高壓線塔是電力部門(mén)輸電線路的重要組成部分。由于我國(guó)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，受地形與線路的制約，部分輸電塔不可避免地要建立在陡峭的山體自然邊坡區(qū)域。與此同時(shí)，由于桿塔本身受到的風(fēng)、雪、覆冰等破壞作用，導(dǎo)致塔基周圍地質(zhì)長(zhǎng)期受雨水浸泡對(duì)高壓線塔塔基的穩(wěn)定性造成了極大的威脅。目前我國(guó)除了青藏線等高海拔地區(qū)的部分線路之外，其他多數(shù)電力線路均未進(jìn)行塔基的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。而僅依靠常規(guī)的人工巡檢，既消耗了大量的人力成本，又無(wú)法保證及時(shí)準(zhǔn)確地掌握野外偏遠(yuǎn)山區(qū)輸電塔的塔基失穩(wěn)情況。因此，迫切需要建立遠(yuǎn)程無(wú)人值守的高壓線塔塔基穩(wěn)定性無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以預(yù)防和減少事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)的安全性。本文針對(duì)多個(gè)建立在山體自然邊坡的高壓塔,通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)塔基邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)[1]，并將巖土形變數(shù)據(jù)及時(shí)快速上報(bào)至監(jiān)控中心，為電力部門(mén)進(jìn)行安全維護(hù)決策以及建立后續(xù)的塔基穩(wěn)定性專家預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供依據(jù)。
1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)
    監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的上位機(jī)服務(wù)器組成?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端主要包括傾斜傳感器、主控制板、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、供電系統(tǒng)4部分?？紤]到輸電塔邊坡崩滑速度較慢、對(duì)測(cè)量精度要求較高等特點(diǎn)，本文采用國(guó)內(nèi)外較為通用的鉆孔傾斜法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土的多層次實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。將多個(gè)傾斜傳感器埋入不同深度的巖土中，當(dāng)巖土產(chǎn)生形變時(shí)，傳感器能夠?qū)⑤S線與鉛垂線之間的夾角變量通過(guò)RS-485總線傳送給架設(shè)在高壓線塔上及以MSP430單片機(jī)為核心的主控制板上，控制板收到信息后加以簡(jiǎn)單處理，并通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心的上位機(jī)服務(wù)器。由于野外供電不便以及電氣隔離安全要求的限制，整套系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池板與大容量蓄電池組成的供電系統(tǒng)提供電源。上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用B/S與C/S相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理和預(yù)警[2]。系統(tǒng)的總體工作流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以MSP430G2553微處理器為核心,將RS-485通信技術(shù)與GPRS無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合[3]，利用傾斜度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土體深度形變的持續(xù)測(cè)量與定位。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    為了提高測(cè)量精度，系統(tǒng)選用高精度硅微式傾斜度傳感器，該傳感器基于先進(jìn)的MEMS制造技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、溫漂極小等特點(diǎn)，測(cè)量范圍為±15°，分辨率可達(dá)0.001°。5路傳感器作為從機(jī)，通過(guò)RS-485串行通信接口與數(shù)據(jù)采集模塊組建簡(jiǎn)單高效的通信網(wǎng)絡(luò),通過(guò)帶隔離的增強(qiáng)型RS-485收發(fā)器ADM2483芯片連接到作為主機(jī)的單片機(jī)UART串口上,邏輯端采用3.3 V供電，總線端采用DC-DC電源模塊B0505為其提供5 V的隔離電源。ADM2483基于先進(jìn)的iCoupler磁隔離技術(shù)，省去了外部影響轉(zhuǎn)換效率的光隔離器件，且具有熱關(guān)斷和失效保護(hù)功能，可以實(shí)現(xiàn)真正可靠的半雙工通信。硬件電路如圖3所示。

    單片機(jī)模塊采用TI公司最新推出的超低功耗、高性能的16位MSP430G2系列單片機(jī)MSP430G2553,該單片機(jī)具有16位精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)和62.5 ns指令周期時(shí)間，可以在不到1 μs的時(shí)間里從待機(jī)模式超快速地喚醒。MSP430G2553工作在1.8 V~3.6 V的低電壓范圍，且具有5種低功耗運(yùn)行模式，超低功耗的工作特性極大提高了光伏供電系統(tǒng)在陰雨天氣的續(xù)航能力。單片機(jī)作為前端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制核心，主要作用是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集與處理、存儲(chǔ)和上傳等功能。MSP430G2553片上的USCI_A模塊能夠?qū)崿F(xiàn)UART功能,支持雙緩沖接收/發(fā)送和自動(dòng)波特率監(jiān)測(cè),通過(guò)USCI模塊內(nèi)置的2個(gè)調(diào)制器UCBRSx和UCBRFx,采用BITCLK16進(jìn)行RX采樣，能夠得到非常精準(zhǔn)的波特率，單片機(jī)利用這個(gè)串口通過(guò)AT指令控制GPRS模塊完成數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。此外，由于5路傳感器需要通過(guò)UART串口和單片機(jī)之間組建RS-485通信網(wǎng)絡(luò)，這里利用定時(shí)器Timer_A模塊的比較捕獲功能模擬出一個(gè)軟件UART，利用捕獲功能捕捉管腳起始位的變化，并借助比較器不斷將CCRx的設(shè)定值與與定時(shí)器的計(jì)數(shù)值相比較，當(dāng)兩者相等時(shí)即產(chǎn)生中斷，獲得精確的時(shí)間間隔。對(duì)CCRx寄存器中定時(shí)間隔做相應(yīng)的設(shè)置可以得到誤差極小的通信波特率，靈活地完成串口擴(kuò)展。
　為了滿足監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)采集時(shí)間點(diǎn)的精確記錄要求，系統(tǒng)添加了內(nèi)置晶振和鋰電池的高精度串行時(shí)鐘芯片SD2405，該芯片內(nèi)置高精度時(shí)鐘調(diào)整功能，無(wú)需人工校時(shí)，可以在惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期可靠地工作。同時(shí)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面,系統(tǒng)采用4片串行E2PROM芯片AT24C512提供2 MB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,用于循環(huán)存儲(chǔ)60天的監(jiān)測(cè)參數(shù)，并永久保存GPRS模塊的設(shè)定參數(shù)。AT24C512采用兩線制的I2C串行接口，相比于并行操作的E2PROM更能適應(yīng)電力現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)干擾環(huán)境。
    GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)雙頻模塊MC52i，由于模塊內(nèi)部?jī)?nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議棧，單片機(jī)可以直接使用AT指令集控制模塊,將串口上的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送[4]。MC52i模塊正常工作時(shí)需要的供電電壓輸入范圍是3.3 V～4.8 V，當(dāng)模塊以最大功率發(fā)射時(shí)，供電電流的峰值能達(dá)到2 A。為了避免由此造成的電壓跌落導(dǎo)致模塊出現(xiàn)重啟等異常狀況[5]，模塊電源輸入端采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2576-ADJ作為電源芯片,并在輸出電壓端口并聯(lián)多個(gè)470 ?滋F的大電容。LM2576-ADJ是一款可調(diào)節(jié)輸出型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片，該芯片性能穩(wěn)定,輸出電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，最大輸出電流可達(dá)3 A, 具有較強(qiáng)的抵抗電壓跌落的能力[6]。
3 提高系統(tǒng)可靠性的措施
　由于本系統(tǒng)主要工作在長(zhǎng)期無(wú)人維護(hù)的工業(yè)環(huán)境，因此確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取了多種措施以提高硬件設(shè)備對(duì)外部干擾的防護(hù)能力，并在軟件設(shè)計(jì)中通過(guò)多種自檢機(jī)制應(yīng)對(duì)各方面可能出現(xiàn)的問(wèn)題。
    在電路設(shè)計(jì)與布局上，一方面采取多種防護(hù)措施對(duì)其進(jìn)行保護(hù),包括采用ESD芯片來(lái)提高系統(tǒng)的靜電防護(hù)能力,并針對(duì)雷擊與浪涌電壓在關(guān)鍵電路添加TVS二極管等;另一方面，在對(duì)器件布局和走線時(shí)，盡量縮短敏感回路的走線長(zhǎng)度，并對(duì)其作鋪地處理，確保GPRS模塊和其他敏感元器件工作穩(wěn)定。
    可能影響系統(tǒng)正常工作的因素有：長(zhǎng)時(shí)間無(wú)數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致模塊自動(dòng)下線、GPRS網(wǎng)絡(luò)受惡劣天氣的不良影響、高壓線塔現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾、陰雨天氣造成的太陽(yáng)能供電設(shè)備輸出電壓波動(dòng)等[7]。這里主要采用心跳包和狀態(tài)自檢與自恢復(fù)兩種機(jī)制來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。
    GPRS模塊通過(guò)GGSN連接Internet網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)模塊一段時(shí)間不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，GGSN會(huì)斷開(kāi)模塊的網(wǎng)絡(luò)連接,從而節(jié)省信道資源。為了避免網(wǎng)絡(luò)中斷，系統(tǒng)設(shè)定每隔2 min向監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器發(fā)送一小段心跳信息，以保證模塊的長(zhǎng)期在線。針對(duì)可能造成GPRS鏈路斷開(kāi)的外部干擾,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)自檢機(jī)制，即定期向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送檢測(cè)信息，若重復(fù)幾次仍未收到應(yīng)答信號(hào)，則判斷設(shè)備已掉線并立即通過(guò)AT指令重啟模塊并重新建立連接。此外，采用MSP430單片機(jī)內(nèi)部自帶的看門(mén)狗以及MAX813外部硬件看門(mén)狗兩級(jí)看門(mén)狗機(jī)制來(lái)解決系統(tǒng)死機(jī)、假在線等問(wèn)題，一旦單片機(jī)沒(méi)有正常接收GPRS模塊返回的信息,立即控制GPRS模塊的RESET引腳重啟模塊并恢復(fù)連接[8]。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分，一部分基于Keil軟件平臺(tái)的單片機(jī)控制程序編寫(xiě)，用于控制監(jiān)測(cè)設(shè)備完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送；另一部分為基于Python編程語(yǔ)言的上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，建立基于Web網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的表單訪問(wèn)和圖形化顯示。
4.1 單片機(jī)控制程序

    單片機(jī)程序主要采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，作為數(shù)據(jù)采集與傳送設(shè)備的控制核心，單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化、與傳感器之間的485通信、數(shù)據(jù)的采集與處理、電池電量管理、時(shí)鐘芯片控制、GPRS數(shù)據(jù)傳輸控制等。本文主要介紹與GPRS模塊相關(guān)的程序設(shè)計(jì),該部分程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能包括GPRS模塊的初始化操作和GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的操作。
    MSP430單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送AT指令控制GPRS模塊的各項(xiàng)操作，模塊開(kāi)機(jī)初始化之后，與監(jiān)測(cè)中心建立鏈路連接并按設(shè)定格式傳送GPRS數(shù)據(jù)包。模塊每執(zhí)行一條指令，均會(huì)向單片機(jī)返回一小段返回值，包括響應(yīng)信息和結(jié)果碼，以表明當(dāng)前執(zhí)行情況，單片機(jī)根據(jù)返回信息來(lái)控制模塊的工作進(jìn)程。程序流程圖如圖4所示。

4.2 上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
    上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，Python是一種純面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有高度的擴(kuò)展性和較高的開(kāi)發(fā)效率。上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用Apache服務(wù)器、XBOP應(yīng)用服務(wù)器和Postgre SQL數(shù)據(jù)庫(kù),主要實(shí)現(xiàn)三部分的功能:(1)基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)接收;(2)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)對(duì)塔基傾斜數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控;(3)提供表單形式的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢，為監(jiān)控人員分析塔基邊坡巖土運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供方便。監(jiān)測(cè)界面如圖5所示。

    經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，基于GPRS的塔基穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓線塔塔基邊坡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，極大降低了人工巡視的人力成本，提高了監(jiān)測(cè)和管理效率。隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，輸電線路的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為電力部門(mén)提升輸電線路精益化管理水平的重要技術(shù)手段。同時(shí)，以傾斜度傳感器為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在工業(yè)或民用建筑的變形、傾斜等其他方面也有較好的應(yīng)用前景。
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