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摘要：架空输电线路覆冰是影响供电安全的重要因素，我国是冰灾事故频发的国家，线路冰灾事故居世界前列。针对架空输电线路覆冰问题，进行了输电线路覆冰检测预警装置，构建了温湿度检测模块、风速风向检测模块、通信模块、微控制器、供电模块、摄像头模块、GSM短信模块、语音报警模块集一体的架空输电线路覆冰检测预警装置。该系统能够实现架空输电线路实时监测与自动维护，对于减轻巡视人员的劳动强度，提高线路安全运行水平有重要意义。
关键词：架空输电线路；覆冰检测；传感器；预警
1引言
输电线路覆冰会导致导线断线、舞动、杆塔倾倒、绝缘子断裂和闪络等危害，严重影响电力系统的安全运行。我国是发生输电线路覆冰事故较多的国家之一，发生覆冰的概率位居世界前列[1-3]。目前，我国在覆冰监测系统的实际应用比较广泛，理论研究也在不断进步。针对架空输电线路覆冰检测问题，近年来，电力系统为了防止发生冰害事故，常用的防冰、除冰技术有：1、设计输电线路时尽量避开重冰区；2、在导线上涂憎水性的涂料来减少覆冰量，降低冰与积覆物体表面的附着力，使冻雨或雪等在冻结或粘接到导线之前就可在自然力，如风或导线摆动时的力的作用下即能滑落；3、利用热力除冰，即利用导线自身热源或附加热源加热，使附着在导线上的冰雪融化，如利用短路电流融化导线覆冰或利用缠绕在导线周围的低居里磁线产生的热量来达到防冰和除冰的目的；4、机械除冰，即利用机械外力手动或自动强制使导线上的覆冰脱落，如现有的滑落铲刮除冰法以及通过外部振动器使覆冰导线振动以达到除冰目的的强力振动法等。
现有的防冰、除冰方法虽然多种多样，但普遍能耗大、安全性低，到目前为止，尚无一成熟、有效而经济的方法应用于工程实践。而且，最主要的一个问题就是，当输电线路覆冰时，何时进行除冰操作是一个最重要的问题。要解决此问题，就要求电力工作人员能动态地、实时地、准确地掌握输电线路的覆冰情况。传统的方法是在重覆冰区域设置观测哨所或设置更先进的覆冰气象观测站，通过测量实际运行导线的覆冰厚度或是测量站内模拟导线的覆冰厚度来为电力运行部门决策提供依据。但是该方法主要缺点就是成本太高，危险性大。同时，直接测量运行导线的覆冰难度非常大，而且测量的数据也不具有代表性。因此，架空输电线路覆冰的在线检测预警就显得尤为重要。
2系统组成
整个装置由检测系统、无线Zigbee系统、微控制器以及供电系统组成。利用温湿度传感器、三维超声波风速风向传感器对输电线路塔线进行实时监测，从而获得环境的温度和湿度、风速以及风向信息，同时通过红外摄像头摄取现场覆冰图像，将获取的环境信息，以及覆冰信息经过无线ZigBee技术输送给检测终端，覆冰检测终端通过内部微控制器对所有检测到的信息进行汇总，储存并且通过内部软件初步计算后由GSM通信模块通过无线通信方式传送给微处理器系统中心，系统中心经过内置软件分析之后就会得出输电线路的覆冰情况，之后通过手机发送短信的方式通知相关工作人员对输电线路覆冰情况进行处理，维护输电线路运行安全。整个系统总体结构图如图1所示：
图1系统总体结构图
2.1主控芯片
本文中选择CC2530作为主控芯片。CC2530芯片的集成度很高，外围电路只要连接少量的电阻、电容和电感等元件及晶振就可以正常工作。温湿度传感器和三维超声波风速风向传感器的输出经过放大调理得到的数字信号SOUT与CC2530的端口P0.6和P0.7相连，端口P1_1和P1_0分别连接LED指示灯D1、D2，用于指示系统的工作状态。
2.2温湿度传感器
本文中选择温湿度传感器型号为DHT11用来检测环境温湿度，该温湿度传感器具有品质良好、响应超快、抗干扰能力强、性价比高等优点，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。图2为温湿度检测模块电路图。该模块是用若干个DHT11温湿度传感器检测绿地的温度然后取平均。电路简单，由DHT11温湿度传感器U2，电阻R2，电容C4组成。R2是上拉电阻，这里取阻值4.7K。电容C4加在VCC与DQ端口之间，起滤波作用。
图2温湿度检测模块电路图
2.3风速风向传感器
本文中选择CSAT3三维超声波风速风向传感器进行风速风向检测，该传感器采用声光脉冲测量模式，可以抵御恶劣天气环境的影响。仪器测量三个正交风（Ux，Uy，Uz），声速（C），最大输出频率为60Hz。该传感器可以提供模拟输出和两种类型的数字输出。图3为超声波风速风向传感器的超声波收发一体电路。它包括信号驱动电路、发射线路以及接收电路。发射超声波信号时，LC谐振电路驱动超声波探头振动，同时由系统单片机CC2530输出超声波换能器所需的70kHz方波信号，然后经三极管反相后通过超声波信号发射探头发出超声波信号；接收超声波时，系统通过单片机控制选通代表其他探头的通道，作为超声波接收电路。
图3超声波风速风向传感器的超声波收发一体电路
2.4GSM模块
本文中的通信单元有GSM芯片组成，通信单元安装在杆塔上，并且与微处理器相连接，能够与远程系统中心进行数据通信。通信单元通过RS485总线与微处理器连接，用于和外部系统通讯，向外部系统发出各种报警信息。采用无线通信方式实现监测终端与远程系统中心的数据通信。图4为GSM模块电路。所采用的GSM模块为西门子公司研发的TC53i模块。TC53i模块结构紧凑。操作很方便，可以安全可靠地实现数据传输、语音传输和短信息服务。TC53i模块内部把基带电路和射频集成在一起，支持AT命令的指令集。TC53i模块共有40个引脚，通过ZIF连接器引出去。TC53i模块提供了标注的UART串行通信接口，所以，CC2530可以以串口通信的方式非常方便的与GSM相连。
图4GSM模块的接口电路
2.5Zigbee无线模块
本文中检测模块和检测终端之间的传输是利用无线ZigBee技术来实现。图5为具体的串口通信模块电路。选用CC2530的USART0接口使其工作在UART异步通信模式，本文采用MAX232实现电平转换。最简单的串口通信使用3根线完成：（1）接收，（2）发送，（3）地线，分别对应串口（DB9）的第2，3，5引脚。本系统电路中仅使用了三根线用于串口通信。
图5串口通信模块
2.6电源模块
本文中的电源供电采用太阳能蓄电池集中供电，太阳能蓄电池集中供电部分安装在杆塔上。另外本实用新型专利中所述的温湿度传感器和三维超声波风速风向传感器均安装在经常发生覆冰严重的架空输电线路上面的横担上。系统中需要稳压电源供电的主要有单片机CC2530、温湿度传感器、三维超声波风速风向传感器。由于单片机CC2530、温湿度传感器、三维超声波风速风向传感器等需要5V的直流电源供电。故采用稳压芯片LM2596-5P，输入为+12V的直流电压，得到5V电源。图6为直流稳压电源模块电路原理图。
图6稳压电源电路图
2.7摄像头
本文中使用的摄像头为SAT系列，该红外摄像头采用多晶硅材料制备的单片机电阻型微测辐射热计技术，具有76800个探测器单元同时测量全画面中76800个像素点的温度数据，并把温度分布图像转化为标准视频信号显示在监视器上。摄像头安装在塔线上，并且与系统中的微处理器连接。图7为摄像头开关电路原理图。开关模块主要由继电器驱动器ULN2803和继电器组成，用其驱动5V继电器，ULN2803输出端直接接继电器线圈一端，继电器线圈的另一端接+5V电源，ULN2803的输入端直接和单片机I/O口相连，单片机输出高电平时就可驱动继电器动作，进而驱动红外摄像头的启动。
图7为摄像头开关电路原理图
3架空输电线路覆冰检测预警装置系统特点及改进
架空输电线路覆冰检测预警装置系统技术特点：准确、详实记录现场覆冰过程，提供预警功能，能够提前通知工作人员及时进行预防，可减少覆冰人工观测人员驻守时间，降低现场工作人员的劳动强度。
存在的主要问题：稳定性有待提高，电源供电可靠性有待改进；夜间监测不能完全实现。在长期运行期间由于不同环境气候的复杂性将导致正确率下降，因此下一步将重点对现场监测样本的数据进行更深入研究，从而提高架空输电线路覆冰监测正确率。
改进：进一步提高装置的可靠性，使之能在24小时全方位实现输电线路覆冰检测预警，即使在面对严重冰灾或恶劣条件下也能实现在线检测。
4结论
本文通过温湿度传感器和风速风向传感器自动监测输电线路杆塔运行状况，并且通过红外摄像头对现场覆冰情况进行拍照，并且将温度、湿度、风速、风向以及现场覆冰图片信息通过ZigBee技术传输给检测终端，并且经过内置软件初步统计分析由GSM模块通过无线通信发送给系统中心，经过系统中心分析之判断后并以短信形式发送给相关工作人员，实现对输电线路塔线全方位保护。而且满足了智能化、现代化电网的管理要求。其社会效益巨大。
参考文献：
[1]张予.架空输电线路导线覆冰在线监测系统[J].高电压技术，2008，34（9）：1992-1995
[2]李宏男，李雪，李钢等.覆冰输电塔一线体系风致动力响应分析[J].防震减灾工程学报，2008，28（2）：127-134
[3]候慧，尹项根，游大海等.从2008年南方地区雪灾看电力系统设备缺陷[J].高电压技术，2009，35（3）：584-590
作者简介：
陈亮，男，大学专科，电气工程及自动化专业，研究方向为输电线路研究。朱曙辉，男，大学本科，电力系统及其自动化专业，研究方向为输电线路运维。