基于ZigBee技术的输电线路风荷载响应在线监测设计

杨兴 裴慧坤 张有佳

摘  要： 输电线路风荷载是影响安全运行的重要因素，而在线监测系统是应对风灾害较好的方法之一。文中从风偏机理、风偏闪络的发生条件、风偏角典型计算方法等方面分析了输电线路风偏故障。提出一种基于ZigBee技术的输电线路风荷载在线监测系统，并介绍了系统的组成和相应功能。通过该系统采集的现场数据与风偏角典型计算方法得到的结果有较好的吻合。目前，该系统直接应用于贵州电网公司六盘水输电线路试验基地，可以有效地指导输电线路风荷载的运行维护管理。

关键词： 输电线路; 风荷载; ZigBee技术; 在线监测技术; 风偏故障分析; 风偏角计算

中图分类号： TN99?34; TM726.3                     文献标识码： A                   文章编号： 1004?373X（2019）15?0181?06

Design of wind load response on?line monitoringsystem based on

ZigBee technology for electric transmission line

YANG Xing1， PEI Huikun 1， ZHANG Youjia2

（1. Shenzhen Power Supply Bureau， Shenzhen 518000， China;

2. School of Civil Engineering and Architecture， Northeast Electric Power University， Jilin 132012， China）

Abstract： The wind load on electric transmission line is an important factor that seriously affects safe operation. The on?line monitoring system is one of the better methods to deal with wind disaster.  The wind yaw faults  of transmission lines are analyzed in the aspects of wind deflection mechanism， occurrence conditions of wind deflector flashover， and typical calculation methods of wind deflection angle. An on?line wind load monitoring system based on ZigBee technology is presented. The composition and corresponding functions of the system are introduced. The field data collected by the system can tally well with the data got by the typical calculation method of wind deflection angle. At present， this system has been directly applied to transmission line maintenance management dealing with wind loads.

Keywords： transmission line; wind load; ZigBee technology; online monitoring technology; windage yaw fault analysis; wind deflection angle calculation

0  引  言

近年来，因强风暴雨天气引起的输电线路风偏闪络事故显著增加，使电网安全及稳定运行面临巨大挑战。在输电线路中出现的风偏闪络事故往往会引发导线电弧烧伤、断股、断线及跳闸等故障，其后果不仅造成电能损失，而且由于在连续流动风影响下，线路发生风偏闪络故障后一般正常重合闸成功的机率较小，导致输电线路无法正常运行，风偏闪络事故常发生在大风、雷电和降雨气象条件下，同时给故障的排查增加了一定难度。因此，在大风工况气象条件下，对输电线路实时风偏情况进行监测特别重要[1?3]。

目前，国外研究者风偏计算集中于导线与建筑物或其他物体间、绝缘子串与杆塔间最小空气间隙计算，就绝缘子串而言，风偏方面研究为数不多[2，4?7]。国内科研机构如西南电力设计研究院，曾借助ABAQUS有限元软件模拟计算了悬垂绝缘子串受动风荷载作用后的风偏，吉林省电力勘测设计院曾做了关于绝缘子串的风洞试验，得到564组有关数据，为合理设计输电线路提供了借鉴。而现有输电线路在线监测风偏装置，把角度传感器安装在绝缘子串上，进而测量出风偏量大小，但是在此过程中并没有联系风偏计算模型进行计算[8?9]。当处于最下边绝缘子的偏移量很大时，绝缘子串不在杆塔附近（即风偏闪络现象没有发生）就会引起误报，无法准确预警，更无法为输电线路风偏设计、风偏校验、优化风偏事故防范措施给予依据和数据参考。

综上，虽然国内外学者对输电线路的风偏现象做了不同程度的研究，但是大多只针对风偏事故进行了简单分析，不够系统和深入。因此，输电线路风荷载响应在线监测设计的目的是设计一种基于ZigBee协议的高压架空输电线路在线监测系统，其在风偏计算公式的基础上准确计算得到风偏角，然后通过风偏角计算绝缘子串相应的偏移量，并且将其与采集角度传感器获取的实际数据进行分析对比，进一步校正风偏量，使得风偏预警信息更为准确。同时，通过微气象传感器采集微气象数据资料，实时掌控输电线路运行的整体情况，为输电线路设计、稳定运行及准确预警提供有效帮助。

1  风偏机理分析

因输电线路中导线通过绝缘子串连接在杆塔上，绝缘子串在风力影响下会产生不同程度的摆动，即一定程度上发生了角度偏移，缩小了输电线路导线及杆塔间空气间隙，当此间隙减小到某一值时，相应的电强度将无法承受系统工作电压的最大值。此时，会导致放电击穿现象的发生。一般直线塔风偏跳闸发生的概率高于耐张塔。当直线塔左右两侧档的长度增加时，悬垂绝缘子串更容易发生偏斜。这种偏斜由于会减小输电线路导线及悬垂线夹、防震锤、均压屏蔽环等金具带电部分与杆塔接地部分（包括杆塔脚钉、塔身、横担等）间的绝缘间隙，增加了风偏闪络故障发生的可能性。因此，有必要考虑在线路改线过程中连接在直线塔上的悬垂绝缘子串的风向偏移，避免由于过度风偏造成的线路事故。

通过对不同地区输电线路的风偏跳闸分析，可知線路风偏的产生和发展过程是非常复杂的。当线路发生风偏放电时，该地区往往有强风飑线天气出现，其为导线风偏输入了巨大能量。这种强风受到局部强对流的影响，发生在涵盖几平方千米到十几平方千米不等的区域，最大风速能达30 m/s之上，维持时间数十分钟以上，其超过了线路重合闸装置动作整定时间，致使放电间隙距离依然较小，无法成功重合闸;同时，当重合闸装置启动时，系统会产生一定的幅度过电压，导致气隙的二次放电，此时，空气间隙较大时会发生放电，因此，线路发生风偏闪络时成功重合闸难度较大。此外，这种强风发生时还伴有雷雨和冰雹，一方面，由于强风，导线偏移靠近塔身方向，缩短了二者间空气放电间隙;另一方面，由于降雨和冰雹的作用，使导线与杆塔之间的气隙放电电压降低，综合以上因素，导致增加了输电线路风偏闪络发生概率[10?11]。

2  风偏角典型计算方法

受风偏作用影响，导线和绝缘子串偏离杆塔一定角度，称为风偏角[φ]，风偏状态下绝缘子串和导线受力如图1所示。

图1   风偏后绝缘子串和导线受力图

进行风偏角计算时建立以下假设条件：

1） 将导线和绝缘子串当作刚体处理，也就是说，它不会在风荷载作用下弯曲或变形;

2） 绝缘子风压和导线受到的力被认为是均匀的静力;

3） 发生风偏后，绝缘子和导线均处于静力平衡状态。

根据力矩平衡原理，有：

式中：[Pd]为一档内导线上受到的风荷载，单位为N;[Pj]为作用在绝缘子串上的风荷载，单位为N;[Gd]为一档内导线的重力，单位为N;[Gj]为悬挂在导线上绝缘子串重力，单位为N。

式中：[α]为风压不均匀系数，一般取0.61;[βc]为电线调整风载系数，在计算500 kV杆塔负载时考虑这个系数;[μsd]为电线风荷载形状系数，线径[d<]17 mm或线上覆有冰时，值为1.2，线径[d≥]17 mm且线上无覆冰时，其值为1.1;[μz]为风压高度的变化系数;[ωo]为基本风压，单位为kN/m2;[v]为最大平均风速，单位为m/s;[d]为电线半径或覆冰状态下的平均半径，单位为m;[Lh]为水平档距，单位为m;[θ]为风向和电线间夹角;[μsj]为绝缘子串风荷载形状系数，一般取值1.0;[n1]为绝缘子串的联数;[n2]为一联绝缘子串的片数，加“1”表示金具受风时，面积与1片绝缘子相同;[Aj]为一片绝缘子受风时面积大小，单位为m2，绝缘子（单裙）受风[Aj]=0.03 m2，绝缘子（双裙）受风[Aj]=0.04 m2;[n]为每相导线包含子导线的数量;[Lh]为垂直档距，单位为m;[Q1]为单位长度上的线重，当覆盖冰时，应加上对应电线覆盖冰的重量[12?13]，单位为N。

3  监测系统总体组成

3.1  系统总体设计方案

输电线路风荷载响应在线监测系统组成部分包括：基于ZigBee技术的传感器系统、数据传输系统、数据管理与分析系统以及电源管理系统，彼此之间通过无线网络节点进行连接，进而实现输电线路风荷载响应特征量的采集、传输及分析处理功能。系统总体设计如图2所示。

图2  系统总体设计图

图2中，微气象传感器安装于杆塔上，主要负责实时监测和收集输电线周边的环境信息和天气状况条件[5]，如温湿度、风速风向、大气压力等;倾角传感器安装在绝缘子串上，负责传送风偏角信息，其通过无线通信ZigBee方式实现与ZigBee协调器节点连接。上述数据经监测主机处理、存储、信息打包后，通过数据传输系统GPRS网络和Internet网络被发送到数据分析系统，即监控终端，监控终端后台工作专家软件对各传感器系统进行信息接收及反馈工作，并且根据风偏量公式的计算，最后得到绝缘子串风偏角及绝缘子串偏移距离（绝缘子串顶端与最低绝缘子间水平距离），同时，通过安装在绝缘子串上的风偏角传感器采集得到的风偏角数据来计算风偏量，对风偏量进行计算，通过将这两个结果分析对比，对风偏能否发生做出精确判断，并且实现全天候实时监测，以便及时发现运行中输电线路异常情况并采取应对措施，避免风偏跳闸等事故发生。

3.2  系统硬件设计

该系统硬件结构主要由风偏量数据采集模块、微气象各数据采集模块、微处理器模块、数据传输与能量供应模块等组成，系统硬件结构如图3所示。

图3  系统硬件结构框图

由于实际需要，本系统监测主机在输电线路杆塔上安装，用于完成对各种微气象数据的采集，一方面，监测主机持久运行所需能量供应是个亟需解决的问题;另一方面，监测主机运算速度需与实时监测处理的大量数据相匹配。基于以上要求，本文微处理器采用市场上集处理能力强、运算时速快、功耗超低等优良性能于一体的16位单片机MSP430。MSP430在时钟设计中是最为独特的，包括基本时钟系统、锁频环时钟系统及数字振荡器时钟系统。具体应用中使用一个或者两个晶体振荡器（32.768 kHz）DT?26或DT?38由实际情况决定。CPU及各种功能所需的时钟由系统时钟产生。通过指令操作，这些时钟经打开、关闭来控制总体功耗。并且MSP430正常工作运行时，电源电压为1.8～3.6 V，当其于1 MHz 频率时钟条件下运行时，在待机模式下，当前最小芯片电流达到165 μA，在RAM模式（闭合模式）下，电流损耗为0.5 μA，最低功耗仅有0.1 μA，大大减少了系统电能的整体损失，节省了能源。同时，MSP430单片机实现了25 MHz晶体驱动下40 ns的指令周期。16位数据宽度，40 ns指令周期和多功能硬件乘法器（可实现乘法和加法运算）可以相互配合，其中一些可以处理数字信号的算法（如FFT等）提高了大量数据的处理能力。该微处理器性能上可以应用编程（IAP）及系统编程（ISP），它可以通过网络或串口轻松升级程序[14]。

本系统风偏量数据采集模块选用倾角传感器，通过双屏蔽电缆连接到微处理器。传感器节点选择使用基于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee的一种TI公司生产的SoC片上解决方案——CC2530芯片，当网络节点建立时，成本非常低。CC2530捕获了领先的收发器的高级特性，使用8051 CPU的行业标准，并且具有如系统内可编程的闪存等强大功能特性。同时，CC2530能够在不同模式下运行，使得它更适合在系统具有超低功耗的要求时工作。基于此芯片，设计出ZigBee无线模块。本系统采用太阳能加蓄电池供电方式进行能量供应。

GPRS数据传输单元主要负责ZigBee协调器节点与监测终端间的通信，并在信息传输中起到一定作用。对于ZigBee节点发送的命令和数据主要通过串口由GPRS数据传输单元接收。与此同时，监控终端发出的命令也通过串口传输到ZigBee协调器节点;对于监测终端，GPRS数据传输单元主要采用GPRS无线传输方式向监测终端上传ZigBee网络及监测主机采集到的所有传感器数据、风偏量状态等，同时，它负责将监控终端发送的各种命令转发到ZigBee网络。

SIM900B被选用于GPRS数据传输过程中主控单元，它的硬件电路主要分为三部分，即SIM上电自启动电路、SIM900B主控制器电路和SIM电路，图4为其电路硬件原理图。

SIM上电自启动电路用于保证上电后SIM可以正常启动并投入工作，SIM900B主控制器电路用于控制并转换GPRS信息，SIM电路用于SIM电话卡固定与通信[15]。

1） 器件进行选型时，尽可能选择具备强抗干扰能力、低噪声、功耗低性能的元器件。

2） 电路板进行设计时，尽量使电源线和地线变粗，并使两条线//据传输方向，有关联的元器件在布局时尽量放在一起，尽量缩短引线，为了增加接地线的导电面积，减少由于接地而引入的电路的共同阻抗，利用接地线网覆盖铜等。

3） 系统中所有的外围接口和重要电平和芯片引脚都配备保护方法，如TVS，ESD和限流电路。A/D采样采用全隔离8通道方案。

4） 电源控制系统在电源负责外围电路供电后采用金升阳隔离电平。主控芯片采用低压MOSFET合成触发器：一方面通过实现对隔离电源的控制，进而控制后端;另一方面实现核心电路与外围电路间隔离，可靠隔离电压达2 500 kV。

4  系统应用数据对比

本系统于2017年10月应用在贵州电网公司六盘水输电线路试验基地。现场采用太阳能电池板和锂电池供电，系统于2017年冬天穩定监测和传输数据。现场风偏角、风速、风向、温湿度、大气压传感器经ZigBee通信模块传回的现场监测数据如图5～图10所示。

图5  实测风速数据图

图6  实测风向数据图

图7  实测绝缘子风偏角数据图

图8  实测温度数据图

表1是数据采集得出的风偏位移角与风偏角典型公式求得的结果对比值，两者相差值不足15%，可以看出经过采集计算得到的位移角具有一定的精度。

图9  实测相对湿度数据图

图10  实测大气压数据图

表1  计算值与采集值对比

5  结  论

本文设计的基于ZigBee技术风荷载响应在线监测系统可以准确地采集、传输和分析数据。具有较高的可靠性，并且应用于贵州地区，为日后的风荷载灾害预警提供了新的手段。在线监测采集的绝缘子风偏角与风偏角典型计算公式结果相差不超过15%，说明数据采集准确性较高。系统软硬件的合理设计以及系统设计的抗干扰方法，可以有效地提高整体系统的稳定性和可靠性。

参考文献

[1] 王锦文.强风作用下输电线塔结构塑性疲劳破坏机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.

WANG  Jinwen. Study on plastic fatigue failure mechanism of  transmission tower structure under strong wind [D]. Wuhan： Wuhan University of Technology， 2008.

[2] 龙立宏，胡毅，李景禄，等.输电线路风偏放电的影响因素研究[J].高电压技术，2006，32（4）：19?21.

LONG Lihong， HU Yi， LI Jinglu， et al. Study on the influen?cing factors of  wind discharge in transmission lines [J]. High voltage technology， 2006， 32（4）： 19?21.

[3] 孙保强，侯镭，孟晓波，等.不同风速下导线风偏动力响应分析[J].高电压技术，2010，36（11）：2808?2813.

SUN Baoqiang， HOU  Lei， MENG Xiaobo， et al. Analysis of  wind?bias dynamic response of  wire under different wind speeds [J]. High voltage technology， 2010， 36（11）： 2808?2813.

[4] CHEN J Q， WANG W. Analytical study on wind?induced vibration of  ice coating transmission line systems [J]. Advanced materials research， 2011， 383/390： 3657?3662.

[5] HUANG M F， LOU WenJuan， YANG Lun， et al. Experimental and computational simulation for wind effects on the Zhoushan transmission towers [J]. Structure & infrastructure engineering， 2012， 8（8）： 781?799.

[6] SHENG Z Y， XIA C， XU W P， et al. Analytical study on wind?induced vibration and its control of transmission towers in mountainous area [J]. Applied mechanics & materials， 2012（6）： 635?639.

[7] YANG Y， XIE G， XU X， et al. A monitoring system design in transmission Lines based on Wireless Sensor Networks [J]. Energy procedia， 2011， 12： 192?199.

[8] 张禹芳.我国500 kV输电线路风偏闪络分析[J].电网技术，2005，29（7）：65?67.

ZHANG Yufang. Analysis of  wind?bias flashover on 500 kV transmission lines in China [J]. Power grid technology， 2005， 29（7）： 65?67.

[9] 李虎，邹建明.在线监测技术在电网中的应用[J].高电压技术，2007，33（6）：56?58.

LI Hu， ZOU Jianming. Application of online monitoring technology in power grid [J]. High voltage technology， 2007， 33（6）： 56?58.

[10] 胡毅.输电线路运行故障的分析与防治[J].高电压技术，2007，33（3）：1?8.

HU Yi. Analysis and prevention of operation failure of  transmission lines [J]. High voltage technology， 2007， 33（3）： 1?8.

[11] 黄新波，罗兵， 刘存孝，等.采用ZigBee芯片的无线加速度传感器网络节点的实现[J].高电压技术，2010，36（8）：1962?1969.

HUANG Xinbo， LUO Bing， LIU Cunxiao， et al. Implementation of wireless acceleration sensor network nodes using ZigBee chip [J]. High voltage technology， 2010， 36（8）： 1962?1969.

[12] 严波，林雪松，罗伟，等.绝缘子串风偏角风荷载调整系数的研究[J].工程力学，2010， 27（1）：221?227.

YAN Bo，LIN Xuesong， Luo Wei， et al. Research on wind?inertial load adjustment coefficient of insulator string [J]. Engineering mechanics， 2010， 27（1）： 221?227.

[13] 邵瑰玮，耿翠英，胡毅.国内外输电线路风偏设计参数比较与分析[J].高电压技术，2009，35（12）：3106?3110.

SHAO Guiwei， GENG Cuiying， HU Yi. Comparison and ana?lysis of  wind bias design parameters for transmission lines at home and abroad [J]. High voltage technology， 2009， 35（12）： 3106?3110.

[14] 黄新波，陶保震，赵隆，等.采用无线信号传输的输电线路导线风偏在线监测系统设计[J].高电压技术，2011，37（10）：2350?2355.

HUANG Xinbo， TAO Baozhen， Zhao Long， et al. Wind?bias online monitoring system design of transmission lines using wireless signal transmission [J]. High voltage technology， 2011， 37（10）： 2350?2355.

[15] 周林，孟婧，徐会亮，等.GPRS在电力系统中的应用现状与展望[J].电力建设，2008，29（3）：8?13.

ZHOU Lin， MENG Jing， XU Huiliang， et al. Application status and prospect of GPRS in power system [J]. Power construction， 2008， 29（3）： 8?13.