基于无线传输的输电线路舞动监测系统设计

张 博，常帅帅，陶亚光，吕中宾，申立群

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，国网输电线路舞动防治技术重点实验室，河南郑州 450052； 2.哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

近些年来，我国基础设施有了大幅提升，输配电网络的建设发展很快，为我国各项事业的发展提供了有效助力。但随着电网规模和范围的扩大，各种恶劣气象条件对电网安全也提出了更高的挑战[1]。由恶劣天气引起的各类灾害事故也时有发生，具有严重危害的舞动时有发生[2]。输电线路舞动是指在特定条件下，在风激励下产生的低频(通常为0.1～3 Hz)、大振幅(约为导线直径5～300倍)自激振动[3-4]。

关于输电线舞动的研究，国外发达国家起步较早，从20世纪50年代就有人开展了对舞动的观测研究，加拿大、美国、日本建有专门的测试线路，相关的研究工作也有所开展[5-7]。我国关于输电线路舞动的研究相对起步较晚，但舞动在我国频繁发生且涉及输电线路等级宽泛[8]，在2017年至2018年冬季受雨雪、冰冻、大风等恶劣气候影响，安徽、湖北等数省发生了大规模输电线路舞动事故。2010年发布的国家电网企业标准Q/GDW 555—2010《输电线路导线舞动检测装置技术规范》，明确了输电线路舞动监测装置的监测任务、技术指标，为大力开展线路监测技术研究奠定了基础[9]。

针对舞动监测，虽有人工监测方法，但可靠性和便捷性均不如自动监测方式。自动监测主要通过各种传感器对线路舞动信息进行采集，根据原理不同，可采用的传感器也多种多样。文献[10]设计实现了基于加速度计和位移传感器的舞动监测系统。文献[11]设计了基于光纤光栅传感器的舞动监测装置。文献[12]以线路间隔棒为监测特征点，通过图像处理技术获取舞动特征。

基于光纤传感器的舞动监测实际应用时传感器的安装与布置复杂、繁琐，同时温度对光纤传感器的影响也非常大；基于加速度传感器的舞动监测技术由于线路本身的扭动问题，导致所监测的轨迹不可避免包含重力加速度，舞动位移解算与实际值存在偏差；基于视频图像处理的舞动监测技术容易受雨雪、大雾等恶劣自然天气的影响。

本文设计一种在获取加速度信息的同时，测量传感器姿态信息的舞动监测系统，可以去除重力加速度所引起的误差，得到更准确的测量结果。

1 系统总体方案设计

整体硬件系统主要包括舞动线上传感器、舞动监测塔上终端2部分，系统框图如图1所示。

图1 系统框图

舞动线上传感器固定在输电线上，通过六轴MEMS传感器采集输电线舞动的角速度、加速度等信息；舞动塔上终端安装在杆塔上，对线上传感器所采集的舞动参数进行处理，以提取舞动特征参数，并可以将这些参数发送到电脑或手机端监控中心。

舞动监测需要得到输电线舞动信息，该信息通过线上传感器获取，通过塔上终端进行处理并传输到监控端。硬件系统由线上传感器和塔上终端2部分构成，通过无线通信方式将系统各部分连接在一起。

1.1 线上传感器

线上传感器完成舞动信息的采集工作，通过在输电线路上按照固定间距排布线上传感器，在舞动发生时可将舞动信息通过线上传感器进行采集。线上传感器的结构框图如图2所示。

图2 线上传感器结构框图

线上传感器的核心为六轴MEMS传感器，该传感器可将舞动的角速度、加速度等相关数据进行采集，通过微控制器进行接收，并经ZigBee无线传输协议传输到塔上终端。线上传感器的主要功能为数据采集功能，同一线路上可安装多个线上传感器，多个线上传感器可与塔上终端构成ZigBee网络，可实现节点间的路由或中继传输。

1.2 塔上终端

舞动监测塔上终端接收来自线上传感器的舞动加速度、角速度信息，并完成相关的数据处理工作，然后将数据传送至监控中心，如手机端或电脑端。塔上终端系统框图如图3所示。

图3 塔上终端结构框图

舞动监测塔上终端进行接收时，首先对数据进行预处理，去除舞动的加速度、角速度参量所含有的直流分量、趋势项等干扰，然后对预处理后舞动参数进行算法处理，得到舞动的幅值、频率等舞动特征参数；最后将所辨识舞动特征参数通过4G传输到监控中心。当工作人员到达舞动现场时，塔上终端还可将舞动参数通过蓝牙mesh无线传输技术传输至工作人员手机监控端。

2 供电电路设计

舞动监测线上传感器的供电电路采用太阳能与电池互补供电的方式。这种方式具有体积小、成本低的优点，并可以使系统长时间工作，降低维护成本。

线上传感器的核心器件供电电压均为3.3 V，此处选择输出电压为3.7 V的锂电池，并利用低压差稳压器进行电压转换。为保护锂电池，设计了电池保护电路，以延长使用寿命。对于太阳能电池的充电管理采用专用的充电管理模块，使其能长期稳定工作。整体供电电路如图4所示。

图4 线上传感器供电方案

线上传感器供电锂电池选择松下18650低温电池，可正常工作温度范围为-40～60 ℃，电池容量为3 200 mA·h。同时选择为锂电池充电的太阳能电池板为1 W输出，5 V输出电压下电流为200 mA。经估算，线上传感器年耗电量为33 288 mA·h，假设一年内平均每天有效光照时间为2 h，所产生电量大小为146 000 mA·h，加上锂电池自带电量3 200 mA·h，远高于线上传感器年耗电量。同时锂电池自带电量可供线上传感器工作35.08 d，因此在不超过35 d阴雨环境下，线上传感器仍可正常供电保持运行。以上的估算结果也说明了系统供电电路设计的合理性，线上传感器长时间的正常工作可避免频繁的拆卸而导致维护成本升高。

为保证通用性，塔上终端和线上传感器的太阳能充放电设计原理相同，区别在于塔上终端支持更大面积的太阳能电池板，且为了给4G模块供电，需提供一个升压模块输出5.0 V电压，如图4中虚线部分所示。

2.1 锂电池供电保护电路

为避免对锂电池的不当使用，以延长使用寿命，采用了锂电池保护芯片DW01A，可以对锂电池过度放电、过度充电、短路等情况提供有效的保护。电路连接如图5所示。

图5 锂电池供电保护电路图

检测VCC电压，若电压在过充电压保护阈值和过放电压保护阈值之外，则电路中的N-MOS管Q1和Q2将会对应动作，使锂电池进入保护状态。

2.2 3.3 V电平转换

锂电池正常输出电压为3.7 V，系统核心模块电压均为3.3 V，因此需要设计3.7 V-3.3 V电压转换电路。此处选择低压差稳压芯片RT9193-33，在2.5～5 V电压输入时可将输出电压稳定在3.3 V。电路如图6所示。

图6 电平转换电路

2.3 5 V电平转换

与线上传感器不同，舞动监测塔上终端需要3.7 V-5 V的升压电路，为4G模块提供电源。这里采用MP3414A进行升压电路的设计，该芯片可输入电压为1.8～5.5 V，输出电压最大值为5.5 V，最大电流可达1 A。设计应用电路如图7所示。

图7 3.7～5 V升压电路图

图7中，电压输入范围为1.8～5.5 V，输出电压是由芯片FB引脚、OUT引脚及其之间形成的分压网络决定的。FB引脚在芯片正常工作时被调制在0.6 V，所设计的分压网络使得转换电压的输出为5.04 V，符合设计需要。

2.4 太阳能充电管理电路

选择为锂电池充电的太阳能电池板输出功率为1 W，5 V输出电压下电流为200 mA。太阳能充电采用CN3791进行充电管理，该芯片可自动跟踪太阳能电池输出的最大功率点，有效利用太阳能电池的功率输出。电路设计如图8所示。

经功耗分析，该供电设计可满足长期使用要求，无需频繁进行维护。

3 线上传感器电路设计

线上传感器主要任务为数据采集，并将数据传输到塔上终端，其主要需求为低功耗、小型化、便于维护，主要完成各外围设备与其接口连接。因此，线上传感器的主控芯片选择STM32L431，它是低功耗系列产品，接口也比较精简，能够满足小型化的要求。

3.1 六轴MEMS传感器应用电路

六轴传感器选型为ADIS16470，可以通过SPI通信方式与主控芯片之间进行数据交互，在与MCU相连时，它作为SPI的从设备，MCU作为主设备，电路连接如图9所示。

3.2 ZigBee应用电路

ZigBee模块选择ZA2530模块，建立星形网络拓扑连接。舞动监测系统的线上传感器作为终端节点，塔上终端作为协调器。根据ZA2530模块的引脚功能，设计其应用电路原理图如图10所示。

图8 太阳能充电管理电路图

图9 ADIS16470接口电路原理图

图10 ZigBee模块应用电路原理图

4 塔上终端电路设计

舞动监测塔上终端负责对线上传感器原始舞动参数的收集，并通过算法求解舞动幅值、频率等特征参数，将解算得到的舞动特征参数经无线传输至监控端。由于塔上终端完成功能较为复杂，并根据UART、SPI等外设接口的需求，选择主控MCU为STM32F401RET6单片机。

其外围器件主要为ZigBee通信模块、蓝牙mesh通信模块以及4G通信模块。ZigBee模块采用ZA2530，除了软件上的工作模式不同，其硬件连接与线上传感器是一致的。下面主要介绍蓝牙mesh通信模块和4G通信模块的连接。

4.1 蓝牙mesh模块应用电路

蓝牙mesh模块选择E104-BT10模块，实现数据在通信网络内部的透传。电路设计如图11所示。

该模块供电电压为1.9～3.6 V，这里采用3.3 V对其进行供电；其RST引脚为芯片复位引脚，由主控芯片IO端口控制；其TXD、RXD引脚与单片机串行口相连即可完成通信功能。

4.2 4G通信模块应用电路

4G通信选择E840-TTL-4G04模块，便于通过单片机的串行口进行控制。该模块的供电电压为4.2～12 V，此处采用5 V电压供电，设计其应用电路图如图12所示。

其TXD、RXD引脚与单片机引脚RXD、TXD相连即可，通过串行口完成数据通信。

5 实验结果分析

输电线路的常见舞动为舞动截面近似圆周的运动，实验室条件下采用卓立汉光Zolix-RSA的单轴转台与悬臂配合的方式，产生标准回转运动。其定位精度优于0.01°，分辨率高达0.002 5°，最大转速达50 (°)/s。配合3D打印制作30 cm、50 cm、70 cm悬臂，测试系统在圆周舞动情况下的适用性，实验场景如图13所示。

控制单轴转台进行整圆周运动，当采用50 cm长悬臂时，设置其8.5 s时间内运动整个圆周，则理论上运动频率为0.12 Hz。

线上传感器采集原始运动数据，同时进行数据预处理，经过塔上监测终端舞动特征参数辨识算法处理后所得幅值辨识结果及偏差如图14所示。

图11 蓝牙mesh模块应用电路图

图12 4G模块应用电路图

图13 旋转悬臂实物图

(a)幅值曲线

(b)舞动监测位移误差图14 运动幅值辨识结果及误差图

由图14可知，所辨识运动幅值误差最大值为4.4 cm，平均误差为1.91 cm，平均相对误差3.8%。将横轴所辨识幅值进行傅里叶变换，获取运动频率，幅频图像最大幅值对应频率为0.107 Hz，与实际运动频率0.12 Hz基本一致。

经过多次实验，其中一些实验结果数据如表1所示。

表1 回转运动特征参数辨识结果表

通过数据结果可知，系统对运动幅值、频率的辨识均较为准确，幅值辨识相对误差最大为4.4%，出现在回转幅值70.00 cm时，辨识结果为73.10 cm，频率的最大辨识误差为0.03 Hz，验证了系统的有效性，能够满足课题技术指标的要求。

6 结束语

本文设计了基于无线传输的输电线舞动监测的硬件系统，系统包括线上传感器和塔上终端。线上传感器主要负责信号的采集，主传感器为六轴MEMS传感器；塔上终端将采集的数据进行处理，以得到舞动特征参数，并可以将信息通过蓝牙传送到手机端或通过4G网络传送至监控中心。采用单轴转台在实验室环境下对系统进行了测试，测试结果与实际情况符合度较好，验证了系统的有效性。