基于光纤供能的架空输电线路气象监测系统设计

李程启，刘景龙，张围围，李 娜，张 帆

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

架空输电线路是电力系统的重要组成部分之一，其正常运行是整个电网稳定运行的基础。架空输电线路大多经过丛林、峡谷、高山等人不方便涉足的复杂环境，同时户外架空线路在运行中容易受风、雨、冰、温度等多种自然因素的影响［1-3］，大量的研究也表明气象对架空输电线路性能有较大影响［4-5］，因此有必要对架空输电线路周围小范围的气象信息进行采集及分析，保障电网安全可靠运行［6-8］。当前的气象在线监测系统多使用电池、自取能、电力输电等方法为监测节点供能［9-10］，存在后期维护成本高、供能受限于环境影响、受电磁干扰等不足，使用无线通信技术将传感监测节点的信息进行回传，存在着传输可靠性差、传输距离短、抗干扰性差等不足［11-15］。架空输电线路一般都铺设有光缆，光纤通信具有传输距离远、传输速度快、损耗低、抗干扰能力强等特点，而随着光纤通信技术的日益发展和成熟，使用光纤作为媒介来传输能量逐渐为人们所注意，并且日渐显露其优势。在光纤传能系统中源端的激光器输出光能，经传能光纤传输后，至远端进行光电转换，并为各用电器件供电。

当前比较成熟且大规模使用的架空输电线路气象监测系统多采用太阳能电池板从自然界取能配合蓄电池为监测系统供能，使用全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）、通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）、窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）等严重依赖运营商基站信号覆盖的无线通信方式将系统监测信息回传回变电站或监控中心。由于该方案使用蓄电池作为存储介质，蓄电池的充放电循环使用寿命较短，因此该方案在供能上存在后期更换电池、维护成本高等问题。同时该方案无法将监测装置安装在运营商基站信号覆盖之外的场景，一般这种场景多为深山、峡谷等人迹罕至之地，但这些场景相对监测意义重大。除此之外，该方案通信距离受运营商基站影响较大，如NB-IoT 在郊区使用通信距离可达10 km左右，在市区只有3 km左右。

提出一种以光纤作为能量与信息传输载体的架空输电线路气象监测系统，本系统适用于丛林、峡谷、高山等人不方便涉足的复杂场景，不受运营商基站信号覆盖影响，可进行10 km 远距离光纤供能及通信，可有效解决架空输电线路监测节点供能困难及传感信息传输不可靠不稳定的问题，降低了电力系统施工安装难度及运维难度，节约了系统监测成本。也为后续在微气象区域开展覆冰、大风观测，获取长期实测资料，为拟建线路设计和已建线路运维提供基础数据［7-8］。

1 系统设计

1.1 总体系统方案设计

系统整体方案如图1 所示，变电站中包含激光器、光通信单元、监测主机三大部分，杆塔上安放的传感器节点包含光电池、能量管理单元、气象传感器、微控制器（Microcontroller Unit，MCU）、光通信单元五大部分，激光器从变电站中发射出1 550 nm 激光经过现有已铺设好的光纤复合架空地线（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）电力光缆中的一根闲置单模光纤将光能量传输到安装在杆塔上的监测节点中的光电池上，光电池将光能量进行光电转换为电能量输出给能量管理单元，能量管理单元对电能量进行存储转化供应给气象传感器、MCU、光通信单元，MCU 将采集到的气象传感器传感信息经过光通信模块通过OPGW 电力光缆中的另一根闲置单模光纤将1 310 nm 光信息回传给变电站中的光通信单元，进而传递给监测主机进行分析处理显示。其中，电力光缆直接采用电网公司已铺设好的OPGW 光缆，光纤使用OPGW 光缆中闲置的单模光纤，大大降低监测系统安装复杂度，节约施工成本，便于快速安装及后期维护。

图1 系统整体设计方案

如果需要在距离较长的输电线路安装多个监测装置，需要采用图2 所示的方案，使用分光器对光能量进行分配，由于激光远距离传输存在损耗，所以距离变电站较近的杆塔分配的光能量相对变电站较远的杆塔分配的光能量百分比更小，按照不同百分比分配激光能量给每一个监测装置，从而保证多个监测装置都能正常供能。

图2 多监测装置方案

2 系统硬件设计

架空线路气象监测系统包括多个硬件组成单元，以下重点介绍能量管理单元电路、微处理器及外围接口电路、气象传感器检测电路、光通信单元电路等核心单元。

2.1 能量管理单元电路

在本系统中，所有的能量供应均由光纤完成。光纤传能原理是电光转换、光功率传输以及光电转换3部分。通过激光器发射一定功率密度的激光，将激光注入光纤中进行远距离传输，经光纤耦合输出后打到光电池表面，使光能转换为电能输出，并供给传感器系统工作。

变电站中的激光能量通过光纤传输到杆塔上的气象监测终端，激光能量被铟镓砷（InGaAs）光电池转换为电能输出，其原理为半导体材料的光生伏特效应，具体为光照使不均匀半导体或均匀半导体PN结中电子和空穴在空间分开而产生电位差。当照射的光子能量大于带隙能量的时候就会产生光生伏特效应。光电池可以当作一个电流源，光照度的大小影响了输出电流的大小。

能量管理单元主要由低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）、升压型DC/DC 变换器、存储介质3 部分组成，结构如图3 所示。小规模的储能技术只有电化学储能（电池）和超级电容器储能。电池包含锂电池及蓄电池，电池的优点是能量密度高，使得负载在断电后能持续工作数小时至数十小时，但功率密度较小，难以满足具有瞬时功率特性的监测设备，且寿命有限，需要定期维护。因此考虑到电化学储能器件的循环寿命次数和微能量存储的特殊性，本系统拟采用电容器进行储能。电容器储存电能能量，若平均功率为100 mW 的负载工作10 s，其能量为1 J，输出电压一般为5 V，需要电容量达到约为0.08 F，传统电容器远达不到计算的电容量要求，因此本系统采用超级电容器作为存储介质，超级电容属于双电层电容器，超级电容的容量比通常的电容器大得多，同时自身损耗和漏电流也较大。超级电容的充放电电路简单，可快速充放电，且具有瞬时大功率特性，功率密度高，其与光电池并联，存储介质接LDO 输入端，LDO 对光电池及存储介质输出的能量进行降压处理，输出+3.3V 电压为后续微处理器、光通信单元、气象传感器中的温湿度、气压、光强传感器供电；存储介质接DC/DC 变换器输入端，DC/DC 变换器输出+5 V 电压为气象传感器中的风速、风向传感器供电。

图3 能量管理单元结构

能量存储管理单元采用BQ25505芯片来管理充放电。BQ25505 是全新智能化的能量采集以及超低功耗管理芯片，专门设计用于高效地获取并管理从诸如光伏或热电发生器（Thermoelectric generator，TEG）等多种不同直流源产生的微瓦至毫瓦级的电能。作为一款效率较高的DC/DC 升压充电器，BQ25505 特别满足超低功耗应用的特殊需求。该芯片功耗超低，静态电流仅为325 nA，能够在输入电压低至330 mV 时冷启动，并且一旦启动，即使在输入电压低至100 mV 时仍能继续采集能量。由于一节光电池的输出电压是低于3 V的，而本系统所需要的供电电压至少为5 V，所以还需要做一个升压操作。

升压电路中，所使用的IC 为SX1308。SX1308 是一款常用的贴片升压IC，采用SOT23-6封装，其输入电压范围为2～24 V，输出电压最高可达28 V，输出电流最大为2 A。该升压IC 的内部振荡频率可达1.2 MHz，并且带有过流、过热保护电路。

LDO 部分采用TPS70933 芯片进行设计，TPS709系列线性稳压器是设计用于功耗敏感类应用的超低静态电流器件。一个精密带隙和误差放大器在温度范围内的精度为2%。只有1 μA 的静态电流使得此器件成为由电池供电、要求非常小闲置状态功率耗散的常开系统的理想解决方案。为了增加安全性，该器件还具有热关断、电流限制和反向电流保护功能。关断模式通过将EN 引脚拉为低电平进行使能，该模式的关断电流低至150 nA（典型值）。

因此，上述电压变换芯片的选型均满足本套系统所需要的超低功耗、高转化效率、高精度应用的需求。

2.2 微处理器及外围接口电路

系统采用MSP430G2553 单片机作为微处理器，MSP430G2553 是一款具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器，具有外围电路设计简单、低功耗、体积小等优点。微处理器的外围电路如图4 所示，包含有复位电路、串口电路、仿真电路。单片机供电电压为3.3V，通过复位按键实现复位操作，通过仿真接口进行程序下载及仿真调试。晶振采用单片机内部晶振，为了降低系统功耗，时钟主频设置为1 MHz。该单片机有直插式及贴片式封装，为了缩小电路板结构设计空间，故采用贴片式单片机。

图4 微处理器及外围接口电路

2.3 气象传感器检测电路

气象传感器包括温度、湿度、气压、风速、风向等几种不同类型的传感器，其中单片机通过I2C 通信协议采集温度、湿度、气压传感器监测数据，风速、风向传感器数据采用内部A/D转换接口进行采集。

温湿度传感器采用SHTC3 芯片制作，SHTC3是一款低功耗温湿度传感器，该器件比前代产品具有更宽电源电压范围（1.62～3.6 V）和更高精度（±2%RH、±0.2 °C），实现了更大的灵活性。该器件专门针对消费类电子设备行业，在小巧的外形（2 mm×2 mm×0.75 mm）和高鲁棒性之间达到了最佳平衡并易于处理，同时极具性价比吸引力，通信方式是I2C，可以检测-40～125 ℃的温度范围和0～100%RH的湿度范围。

气压传感器采用MS5611-01BA03-50 芯片制作，MS5611-01BA03-50 是一种高分辨率数字压力传感器，具有超低功耗特性，MS5611-01BA 是由压阻传感器和传感器接口组成的集成电路，主要功能是把测得未得补偿模拟气压值经模拟/数字信号转换成24位的数字值输出，同时也可以输出一个24位的数字温度值，高度测量最大分辨率10 cm，MS5611-01BA 支持SPI和I2C 通信，可以通过上拉PS引脚（Protocol Select）选择I2C 协议，下拉则选择SPI协议，MS5611-01BA 的I2C 地址为111011Cx，其中C为CSB 引脚的补码值（取反）。因为传感器内并没有微控制器，所有I2C的命令和SPI是相同的。

风杯式风速传感器内部为一只固定的干簧管和随风杯旋转的磁铁，测量仪器按照干簧管每分钟吸合的次数来计算风速，风向传感器内部是一个360°的滑线电阻器，旋转臂就固定在随风向转动的风摆上。不同的风向对应不同的电阻值，测量电阻就可以知道风向。因此，风速风向传感器采用+5 V供电模拟电压输出型风杯式传感器，目前常见的风速风向传感器供电电压多采用+12 V 供电串口型，其功耗远超+5 V供电的风速风向传感器，不符合本系统需求。

本系统通过使用MSP430G2553单片机自带的模拟/数字信号转换功能采集风速风向输出电压值，通过计算转换为风速风向值，为了保证MSP430G2553单片机精准读取数据，使用MSP430G2553 单片机内部的参考电压通道作为风速风向模拟/数字信号转换的参考电压，其不会受到外界供电源波动的影响，相比于将外部供电源作为参考电压，采集精度更高。MSP430G2553单片机供电系统采用+3.3 V供电，风速风向传感器采用+5 V供电，因此采用分压电阻法对两者进行电压匹配。气象传感器检测电路如图5所示。

图5 气象传感器检测电路硬件设计

2.4 光通信单元电路

本系统采用光纤通信的方式进行信息传输，位于杆塔上的发射端与位于变电站中的接收端均使用一种能双纤工作的光收发一体的模块，该模块的发射部分的工作原理是将输入数据转换成TTL 电平，经过激光调制器调制后，驱动半导体激光器发射出携带数据信息的调制光信号，为了使激光器驱动稳定，驱动部分一般还具有温度补偿电路及自动功率控制（Automatic Power Control，APC）电路。接收部分的工作原理是将接收到的光信号通过光电探测器转换为电信号，随后经过前置放大器进行信号放大处理，再通过低通滤波器及限幅放大器，最终输出TTL电平信号。此外，接收部分还具备对光信号有无的检测能力，当接收光路有光信号输入时，将由指示管脚输出高电平，当接收光路无光信号输入时，将由指示管脚输出低电平。

光通信单元电路选用3.3 V 供电的TTL 型电光/光电转换光模块，本系统需要使用光纤供能转换后存储的电能进行供电，因为光纤供能的能量较微弱，因此需要尽可能降低通信模块的功耗来尽可能多的为存储介质储能，故该模块满足本系统需求。该光模块传输速率低，上限速率可选，最高可达2 Mbit/s，适用于2 Mbit/s 以下的电力控制和工业控制的RS232、RS485 型光电转换设备，本系统所采集的各类气象信息所占用的数据量均小于2 个字节，因此满足本系统的信息传输速率带宽要求。发射器件工作波长可分别选用1 310 nm 法布里-珀罗（Fabry-perot，FP）和1 550 nm FP 激光器，满足光在光纤中远距离传输的要求，能保证杆塔到变电站两者之间远距离传感信息稳定传输。

其接口电路如图6 所示。单片机串口与光通信单元的TXD 及RXD 连接，外接3.3 V 供电，传输距离最远可达20 km，采用单模双纤FC插拔式接口。

图6 光通信单元电路

使用1 km 电力光缆进行测试，发送端和接收端均使用USB 转TTL 串口助手进行模拟杆塔上的节点往变电站中监测主机发送数据，杆塔上节点发送2.3；123；1013.1；23.1；45，变电站接收到2.3；123；1013.1；23.1；45，未出现丢包，包内数据表示风速2.3 m/s，风向123°，气压1 013.1 hPa，温度23.1 ℃，湿度45%RH。测试结果如图7所示。

图7 光通信单元电路测试图

3 系统软件设计

IAR Systems是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。提供的产品和服务涉及嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。本系统软件系统依托IAR For MSP430软件，采用C 语言进行编程，通过仿真接口进行下载和调试。主要程序流程如图8 所示。由图8 可知，监测系统首先进行系统初始化，随后MCU 检测超级电容两端供电电压是否满足正常工作需求，如果满足，MCU对气象传感器进行数据采集并通过光通信模块进行信息回传，回传完成后结束本次工作任务，系统进入低功耗状态，此后周期性唤醒循环监测；如果不满足，整体系统进入休眠模式，间隔一定时间检测供电是否满足需求。本系统通过在软件中选择Simulator 进行一些逻辑及一般运算程序调试，通过逻辑分析仪观察I2C 接口型传感器的传输特性。使用仿真器进行硬件仿真可以进行实物单步现象调试，观察每一步与流程图功能是否对应，进而做出相应的改动调整。

图8 监测系统软件设计流程

4 系统测试

选取某110 kV架空输电线路对该系统进行安装调试，输电线路杆塔上安装两套装置，每套装置所采集的传感信息为温湿度、气压、风速、风向，所采用的OPGW光缆单纤双向平均衰减系数（1 550 nm/1 310 nm）分别为0.21 dB/km 及0.35 dB/km，其中变电站距离杆塔1 的距离为1 km，距离杆塔2 为9 km，两套装置分别安装在两根杆塔上，实验条件如表1 所示，测试结果如表2 所示。从表2 可以得出，架空输电线路气象监测系统可以通过电力光缆稳定供能，并周期性采集回传传感数据。

表1 试验条件

表2 系统测试结果统计表

本方案与常规在线气象监测方案相比，每个监测装置无须办理运营商的流量卡套餐，由于使用超级电容作为本系统的存储介质，超级电容的充放电循环次数可达50 万次，而常规在线气象监测方案所使用的蓄电池多为锂电池，一般不超过1 000 次，锂电池的价格远远高于超级电容的价格，常规的在线气象监测方案一般寿命在2～3年，本方案按照10 min回传一次数据，预计装置可用9 年，大大节约后期装置维护成本。

5 结语

提出一种基于光纤供能技术的架空输电线路气象监测系统，通过电网公司已铺设好的OPGW 电力复合光缆中的一根单模光纤为气象监测节点供能，并通过另一根单模光纤将传感器信息回传分析，从供能及通信两个方面对整个系统进行验证，实验结果表明系统设计方便实用，可靠性强，能长时间稳定工作，数据传输安全可靠，为光纤传能技术在电力系统中的应用提供了参考，气象传感信息的获取分析也为后续覆冰、大风观测等监测提供数据支撑。