基于光纤传能技术的输电线路监测终端研制

刘洪亮,辛晓虎,欧干新,王建慧,李若寒

(国网天津市电力公司蓟州供电分公司,天津 301900)

0 引言

随着“智慧输电线路”的建设推进,输电铁塔上将新增大量的无线监测装备,比如铁塔微气象、铁塔倾斜监测、线路通道视频监拍等装置[1-2]。从现场应用来看,监测装备供电多采用自然能的方式,例如太阳能电池板、蓄电池、微型风机等[3]。在实际应用中,太阳能和微型风机的供电方式存在供能不稳定、体积大、成本高的问题,蓄电池则存在寿命短的问题[4]。供能不稳定一定程度上已经成为输电线路在线监测技术的发展瓶颈。

在输电线路体上安装感应线圈或电流互感器可实现在线稳定的取能,然而由于输电线路一次导线和输电铁塔间的巨大电势差,导线上通过电流互感器抽取的电能难以传输至输电铁塔侧[4 5]。光纤传能技术是利用功率光纤传输光能量。功率光纤具有电绝缘、抗电磁干扰的特点,可解决高压输电线路上巨大电势差和复杂的电磁环境下,电能传输的问题[6-8]。

本文基于光纤传能技术和光电能量转换技术,提出在复合绝缘子芯柱内构建功率光纤通道,从线路本体抽取电能后,驱动高压侧的固体激光器产生的高功率激光,耦合至传能光纤传输至铁塔侧,然后采用光电能量转换器(PPC光电池),将激光转换为电能。实现从输电线路本体取能,并传递至铁塔侧,为安装在铁塔上的微气象、铁塔倾斜监测、视频监拍等监控模块供电。

本文基于上述供能方式,研制了输电线路监测系统,可实现高压输电线路铁塔倾斜监测、铁塔微气象监测和视频监拍功能。

1 装置工作原理

1.1 系统设计

为解决输电线路复杂电磁环境下,弱电设备工作稳定性问题,本文提出将功率光纤与复合绝缘子进行结构融合,功率光纤布置在复合绝缘子芯柱内,与绝缘子芯柱同步生产一次成型,确保绝缘子的机械和绝缘性能和传能光纤的稳定性,将本系统中的弱电设备,如单片机芯片、固体激光器等元器件布置在复合绝缘子两侧的均压环内,由均压环形成电磁屏蔽效应,确保弱电系统在复杂电磁环境下的稳定性,设计结构如图1所示。

图1 基于光纤传能的线路监测终端结构

基于光纤传能技术的线路监测终端,由供电模块、监测模块、控制信息模块3个组成[910]。其解决了现有设备监测功能单一、供电可靠性低、智能化程度低、信号传输不稳定等问题。实现了铁塔上的倾斜监测、微气象监测和视频监拍功能的一体化布置和采集传输系统的统一。

1.2 供电模块

供电模块由取能电流互感器、整流稳压模块、固体激光器、传能光纤、光电能量转换器(PPC光电池)、MPPT充电管理模块、锂电池等构成,实现从输电线路本体取能,并通过内置于复合绝缘子芯柱内的光纤传递至铁塔侧。

通过安装在高压线路本体上的开口电流互感器,从线路上获得稳定的交流电能,进行整流稳压后输出稳定直流,驱动安装在复合绝缘子线路侧均压环内的固体激光器,将电能转化为激光光能,激光光能经过传能光纤传输至铁塔侧,再通过安装在低压侧均压环内的光电能量转换器(PPC光电池),将光能转化为电能,由MPPT充电管理模块始终跟踪光电池最大输出功率点,进行储能,并为铁塔侧的传感和控制模块供电[11-12]。

1.3 监测模块

监测模块主要是安装在铁塔侧的温湿度、气压风速等微气象监测模块、铁塔倾斜监测模块以及视频监拍模块,上述监测模块通过I2C、UART数字接口与均压环内的STM32单片机进行控制信号和数据信息的传递。监测模块部分可根据输电线路场景需求进行定制和扩展。

1.4 控制信息模块

控制信息模块是由STM32单片机及单片机外围电路、4G通信模块,光电信息转换模块等部分组成,控制信息模块可向监测模块下发指令、采集汇总监测模块数据,并对监测数据进行初步分析、筛选、加密等操作。进而降低数据传输带宽,减轻海量数据上传物联网云系统后的系统负担,同时保护隐私数据,降低终端敏感数据隐私泄露的风险。

2 装置整体设计

2.1 装置硬件设计

综合考虑性能、体积、能耗等指标,本文以STM32微处理器为控制核心,设计了监测终端。终端主要包括STM32微处理器(芯片为STM32F103C8T6)及其外围电路,4G DTU发送电路(Core-Air724);LD825-A激 光 器、LPC-6P光电能量转换器、62.5 um传能光纤(武汉凹伟能源科技公司),LD压控恒流模块,MPPT充电管理模块、锂电池;光电信息收发一体模块,铁塔倾斜监测模块(ADXL345)、铁塔微气象、视频监拍,以及整流、稳压模块等附属电路元器件[6]。

STM32F103C8T6的供电电压为2.0~3.6 V,最高工作频率可达72 MHz,I/O端口可以配置成输出(推挽或开漏)、输入或复用的外设功能端口,自带3个USART端口、2个IIC端口,完全满足该改造装置的通信接口及计算能力需求。STM32的外围电路包括电源电路、复位电路、以石英晶振为核心的时钟回路、CH340G下载回路。

Core-Air724是基于上海合宙Air724通信模组开发的4G通信核心板,供电电压5~16 V,支持TTL UART通信,支持TCP/UDP/MQTT/阿里云/时采集等功能,实现透传功能。

LD825-A激 光 器、LPC-6P光电能量转换器(PPC光电池)、62.5 um传能光纤三部分组成了激光供能系统,由武汉凹伟能源科技公司研制,该系统电能传输效率可达到55%,最大传输功率接近1.5 W。系统结构如图2所示。

图2 激光供能系统实物

LD825-A固体激光器输出激光中心波长在905 nm附近,光谱宽度4.0 nm。最大工作电流3 A,输出光功率最大可达2.8 W。

PPC光电池可将输入的特定波长的激光能量转换成电能提供给负载使用,从而实现高电压、强电磁干扰等环境下,非电接触式的供电。本文采用的LPC-6P光电池对900~980 nm波长敏感,最大输入光功率5 W,开路电压6.65 V,转换效率大约为50%,且其耦合的光纤为62.5/115 μm的多模光纤。因此,所采用光纤为多模光纤,内径为62.5/115μm,NA为0.28。

LD压控恒流模块为深圳艾克思科技公司研制的固体激光器驱动电源,可实现在6~33 V直流电压下,输出0~5 A的恒定电流,支持电压控制和TTL触发,工作效率约90%。本文将LD压控恒流模块输出电流控制在1.5 A,并设置了缓启动电路如图3所示,避免启动时的浪涌击穿固体激光器[6]。

图3 缓启动电路

MPPT充电管理模块以CN3791芯片为核心,匹配输入电压6 V,输出充电电压4.2 V,最大充电电流1 A,其能够跟踪光电池的最大功率点,确保在光强度发生变化时,光电池始终输出最大功率。

单模单纤光收发一体模块为低速通信的工业控制光电信息转换模块,可实现串口信息透传。供电电压5 V,工作波长1 310 nmFP和1 550 nm FP,兼容TTL、CMOS电平,可实现输电线路本体和输电铁塔之间的通信。

取能电流互感器为开口式电流互感器,采用传统的导线电流互感器取能方式,在导线本体电流200 A时,最大取能功率可达100 W[4]。

所用蓄电池为额定电压3.7 V,充电电压为4.2 V锂电池。

杆塔倾斜传感器采用三轴加速度传感器ADXL345,ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计,分辨率高(13位),测量范围达±16 g。数字输出数据为16位二进制补码格式,可通过SPI或I2C数字接口访问,可输出TTL检测电平和或者模拟信号输出。通过测量静态重力加速度实现铁塔倾斜监测。

杆塔微气象模块由温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器组成,通过UART TTL串口与单片机通信。

视频监拍装置,工作功率＜2 W,像素数≥800万像素,可通过定时启动的方式节约电量。

装置整体结构如图4所示。

2.2 装置程序设计

输电线路智能监测终端包含的各监测传感器信息通过STM32微处理器进行信号处理、加密、编码后,由4G DTU模块以AT编码方式通过公网发送至互联网云端服务器,由云端服务器进行数据处理和进一步分析、展示,实现各类监测信息的汇总和统一监测。

STM32微处理器的程序主要采用Keil5软件编写,主要程序包括系统时钟、串行接口的初始化,传感器模块初始化设置、DTU模块初始化设置,轮询传感器模块数据、数据处理、数据加密的定义,供电信息监测子程序、光电信息转换模块通信子程序、数据处理子程序、DTU模块控制子程序等构成,如图5所示。

图4 输电线路智能监测终端结构

图5 STM32程序流程示意

3 现场测试

因本项目未制作浇筑一体成型的复合光纤绝缘子,仅利用3D打印技术制作了复合光纤绝缘子模型,及相关传感器配件,如图6所示,因此对装置功能进行了实验室和现场验证。

图6 输电线路监控终端

在试验室内利用电流发生器输出100 A交流电流,模拟输电线路一次导体,并从中获取电能,为装置整体供能。

电流互感器在线取能技术已经较为成熟[4-5],市场上同类产品也较多,且输出功率较本系统“电-光-电”能量转换部分大很多。因此本项目选取输出直流电压为12 V的取能电流互感器。并通过控制压控恒流源的电压,调整固体激光器驱动电流,获得不同参数下本系统的工作状态。通过测量取能电流互感器输出功率,和MPPT充电管理模块的输入功率,评估本系统整体取能效率,试验时环境温度25℃,并默认MPPT充电管理模块工作始终处于在最大取能功率状态,测试结果见表1所示。

表1 供电系统现场测试结果

通过现场测量,从取能电流互感器到整流稳压,在经过“电-光-电”的能量转换,最后存储到锂电池中,本取能系统整体工作效率在25%左右。采用单一模块,可向外输出0.45 W的稳定功率,采用锂电池储能后,瞬时输出功率可超过5 W,供低压侧STM32单片机和监控模块等部分供电,如采用多路光纤并用,或者较大功率光电能量传输系统,供电能力和输出功率可成倍提升。

将该装置放置于室外现场,通过PC机检测到铁塔倾斜及微气象信息如表2。

表2 某35 kV线路铁塔测量数据

在现场进行功能性验证显示,本装置终端PC机接收数据与现场测量数据基本一致,装置编译、传输正确率100%。

4 结论

本文研制了基于光纤传能技术的输电线路监测终端,以电流互感器取能方式从线路本体取能后,通过复合绝缘子内构建的光纤通道,以“电-光-电”的方式将能量和信息从输电线路传输至铁塔上,在铁塔端以STM32处理器为核心搭建了监测终端,实现线路覆冰舞动、铁塔微气象、铁塔倾斜监测、视频监拍等实时监控功能。在“智慧输电线路”的建设推进中,提出的监测终端可依据不同输电线路场景进行模块化功能扩展,提出的供电方式为“智慧输电线路”建设中的供能问题提供了一种新的解决方案。