陆剑峰
内蒙古电力（集团）有限责任公司乌兰察布电业局 内蒙古自治区乌兰察布 012000
摘要：覆冰是一种由气象条件产生的物理现象。冷暖气流相遇时容易产生逆温现象，并且暖空气势力较强，云层中的冰晶在下落时，遇到暖空气转换成液态水，下降到近地面时，由于时间较短，水滴来不及冻结成雪或冰，造成覆冰。远距离输电系统中，输电线容易受特定的温湿度及天气状况影响，在导体表面形成覆冰，轻则会出现停电状态，重则会出现输电铁塔倒伏、线路断线等严重事故，并危及人身安全。现有的覆冰检测技术存在着一定缺点。文章提出了基于称重传感器检测输电线路重量的方法检测线路覆冰情况，具有检测方便、与高电压隔离、测量判断准确、耗电量少的优点，下文将进行论述。
关键词：输电系统；覆冰；线路检测
1概述
输电线路覆冰后，由于导线重量的增加，导线弧垂加大，与大地距离缩短，安全距离减小，除易造成线路对地绝缘水平下降外，对输电线路下的人员安全也造成了潜在危害；过重的覆冰导线对铁塔上的绝缘子串影响很大，容易发生绝缘子串断裂，产生停电事故；覆冰导线拉力的不均匀也使输电铁塔易发生倾覆事故。因此对覆冰状态信息的及时检测对于特定气象条件下输电系统的正常运行至关重要。
输电线路覆冰有多种成因，主要是由于在低温条件下，高湿度的流动空气、冻雨等形成。通常情况下，大气温度接近或者低于0℃，伴有降水并且被冻结在温度接近或者低于0℃时就会使输电线路产生覆冰。
传统的测量线路覆冰状况的方法也有多种：光学测量法、微波测量法、超声测量；微波测量方法和超声波测量方法在现场应用时存在耗电大、设备复杂的问题，高压输电现场往往在野外，电源获取不便，使微波测量法和超声波测量法的应用受到很大限制。
本文提出了一种基于称重传感器架空杆塔顶端绝缘子串连接铁塔横担处，做成绝缘子串形状，与绝缘子串串起来使用，与高压线隔离。高压线路重量作用于称重传感器上，电阻信号传输到测量装置。出于设备安全和绝缘的考虑，测量装置不可能由杆塔下部的电源进行供电。而且输电线路多处于野外，杆塔底部也没有电源可供给设备使用。在这种状态下，风能和太阳能就成为提供可靠能源的唯一途径。风能和太阳能不能大量储存，必须配备一定容量的蓄电池才能保证设备正常工作。设备耗电较大时，需要的光伏电池板和配套蓄电池体积重量都要大很多。本文在设计中解决了测量设备的功耗问题，使需要的光伏电池板、配套蓄电池重量大大减轻，降低了安装人员的负担。
2系统硬件实现
该装置由称重传感器及测量仪器构成，通过无线通信与状态监测代理进行通信。
系统由光伏电池板对蓄电池充电，蓄电池电能经变换后供单片机和传感器使用。为最大限度地利用光伏电池板的发电能力，采用最大功率跟踪技术对蓄电池进行充电。最大功率跟踪控制器采用上海如韵电子公司的CN3722集成电路，其含有使光伏电池板按近似最大功率点电压工作的特性。由于CN3722不能对常用的铅酸蓄电池进行充电，因此在最大功率跟踪充电器控制电路中另外增加一个充电判断控制电路，与CN3722结合实现对铅酸蓄电池的充电工作。
称重传感器与测量部分距离不大，不需要进行长线补偿，使用四线制测量方式即可。单片机控制信号调理电路为称重传感器供给电源。覆冰使输电线重量变化的过程非常缓慢，在系统中每10分钟进行一次测量，其余时间单片机使通向称重传感器的电源通道关闭，从而大幅度节省现场宝贵的光伏转换电能。与作为计量使用的设备不同，在本系统中称重数据不需要太高的精度和分辨率，因此不使用常用的双积分或三积分转换器。称重传感器输出的电桥差分电压信号经阻抗变换和放大后，直接接入单片机自身的模数转换器进行转换。同时，也因不需要太高的精度，信号调理电路中不需要使用高精度的合金膜电阻器和聚丙烯电容，而用普通金属膜电阻器和独石电容设计电路。
单片机通过2.4G无线通讯芯片NRF24L01与状态监测代理CMA联系，将测量得到的称重数据传输到状态监测代理。测量参数并非变化很快的数据，因而采用定时测量的方式，单片机系统大部分时间处于休眠状态，以最大限度节省电力。NRF24L01消耗功率约为几个兆瓦，近似可以忽略不计。系统的耗电实测可达100MW以下，可采用5W的光伏电池板、5Ah的蓄电池，装置体积重量均大大减小，实现装置便携安装，也有利于不同传感器之间的隔离。
单片机系统中的非易失存储器用于保存称重传感器测量校准数据、地址编码等信息。CMA是安装于线路杆塔上，用于收集线路上各类传感器采集的状态监测数据，集中与主站系统的CAG进行标准化数据通信的设备，与传统的“集中器”和“监测基站”相比，CMA具有智能化数据加工和处理的功能。
状态监测代理CMA安装于杆塔下部靠近地面的位置，安装空间较大。采用50W的光伏电池板和65Ah的蓄电池为其供电，内部集成GPRS模块，保证24小时不间断地和主站进行通讯。
主站通过网络，以VPN方式通过移动公司与现场的状态监测代理进行通讯，进而与测量装置进行通讯，获取输电线路重量数据。
3系统软件实现
软件主要包括称重传感器测量软件、无线数据传输软件。单片机主要通过定时中断方式工作。由于数据实时性不强，每10分钟测量一次数据，启动模数转换器，得到重量数据。单片机在每次进入休眠状态前关掉称重传感器电源，每10分钟通过定时中断被唤醒后接通称重传感器电源，延时一段时间后进行测量。平时无线模块处于接收状态，单片机处于休眠状态且可在无线模块接收到数据后被唤醒。待机状态下系统功耗可在0.05W以下，从而大大降低了对供电装置的要求。单片机软件中含有校准程序，可以在现场通过无线模块接收指令进行校准。
4测试结果
经实际测试，在现场校准后，称重传感器测量装置可以可靠检测输电线重量，精度可达满量程的2%以内，满足实际测量覆冰状态的要求。
实测短距无线通讯模块可靠通讯距离为100米左右。杆塔高度一般不超过60米，状态监测代理安装于杆塔下部，满足通讯条件，通讯成功率可达98%以上。在软件中设计了通讯不成功重发机制，通讯成功率提高到100%。
实测系统耗电在0.05W以下，使用5W光伏电池板和5AH的蓄电池即可保证长期可靠工作。称重传感器装置小，重量轻，便于安装于杆塔上。实测状态监测代理耗电低于2.5W，可以在40W光伏电池板和65AH铅酸蓄电池配置下长期稳定工作，与称重传感器测量装置的通讯成功率达到100%。
结语：
采用输电线路状态监测代理作为中间通讯环节，安装于高压杆塔上的称重传感器测量装置采用低功耗短距无线通讯模块与状态监测代理进行通讯，这种组合方案大大降低了杆上装置的耗电量、体积和重量，为输电线路覆冰状态信息实时监测的实施扫清了技术障碍，可广泛应用于输电线路的覆冰监测，及时发现输电线路隐患，避免停电事故的发生。
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