能：首先進行數據采集、處理和分析，并將處理結果傳輸至系統主控制器，進行輸電線路運行狀態的判斷，一旦檢測到線路異常，系統將會立即向工作人員發送報警信息，同時線路也會進行報警。通過模塊化設計，該系統可以實現對輸電線路的實時狀態監測，旨在提前預防，及時處理，有效避免大規模電力系統故障的發生。

在系統軟件開始監測前，先進行初始化操作，工作人員根據每段輸電線路的具體運行狀態設定各參數的閾值，然后將設好的各參數閾值逐一導入數據庫中。隨后，主控制器控制各采集模塊進行信息采集，這些信息通過LoRa傳輸模塊傳至主控制器。通過顯示模塊，工作人員可以實時查看線路溫度、弧垂角度等參數。主控制器對這些數據進行計算、處理和判定：若采集到的數據超過設定的閾值時，系統將會觸發報警，并將報警信息通過通信模塊傳輸至移動端；若數據在設定的閾值范圍內，系統不會觸發報警，而是繼續進行下一次的數據采集和判定，如此往復，以實現對線路狀態的實時監測。

在系統運行過程中，各子系統互不干擾。通過移動端，工作人員可以實時掌握線路的狀況。系統的程序流程如圖11所示。

3 結果分析

為了測試該系統的準確性，進行模擬仿真測試。測試選用了LGJ70/10型號導線，它的外徑為11.4 mm，重量較輕，為275.20 kg/km。設懸掛間距為120 m，導線兩端懸掛點的高度差為4 m，該路線模型實際最大弧垂距離為5 m。我們可以通過采集線路的懸掛傾角信息，并利用傾角信息與最大弧垂距離之間的關系，計算出最大弧垂距離，同時直接對線路重要接點的溫度進行測量。我們通過系統的運算處理，得出一段時間的歷史數據。導線溫度、最大弧垂距離歷史數據折線圖如圖12所示。導線溫度、最大弧垂距離等歷史數據見表1。從圖12中可以觀察到，在測試時間段內，線路的弧垂狀況并未發生較大變化，同時輸電線路的重要接點溫度雖有小幅變化，但均保持在正常的變化范圍內。這些數據為我們直觀地展示了輸電線路狀態的變化情況。

4 結 語

該系統所測得的數據經過計算后，準確率在97%～99%范圍內，所有誤差均在允許的測量范圍內，符合實際測量需求，具有極高的可靠性。同時，該系統能夠實時顯示輸電線路重要接點的溫度信息。

本文提出了一種基于STM32單片機的輸電線路狀態監測系統，該系統能夠有效監測線路的弧垂變化以及線路重要接點的溫度狀況。通過精心設計的硬件和軟件架構，以STM32單片機為核心處理器，結合溫度傳感器和弧垂傳感器等模塊，實現信息的有效采集，并將數據實時傳輸到上位機進行顯示。該系統能夠實現對線路弧垂角度和線路重要接點溫度的有效監測，為輸電線路狀態監測提供了一種全新的思路和方法。

注：本文通訊作者為劉為國。

參考文獻

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作者簡介：韓 俊（1994—），男，碩士，研究方向為電氣工程。