输电线路微气象无线监测终端设计

【摘要】实时监测输电网络微气象信息的微气象监测系统是一种性价比高的设备，其保证了电网的安全运行。输电线路微气象信息监测终端具有体积小、续航能力强、易于操作维护、可靠性高等特点，可以对于特定的输电线路环境进行实时监测，使电网工作人员在灾害发生前做出预防措施。在设计中，监控终端的微气象监测系统的微控制单元由STM系列芯片作为中央处理单元的主控芯片。

【关键词】微气象;微控制单元;监测终端;GPRS

1.引言

现在的电网结构日益复杂，传输网络的规模越来越大，恶劣的天气条件也增加了电网安全运行的所受威胁。构成电力体系的基础器件是电气装置，是保证供电可靠性的根本。传输线路具有长距离，分散广、难以巡逻，各地区情况差异性大等特征，对输电线路安全运行的隐患是来自各个方面的，输电线路安全运行的影响最重要的方面是微气候的变化不可预知。因此，如果电力部门能准确的监测这些数据，就可以及时做好有关预防措施，消除安全隐患。但传统的日常维护需要停止电力供给，这将直接或间接地造成巨大的经济损失，并在运行时如热应力等因素的影响，它将无法发现潜在的故障。在线的实时微气象无线监测系统就可以避免上述影响，可以带来显著经济效应。

微气象监测系统是利用分布广泛的各类传感器将复杂环境中的各种微气象信息采集，然后通过虚拟局域网方式传输到信息处理中心，对收集到的数据集中进行存储、统计和分析，将数据通过曲线、报表、统计图等方式直观的显示，电网工作人员就可以做出预防措施提前维护，预防灾害发生。

2.硬件设计

如图1所示，输电线路微气象无线监测终端包含供电模块，微处理器模块，传感器模块，调理电路，无线通信模块，人机交互模块等构成。主要完成温度、湿度、风速、风向等信息的采集及传输。

图1 监测终端的硬件结构图

2.1 电源管理电路设计

电源管理电路采用宽电压范围的设计理念，输入电压范围为2.5V-35V，适合野外环境使用，电源的供电可靠性高。此外，电源管理模块能够提供5V/2A和3.3V/1A的电源。

2.2 调理电路设计

各传感器输出信号很弱，环境噪声强，随后的模块很难进行检测，信号的频率成分非常复杂，所以我们需要从不同的传感器输出信号进行有针对性的调理，来达到后续模块的采集要求。

整个电路由电流和电压的稳压电路，放大电路，滤波电路，遵循和限流电路，减法和逆变电路构成。

图3 调理电路结构图

2.3 STM32最小系统设计

考虑到经济成本的因数，微气象无线监控系统的主控芯片的选取上，使用stm32f103c8来进行信息处理和控制。该主控芯片信号的处理功能效率高，再加上廉价的且功耗小的Cortex-M处理器，很大程度提升了芯片的综合性能，STM32系列提供了完整高效的开发工具及库函数，使我们更易于使用[1-2]。

对于STM32F103xx，内部总线和两个APB总线的作用，系统及芯片的资源是紧密相连的，内部总线是主要的系统总线，连接到CPU，存储器，和系统时钟。

2.4 传感器

温度、湿度、风速和风向等气象参数是本系统重点监测的微气象信息，将采集到的各种气象参数及其变化状况通过GPRS网络（虚拟局域网方式）传送到监控中心的专家分析系统中。

输电电路上，温度的微气象信息是根据二极管结电压法进行测量的。晶体二极管PN结的结电压随温度变化而变化，温度传感器根据这个原理制作。在PN结上，温度变化引起电压的变化，再传递给放大器，处理过后的电压的信息在DVM显示温度信息。像硅管的PN结的结电压当温度每向上变化1℃时，降低2mV，通过这类性质，通常能够直接选用二极管来制作PN结温度传感器[3]。线性的很好，占用空间小，热时间常数为0.2―2秒，极高的灵敏度是这类传感器的特征。二极管的伏安特性如图4所示。

二极管两端电压为：uD=（k*T/q）*In（iD/IS）

式中，Is是反向饱和电流，其约为10pA （硅材料）;q是一个原电荷所带电量，q=1.6* 10的-9次方库伦;k是boerciman常数，k=1.38*10的-23次方J/K;T为绝对温度。

输电电路上微气象中的湿度的测量是利用电容式的湿敏电阻进行测量的。电阻式和电容式是两类湿敏器件。用聚合物薄膜电容做成湿敏电容，聚合物材料常用的是聚苯乙烯和酪酸醋酸纤维等。湿敏电容的介电常数，根据环境湿度变化而变化，其电容变化依据湿度的变化。湿度传感器用HS1101聚合物湿敏电容制成，湿度的变化转变为脉冲响应，之后通过整流电路，集成电路和放大电路将被转换为0-3V的直流脉冲信号[5]。再通过变送器芯片把接收的直流脉冲的0-3V信号进行处理，变成4-20mA的电流信号发出。

风的速度和方向的信息监测是根据超声波原理。超声波在空气中，空气流动传播方向变化，超声波的速度随之变化，这样就可以依此来监测风速和风向的信息。

气压的信息采集是通过气压传感器进行的，感应气压强度的薄膜及顶针的控制是这类传感器的重要元件，它是连接了一个灵活的电阻。在压力升高时测量气体或气体压力降低时，其膜变形并驱动顶针，和电阻值会发生变化。从传感元件获得的信号电压0-5V，A/D转换的数据采集装置接收数据，而后发送适当方式的信息到终端处理器。

3.终端测试结果

温度测试结果如图6所示，在2013年5月31天的温度信息呈现出上升的趋势，符合气象学原理。

图6 温度曲线

在通信中丢包率测试，传输1000次数据，设定不同的“定时发射距离”，不一样的丢包数，如表1所示。从表中我们可以看到，传输时间短，导致提高了数据包丢失率。因此，在程序中设置发送正确的频率是非常必要的。

表1 丢包率测试

发送时间间隔 发送的次数 收到的次数 丢包率

50ms 1000 985 1.5%

100ms 1000 999 0.1%

200ms 1000 1000 0

4.结语

输电线路的损坏绝大多数是因为环境中各种微气象因数引起的绝缘劣化等导致，多数的输电线路都位于偏远的山区，局部微气象信息差异较大，一般都很难做到及时发现输电线路中存在的威胁。大范围人力巡视的效率低，且在恶劣的环境下，工作人员的生命安全得不到保证，人力的费用开支也很大，又不能及时发现输电线路中存在的问题。严重影响安全生产和生活的发展，特别是在部分重覆冰区如贵州一些地方经常因结冰引起输电线路故障。同时在一些平原地区也会出现微气象造成的线路损坏。原来的的监测系统硬件开发周期长，实施和中途维护的成本高，很难得到广泛应用。而以前的定期检修造成的直接和间接经济损失大，结合目前的实际经济情况及科学技术，本文提出了一套能够适应复杂的环境，可以广泛推广且经济实用的微气象信息的无线监测系统。微气象数据信息系统的气象数据对输电线路的的维护提供依据，根据各种自然灾害的预报系统，电网工作人员可以在事故发生前及时赶到现场，进行维护或抢修，提出改进措施。本系统的微控制单元采用传输数据更加灵活的、更加稳定和快速的STM32单片机系统。STM32单片机拥有集成度高、很好的稳定性和经济实用等特点。这样使本系统在无线监控电网的线路微气象信息过程中能做到更加实时和工作的稳定。

于其他监测系统，本系统的特点有：

（1）本系统能够积累输电线路微气象信息的历史数据，为输电线路的架设提供气象参考数据;

（2）本系统的前端数据采集设备采用“太阳能+蓄电池”的供电方式，保证前端设备长期可靠运行;

（3）微气象主站监测软件为用户提供友好的上位机界面，使用户随时获取任意采集点的微气象信息;

（4）微气象主站监测软件可以用曲线图的方式直观地显示某采集点最近一段时间的微气象变化。

本系统还没有在实际环境中进行工作监测，故它的可行性还有待论证，还需要通过大量的实验来进行检测。同时还有许多地方需要完善，整个设备的集成度还可以更高，设备的组装还能设计的更为精简，减小体积来适应更多的监测环境。

参考文献

[1]意法半导体STM32系列STM32F103微控制器[J].今日电子，2008（2）：61-62.

[2]喻金钱，喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器开发与应用[M].清华大学出版社，2011.

[3]张金毅，胡宪武.二极管温度传感器设计[J].长春邮电学院学报，1992（1）.

[4]张跃常.常用模块与系统综合设计[M].电子工业出版社，2010.

[5]刘曙光，孙兴丽，张青.基于HS1101的湿度传感器及其变送器的设计[J].仪器仪表学报，2008.4，29（4）.

作者简介：周植宇（1991―），男，湖北黄冈人，现就读于武汉科技大学。