输电线路状态监视通信网络及工作电源设计

庞帅 潘潇

摘要：本文主要阐述输电线路的状态监视通信网络及工作电源的设计，采用GPRS、ZigBee数据技术设计在线网络监视系统，来保证输电线路供电的可靠性与稳定性。选择太阳能电池板作为应用的线路监视分机电源，充分实现了供电电源的高效率与低能耗，为线路监视分机电源提供了可靠保障。

关键词：在线监视  网络监视  工作电源  太阳能电池  控制器

Design of Transmission Line Condition Monitoring Communication Network and Working Power Supply

PANG Shuai  PAN Xiao

（State Grid Huainan Panji District Power Supply Company， Huainan， Anhui Province， 232082 China）

Abstract： This paper mainly expounds the design of transmission line condition monitoring communication network and working power supply. GPRS and ZigBee data technology are used to design online network monitoring system to ensure the reliability and stability of power supply for transmission lines. The solar panel is selected as the applied line monitoring extension power supply， which fully realizes the high efficiency and low energy consumption of the power supply， and provides a reliable guarantee for the line monitoring extension power supply.

Key Words： Online monitoring; Network monitoring; Work power; Solar battery; Controller

随着生产力水平以及科技水平的不斷提升，在电力系统中线监视系统的要求标准也随之提升，为使国民经济发展的水平得以提升，电力输电线路的在线监控系统的设计是极其重要的。因此，利用输电线路在线监视系统获得实时的监控数据，并将监控数据信息实时返回，加以分析判断，可以有效提高安全隐患发现率，进而保障电力系统安全可靠地运行。

1 输电线路状态监视通信网络

1.1输电线路在线监视技术

类比于直接安装在线路设备上的测量系统，输电线路在线监视技术可以实时记录设备运行状态的特性量。条件监视和基于状态维护的实现在电力系统中是很重要的，而在线监视技术的实现基于条件的维护的基础 ^[1-3]。

1.2 在线监视系统构成

输电线路在线监视技术的整个系统由5个部分组成，包括网省公司监视中心、地市局监视中心、线路监视分机、通信网络以及监视信息。输电线路周围的温度、湿度、风速、风向、降雨一系列数据的采集依赖于线路监视装置实时收集输电线路的接地线、塔、绝缘子等实时信息。这些采集的数据利用通信模块如3G/ CDMA/ GPRS/ GSM向地方局的监视中心进行发送。监视中心对输电线路的运行状态进行判断的方法为：使用专家软件和各种修正理论模型，比较现场操作和测试结果，并给出传输线操作状态的结果。根据结果可以有效预防事故发生。输电线路的在线监视技术主要应用于对输电传输设备的现场监视，其监视数据的传输主要利用移动通信网络或联通通信网络，故而在监控中心设置扩展的远程参数十分有必要。在非信号的区域中，可以采用近距离无线通信，通过移动通信和联通通信网络进行长距离数据传输。

1.3 通信设计

线监视系统中的通信网设计是线路监视扩展极为重要的部分，是与监视中心交互连接的桥接器，直接影响取得终端的调试、功能和普遍性。通信模块结合GPR网络和ZigBee无线网络来设计，能够实现场传输路径的数据传输^[4-8]。

1.3.1系统结构

输电线路的传感器配备因监控条件和线路类型的不同而大不相同。主要的特征表现为：监视参数多种多样，监视点的分布聚集在塔杆之上，呈现一定的区域分布，顺着传输线路呈现出一种线性分布或网格状分布。因此，高灵活性和可扩展性需要在无线传感器网络得以体现出来。

图1显示出了基于ZigBee技术和GPRS的功率传送线集成在线监视系统的拓扑。功率传送线集成在线监视系统主要包括传感器节点模块、子站系统和主站系统。

输电线路周围的温度、湿度、风速、风向，以及高电压输电线路的导体张力、倾斜度等数据的获取依赖于设置在输电线路塔上各类不同的传感器节点模块。这些采集的数据由用于数据融合和处理的特定网络建立的ZigBee无线网络将它们发送到子站系统，然后子站系统访问GPRS公共网，并向主站系统发送监视数据。主站系统根据从子站系统发送的监视数据使用相应的数学模型，计算导体覆冰厚度和舞动情况，将塔附近的各类气象数据、塔周围的视频数据以及导线状况用表格和图片相结合的形式呈现，以便提供运营和维护输电线路的决策基础。

1.3.2 子站系统硬件设计

图2和图3显示出了变电站系统的监视主机和监视终端传感器节点模块的硬件设计原理。MC 9S12XS 128选择作为监视终端的主处理器的监视主机、MC9S12G128，以及作为RF收发机芯片子系统的MC1313作为核心处理器。监视主机由5个部分组成：主控制单元、无线通信模块、图像控制模块、数据存储模块以及电源模块。各模块可采用标准化设计，灵活设定，并根据监视要求进行扩展。为了便于操作、维护、安装、调试，采用插件结构，具有独立功能的监视模块采用插件集成模式，可以独立进行安装。监视终端的硬件主要包括各类数据采集模块：张力、倾斜角、气象学、ZigBee/GPRS通信模块。

1.3.3 软件系统设计

主站软件安装在监视中心的PC侧。启动后，首先需要对监视子站及监视终端的参数进行有效的配置，随后对主站的IP地址和主站的接收端口进行设定。一旦数据到达主站监视接收端口，便立即查找数据消息的子站的信息，并与记录在母站的子站匹配，待成功匹配后分析并处理信息;否则系统将判定数据不是从子站发来，会直接丢弃数据。在消息分析处理的过程中，需要对子站与主站的时间一致性进行判定，在出现时间不一致情况下则需要时间的同步处理。

在监视站被启动后，首先读取包括主站的IP端口号、来电号码、来电时间、主周期时间、来电频率等的设定信息，打开GPRS通信模块以连接主站。通信模块包括中国联通3G通信模块和中国移动2G通信模块。在偏远地区联通3G信号弱而无法成功连接时，为保证子站与主站的连接，子站可以自动切换到移动2G通信模块以便连接完成。在成功连接之后，气象采集端达到主周期、覆冰采集端达到主周期后会存储并上传获取的数据至主站，然后发出命令使得每个采集端进入低功耗模式。

线路监视装置定期收集输电线路导体、塔、绝缘子等设备信息，完成周围各类环境信息的收集，如温度、湿度、风速、风向、降雨等。监视中心利用3G/ CDMA/ GPRS/ GSM通信模块获取接收这些数据。如图1至图3所示为监视装置的工作流程。在打开监视扩展之后，读取包括最初连接的传感器节点的16位地址、数据发送调度、获取调度等的设定信息，然后将驱动MCU、MC1313设为低功率动作模式。程序的主循环为每隔10s读出时间信息，比较数据采集时间配置和数据发送时间配置，定期进入数据发送和数据采集的分支处理。系统中的存储器芯片构成循环存储结构，并且程序可以根据存储光标对数据进行直接存储或访问。为降低公网通信模块的耗电，设计出程序开关可以将整个系统的功耗大大降低 ^[9-10]。

2 太阳能电池供电系统稳压电路设计

系统组件的供电利用太阳能电池板，配备的太阳能蓄电池的标准电源为6V。实际负载大小决定太阳能板的功率和太阳能蓄电池的容量。

输出是两组的直流稳压电源：第一组为+5V，100mA的正常供应（连续）输出，24h以内的平均电流根据实际负载要求是20mA;第二组为断续供电12V，500mA输出，根据实际负载要求最大电流为350mA，供电时间3min，断电时间1～3h（可根据特定要求改变）。

为使电源安全可靠工作同时尽可能降低本身的功耗，设计电路采用了电池充、放电保护电路的设计，采用降压/升压两种DC/DC电压稳压器来实现输出请求，用于过电压保护的压敏电阻为R1和R2;电池充电和放电保护开关为Vd1、Vt1、Vt2，控制电路部分的实现通过比较检测控制器IT1;间歇的电源控制开关为VT3、VT4，自监视单元的CPU发出控制信号;系统所需提供的间断供电12V和、500mA电源，由MAX639和其他外围电路构成的高效率的降压DC/DC（6V/12V）转换电路IT2提供。

3 结语

国家电网公司和南方电网公司率先应用了输电线路在线监视技术，一些监视系统已经广泛用于部分省市的电力公司的部分电压等级设备，并且展现出良好的效果。但是，早期开发产品的应用还没有解决几个技术上和客观上的问题，阻碍了能够在一定程度上改善电力网安全运行的新技术的普及和应用。只有确定可真实灵敏反映设备状态的检测参数，选取应用技术成熟牢靠线监视系统，才能持续监视和评估输电设备的运行状况，从而促进开发与应用日益成熟的线监视技术，使得输电线路的在线监视与诊断技术成为防止大规模停电的第一防御系统重要举措。

参考文献

1. 孙才新. 输变电设备状态在线监视与诊断技术现状和前景[J].中国电力， 2005， 38（2）：1-7.
2. 朱德恒，严璋. 高电压绝缘[M].北京：清华大学出版社， 1992.
3. 黄树红，李建兰.发电设备状态检修与诊断方法[M].北京：中国电力出版社，2008.
4. 张德明.变压器分接开关状态监视与故障诊断[M].北京：中国电力出版社，2008.

[5]韩慧麟.换流变压器分接开关状态监视及评估系统的研究[J].宁夏电力，2020（3）：27-31.

[6]罗传胜，宋运平，徐兆丹，孙全才，覃智贤，陈斌.基于振动声学的变压器分接开关及绕组变形在线诊断技术[J].电工技术，2020（20）：115-117.

[7]袁方.基于智慧电能调控系统的变压器安全高效运行技术研究[D].西安：西安理工大学，2021.

[8]惠豪.基于振动分析法的变压器故障诊断研究[D].西安：西安理工大学，2021.

[9]巫峰，鐘海波，罗国平.变压器监造过程质量管理方法初探[J].变压器，2021，58（10）：34-36.

[10]王金龙，赵京鹤，池明赫.电力变压器综合状态的模糊评价方法研究[J].变压器，2021，58（10）：53-56.