高压线塔塔基稳定性监测系统的设计

2014-12-07王奇武周凤星严保康

电子技术应用 2014年3期

王奇武，周凤星,严保康

(武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心，湖北武汉 430081)

高压线塔是电力部门输电线路的重要组成部分。由于我国地质条件的复杂性，受地形与线路的制约，部分输电塔不可避免地要建立在陡峭的山体自然边坡区域。与此同时，由于杆塔本身受到的风、雪、覆冰等破坏作用，导致塔基周围地质长期受雨水浸泡对高压线塔塔基的稳定性造成了极大的威胁。目前我国除了青藏线等高海拔地区的部分线路之外，其他多数电力线路均未进行塔基的稳定性监测。而仅依靠常规的人工巡检，既消耗了大量的人力成本，又无法保证及时准确地掌握野外偏远山区输电塔的塔基失稳情况。因此，迫切需要建立远程无人值守的高压线塔塔基稳定性无线监测系统，以预防和减少事故的发生，提高电力系统的安全性。本文针对多个建立在山体自然边坡的高压塔,通过GPRS无线网络对塔基边坡的稳定性进行全方位的实时无线监测[1]，并将岩土形变数据及时快速上报至监控中心，为电力部门进行安全维护决策以及建立后续的塔基稳定性专家预报系统提供依据。

1 监测系统总体架构

监测系统主要由现场监测终端和远程监控中心的上位机服务器组成。现场监测终端主要包括倾斜传感器、主控制板、GPRS数据传输模块、供电系统4部分。考虑到输电塔边坡崩滑速度较慢、对测量精度要求较高等特点，本文采用国内外较为通用的钻孔倾斜法来实现对岩土的多层次实时监测。将多个倾斜传感器埋入不同深度的岩土中，当岩土产生形变时，传感器能够将轴线与铅垂线之间的夹角变量通过RS-485总线传送给架设在高压线塔上及以MSP430单片机为核心的主控制板上，控制板收到信息后加以简单处理，并通过GPRS无线网络发送给监测中心的上位机服务器。由于野外供电不便以及电气隔离安全要求的限制，整套系统采用太阳能电池板与大容量蓄电池组成的供电系统提供电源。上位机监测系统基于Web网络技术，采用B/S与C/S相结合的体系结构，实现对监测数据管理和预警[2]。系统的总体工作流程如图1所示。

图1 GPRS系统工作流程图

2 系统硬件设计

本文所设计的无线监测系统以MSP430G2553微处理器为核心,将RS-485通信技术与GPRS无线通信技术相结合[3]，利用倾斜度传感器实现对岩土体深度形变的持续测量与定位。系统硬件结构框图如图2所示。

图2 系统硬件结构框图

为了提高测量精度，系统选用高精度硅微式倾斜度传感器，该传感器基于先进的MEMS制造技术，具有抗干扰能力强、灵敏度高、温漂极小等特点，测量范围为±15°，分辨率可达0.001°。5路传感器作为从机，通过RS-485串行通信接口与数据采集模块组建简单高效的通信网络,通过带隔离的增强型RS-485收发器ADM2483芯片连接到作为主机的单片机UART串口上,逻辑端采用3.3 V供电，总线端采用DC-DC电源模块B0505为其提供5 V的隔离电源。ADM2483基于先进的iCoupler磁隔离技术，省去了外部影响转换效率的光隔离器件，且具有热关断和失效保护功能，可以实现真正可靠的半双工通信。硬件电路如图3所示。

图3 带隔离的485通信电路原理图

单片机模块采用TI公司最新推出的超低功耗、高性能的16位MSP430G2系列单片机MSP430G2553,该单片机具有16位精简指令集架构和62.5 ns指令周期时间，可以在不到1μs的时间里从待机模式超快速地唤醒。MSP430G2553工作在1.8 V～3.6 V的低电压范围，且具有5种低功耗运行模式，超低功耗的工作特性极大提高了光伏供电系统在阴雨天气的续航能力。单片机作为前端监测系统的控制核心，主要作用是控制系统实现对数据的采集与处理、存储和上传等功能。MSP430G2553片上的USCI_A模块能够实现UART功能,支持双缓冲接收/发送和自动波特率监测,通过USCI模块内置的2个调制器UCBRSx和UCBRFx,采用BITCLK16进行RX采样，能够得到非常精准的波特率，单片机利用这个串口通过AT指令控制GPRS模块完成数据传输过程。此外，由于5路传感器需要通过UART串口和单片机之间组建RS-485通信网络，这里利用定时器Timer_A模块的比较捕获功能模拟出一个软件UART，利用捕获功能捕捉管脚起始位的变化，并借助比较器不断将CCRx的设定值与与定时器的计数值相比较，当两者相等时即产生中断，获得精确的时间间隔。对CCRx寄存器中定时间隔做相应的设置可以得到误差极小的通信波特率，灵活地完成串口扩展。

为了满足监测设备对数据采集时间点的精确记录要求，系统添加了内置晶振和锂电池的高精度串行时钟芯片SD2405，该芯片内置高精度时钟调整功能，无需人工校时，可以在恶劣的环境下长期可靠地工作。同时，在数据存储方面,系统采用4片串行E2PROM芯片AT24C512提供2 MB的数据存储空间,用于循环存储60天的监测参数，并永久保存GPRS模块的设定参数。AT24C512采用两线制的I2C串行接口，相比于并行操作的E2PROM更能适应电力现场的强干扰环境。

GPRS数据传输部分选用西门子公司生产的工业级双频模块MC52i，由于模块内部内嵌有TCP/IP协议栈，单片机可以直接使用AT指令集控制模块,将串口上的原始数据转换成TCP/IP数据包进行传送[4]。MC52i模块正常工作时需要的供电电压输入范围是3.3 V～4.8 V，当模块以最大功率发射时，供电电流的峰值能达到2 A。为了避免由此造成的电压跌落导致模块出现重启等异常状况[5]，模块电源输入端采用开关稳压芯片LM2576-ADJ作为电源芯片,并在输出电压端口并联多个470μF的大电容。LM2576-ADJ是一款可调节输出型开关稳压芯片，该芯片性能稳定,输出电流驱动能力强，最大输出电流可达3 A,具有较强的抵抗电压跌落的能力[6]。

3 提高系统可靠性的措施

由于本系统主要工作在长期无人维护的工业环境，因此确保系统的稳定性尤为重要。系统在设计时采取了多种措施以提高硬件设备对外部干扰的防护能力，并在软件设计中通过多种自检机制应对各方面可能出现的问题。

在电路设计与布局上，一方面采取多种防护措施对其进行保护,包括采用ESD芯片来提高系统的静电防护能力,并针对雷击与浪涌电压在关键电路添加TVS二极管等;另一方面，在对器件布局和走线时，尽量缩短敏感回路的走线长度，并对其作铺地处理，确保GPRS模块和其他敏感元器件工作稳定。

可能影响系统正常工作的因素有：长时间无数据传输导致模块自动下线、GPRS网络受恶劣天气的不良影响、高压线塔现场的电磁干扰、阴雨天气造成的太阳能供电设备输出电压波动等[7]。这里主要采用心跳包和状态自检与自恢复两种机制来提高系统的可靠性。

GPRS模块通过GGSN连接Internet网络，当模块一段时间不进行数据传输时，GGSN会断开模块的网络连接,从而节省信道资源。为了避免网络中断，系统设定每隔2 min向监测中心服务器发送一小段心跳信息，以保证模块的长期在线。针对可能造成GPRS链路断开的外部干扰,系统设计了网络连接状态自检机制，即定期向远程监控中心发送检测信息，若重复几次仍未收到应答信号，则判断设备已掉线并立即通过AT指令重启模块并重新建立连接。此外，采用MSP430单片机内部自带的看门狗以及MAX813外部硬件看门狗两级看门狗机制来解决系统死机、假在线等问题，一旦单片机没有正常接收GPRS模块返回的信息,立即控制GPRS模块的RESET引脚重启模块并恢复连接[8]。

4 系统软件设计

系统的软件设计主要包括两部分，一部分基于Keil软件平台的单片机控制程序编写，用于控制监测设备完成数据的采集和发送；另一部分为基于Python编程语言的上位机监测系统，利用Web网络技术和数据库技术，建立基于Web网络的监测管理系统，实现数据的表单访问和图形化显示。

4.1 单片机控制程序

单片机程序主要采用C语言编写，作为数据采集与传送设备的控制核心，单片机软件设计主要包括系统初始化、与传感器之间的485通信、数据的采集与处理、电池电量管理、时钟芯片控制、GPRS数据传输控制等。本文主要介绍与GPRS模块相关的程序设计,该部分程序实现的主要功能包括GPRS模块的初始化操作和GPRS数据业务的操作。

MSP430单片机通过串口发送AT指令控制GPRS模块的各项操作，模块开机初始化之后，与监测中心建立链路连接并按设定格式传送GPRS数据包。模块每执行一条指令，均会向单片机返回一小段返回值，包括响应信息和结果码，以表明当前执行情况，单片机根据返回信息来控制模块的工作进程。程序流程图如图4所示。

图4 GPRS程序流程图

4.2 上位机监测系统

上位机监测系统采用Python语言开发，Python是一种纯面向对象的程序设计语言，具有高度的扩展性和较高的开发效率。上位机监测系统利用Apache服务器、XBOP应用服务器和Postgre SQL数据库,主要实现三部分的功能:(1)基于TCP/IP协议的数据接收;(2)通过网页对塔基倾斜数据的实时监控;(3)提供表单形式的历史监测数据查询，为监控人员分析塔基边坡岩土运动规律提供方便。监测界面如图5所示。

经过实际运行，基于GPRS的塔基稳定性监测系统能够较好地实现对高压线塔塔基边坡的实时监测，极大降低了人工巡视的人力成本，提高了监测和管理效率。随着我国智能电网建设的不断发展，输电线路的稳定性监测系统已经成为电力部门提升输电线路精益化管理水平的重要技术手段。同时，以倾斜度传感器为基础的监测预警系统在工业或民用建筑的变形、倾斜等其他方面也有较好的应用前景。

[1]李辉,苑臣芒,马晓鑫.基于 AVR MCU与GSM/GPRS的航标灯监控系统的设计[J].电子技术应用，2012,38(6):97-99.