高速公路供电线路断路监测报警系统方案设计探讨

2021-10-28曹德林

北方交通 2021年10期

曹德林

(辽宁省交通科学研究院有限责任公司沈阳市 110015)

1 背景及意义

高速公路沿线供电线路铺设完成后，总会遇到一些始料未及的麻烦，比如复杂的地理环境、自然作用力的破坏、人为因素等等，在这种情况下供电电缆损坏将会造成很大的麻烦，虽然高速公路沿线配备柴油发电机以备应急需求，如果故障点不及时了解，备用发电机难以支撑整个路段机电系统运行，此种现象在山区隧道地区尤为明显，长时间断电将直接造成不必要的经济损失及安全隐患，所以及时地检测出故障点，并将故障信息及时发布出来是供电线路断路后的首要任务，只有经历了这个环节维修人员才能根据故障信息作出判断，进而到达现场进行抢修工作，可见供电线路断路监测报警在整个维修过程中意义是何其的重要。

2 目前监测技术手段

断路监测报警功能的实现需要解决两个问题，第一是传感器检测故障信号，其二是故障信息报警。其中现有的断路检测方法有很多，最为典型的是通过检测外加交流信号对电缆状态的识别，还有通过测量电缆的对地电容来实施监测，当然也不乏通过对电缆电流的测量来判断供电线路的具体情况；与检测环节不同，故障报警主要依赖比较成熟的有线通信技术。

2.1 断路检测方法

通过外加交流信号对电缆状态的识别这种方法主要依据的是交流信号在电缆里传输可返回交流信号，如果电缆出现断路故障，所加的外部信号就没法实时返回来，通过这一点可以检测电缆是否断路，进一步通过测长电路可以得出电缆的断路位置，该过程应用单片机就可以实现，如果用于检测电压不高的电缆，比如电话线，还有一定的实用价值，如果检测的是强电，在初始接口端就要对信号做一下处理，因为单片机不可能直接与电缆进行物理上的连接。往往由于线路铺设过长，期间又有变压器的存在，所加信号衰减会很快，无法实现检测功能，而且会影响到后续远程监测，整体监控的可靠性不能得到保障。由于上述问题的存在，这项技术目前还没有广泛地应用到强电监测领域，未来还需要很长的路要走。

2.2 报警技术

这里面提到的断路报警其实是一门远程监控技术，现代远程监控技术大都是建立在通信基础上发展而来的，其中发展较早较为成熟的当属有线通信技术，例如利用有线电话网作为信息传输的媒介，但是在构建供电线路的同时，格外架设一条通信线路，将会增加成本，其实用性因此也大打折扣，由于增加了通信线路，本身的断路问题也要检测，无形中给系统增加了任务；值得一提的是有线通信在电力领域并未因此遭到抛弃，架设通信线路费用高，那就将电力线作为信息传输的媒介，也就是电力线载波技术，虽然这个构思很巧妙，但是由于该项技术起步比较晚，现阶段发展还不成熟，并且由于配电变压器对信号有阻隔作用，只能在一个变压器区域内进行信号的传输，不利于跨变压器传输，而且当电力线负荷很重，线路阻抗下降到1欧姆以下，会对信号造成高消减，不利于远距离传输，综合以上缺点，该项技术在远程监控领域的推广还需要更多的路要走。

3 总体方案设计

针对以往检测及报警环节出现的诸多缺点，致力于提高系统整体的稳定性、可靠性、安全性、可行性、经济性，研究优化出了一套断路监测报警系统，检测环节采用对电压信号的获取识别来判断供电线路是否出现断路，因为电压信号可以被直接测量，而且用户即使没有负载也不影响对整个线路的判断，如果传感器封装得比较好的话，整个检测过程基本不受外在因素影响，也没有复杂的计算公式以及昂贵的设备，符合设计要求；报警部分采用无线数字移动通信技术，可以避免物理通信线路的架接，而且现阶段数字移动通信系统发展比较成熟，其相关产品成本较低，通信覆盖范围可达很远，在很大程度上可以满足远程通信功能。为了更好实现设计的要求，通过对PC机、单片机和GSM通信模块可开发研制出一套电缆断路监测系统[1]。

系统的总体设计如图1所示。系统主体硬件分为两大部分，PC上位机和远程监控终端。PC上位机部分位于监测中心，主要作用是接收和分析远程监控终端回传的故障信息，进而得出故障点，通知工作人员及时赶赴故障现场，第一时间将故障排除。远程监控终端负责电缆断路信号的检测以及报警短信的发送，其供电主要由电缆间接提供，如果电缆因故障及其他原因断电，采用可充电锂电池为其提供电源。

整个系统功能的实现大致如下：将安放在电缆上的远程监控终端依次地编上序号，具体做法如图1，为了方便，图中给出了两个终端，实际设计的时候终端会有很多，在安放的时候根据实际需要以及地理环境等因素设计两个终端之间的距离，第一个远程监控终端最好安放在距离供电方较近的位置，方便后续故障位置的判断。当1号和2号之间发生断路故障，2号及以后的终端都将发送报警短信给PC上位机，经过PC机的判断可以确定故障位置在1号和2号之间，其他位置的判断和这种方法一样，如果整条线路上的终端都发送报警短信给PC上位机，则可以确定是整条线路停电，如果没有任何一个终端发送报警短信，则这个供电线路是完整的，根据这种方法就可以实现供电线路断路监测报警功能[2]。

图1 系统总体设计

3.1 远程监控终端设计

远程监控终端的功能主要可以概括为两大部分,分别是传感器检测电压信号、单片机控制GSM发送报警信息[1]，这两部分通过硬件接口相互配合，共同完成检测报警的功能，保障了PC上位机进一步的工作。

3.1.1传感器采集电压信号

由于工业用电大都在220V以上，对电缆电压信号的获取可以采用变压器来实现，并将获取到的交流电压信号整流滤波得到一个直流电压信号，通过电阻进一步地输入到光耦，在输出端得到一个数字电压信号，接入后续单片机就可以完成信号采集的工作。实际应用中，将需要监控的区域划分成若干段，每一段的距离可以是固定长度，只要是方便人员检测就可以，每个节点用上述整套设备检测电压信号。

3.1.2单片机控制通信模块发送报警短信

通信部分是远程监控终端的关键部分，数据采集部分将电压信号采集，送与单片机I/O端口[3]，单片机检测到这个电压信号(可以是1也可以是0)与通信模块建立AT指令连接，模块将写好的报警短信送给上位机部分。这个过程的实现需要单片机与通信模块建立起硬件上的连接，单片机与通讯模块应用锂电池供电即可，锂电池的设计可在线充电，电缆有电时，可以将电缆的电压变压整流进而供给单片机、通信模块和锂电池，电缆掉电时，锂电池可以直接供电，保障系统安全地运行。

单片机作为重要环节之一，担负着前端重要的工作，包括数据采集、信息处理、与GSM模块间通信[1]，不难看出单片机是远程监控终端的心脏，是整个系统的动力枢纽，该系统预留了单片机的一些其他的接口，方便日后的产品升级，功能多样化。该处的单片机选型为总线型，一旦总体框架确定，单片机更换只能是总线型[3]。

3.2 PC上位机设计(监测中心部分)

作为信息的最后汇聚地，上位机部分担负着极其重要的角色，不仅需要接收远程监控终端传来的故障信息，还需要对信息进行处理分析得出故障点，并进一步发出故障信号，通知相关人员维修故障点，这一切对上位机和通信模块的可靠性要求很高。上位机的工作流程大致可以概括为处于前端的设备将报警信号回送给上位机的通信模块，这个报警短信包括远程监控终端所在编号、SIM卡号及地址信息等，PC机通过USB接口将短信采集并根据编号、卡号、地址等信息分析得出故障点[2]。