输电线路动态增容监测实现技术及方法研究
韩立章，刘连光
（电气与电子工程学院，华北电力大学，北京 102206）
Research on Realization Technique and Method of Power Transmission Line’s Dynamic
Capacity-Increasing System
HAN Li-zhang, LIU Lian-guang
(School of Electric and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206)
ABSTRACT: Aiming at improving the power overhead line’s transmission ability, based on the power transmission line’s dynamic capacity-increasing principle, this paper presents a transmission line monitoring system. First, the system framework and model is introduced, and hardware is designed. The mornitoring system is composed of conductor temperature measuring device, small weather data collecting equipment with nRF24E1 and GPRS module and mornitoring center. For the data transmission part, the working principles of nRF24E1 chip and GR47 module are emphasized introduced.
KEY WORDS：Dynamic Capacity-increasing，Transmission Line Monitoring System，Wireless data transmission，GPRS Technique
摘要：为最大限度发挥输电线路的输送能力，根据线路动态增容原理，本文提出一种输电线路监测系统的技术方案。文章首先分析了动态增容的原理与模型，在此基础上介绍了系统的结构组成及功能，给出了部分硬件设计。监测系统硬件终端由具有无线接发功能的导线温度采集装置、带有nRF24E1和GPRS模块的中继装置组成。针对数据传输部分，着重介绍了用于无线数据短距离传输的nRF24E1芯片和利用GPRS技术的GR47模块的工作过程。
关键词：动态增容，线路监测系统，无线传输，GPRS技术
1引言
近年来,随着社会经济的快速增长，现有输电线路的输送容量已不能很好的满足社会对电力的需求。在不改变现有输电线路结构的前提下，通过动态增容技术不仅可以提高现有输电线路的输送容量，最大限度得发挥线路的输送能力，满足负荷高峰期及其他突发事件时较大输送容量的要求，而且对提高输电线路的安全运行水平具有很重要的意义。
针对以上情况，本文提出一种输电线路动态增容监测系统，监控中心通过监测得到的线路参数和环境气象数据，利用计算公式动态确定线路最大允许载流量，实现线路动态增容。
2 系统构成及工作原理
2.1 系统结构组成
本文提出的线路增容系统的结构原理如图1所示，系统由具有无线收发功能的线路温度监测装置、带有nRF24E1和GPRS模块的环境气象数据采集装置与监测中心三部分组成。
图一增容监测系统结构图
系统通过安装在线路上的装置采集导线温度，并与小型气象站测得的环境参数，构成分析系统需要的监测量，经过GPRS网络传输到监测中心主机，由分析软件进行计算，得出实时最优传输容量。由于气象采集设备不能安装在导线上，以及成本和技术难度的因素，本文考虑把气象站与导线测温装置组成小局域网通信，然后利用GPRS公网和监测中心通信。
2.2 动态增容原理
动态增容原理是利用气象条件和线路参数进行实时监测来动态确定线路输送容量。系统模型是以导线和外界环境之间的热平衡关系为基础建立
的，稳态平衡方程为：
)(2c s r c T R I Q Q Q +=+ ----------（1）
式中 Q c ---导线的对流散热（W/m ）； Q r ---导线的辐射散热（W/m ）； Q s ---导线的日照吸热（W/m ）；
R (T c )--温度T c 时导线的交流电阻(?/m)；
当线路电流值发生改变时 ,在达到稳定之前，导线温度是一个动态变化的过程，其变化规律由暂态热容方程(2)来描述：
--------（2）
式中： m——单位长度导线的质量；
C——导线热容系数，J/( kg·℃)； 通过稳态、暂态方程式(1)，(2) 就可分别求取稳定情况和暂态情况下输电线的温度变化情况。如果线路的最高运行温度为 T max ，则经过换算，确定线路的动态热容所决定的热稳电流值的摩尔根公式可写成:
t
d t s s t R K D I A VD I αθ++=
485.0)(92.9 ----------- (3)
其中：()()[]
4
4
273273+?++=a a t t SD A θπε
式中：D——导线外径，m ；
ε——辐射系数，光亮新线为0.23-0.46，
发黑旧线为0.9-0.95；
θ——导线载流时温升，℃； V ——风速，m/s ；
αs ——导线吸热系数，光亮新线为
0.23~0.46，发黑旧线为0.9~0.95； I s ——日照强度，W/m 2；
S ——常数，S=5.67×10-8 W/m 2； t a ——环境温度，℃；
K t ——导线温度为θ+t a 时交直流电阻比；
I t 就是最后求得的输电线路动态最大载流量。
3 监测系统实现技术及方法
3.1数据通信技术
由于监测设备架设在偏远的长线路上，并且考虑绝缘的要求，数据采集所处的环境不允许铺设电缆，从采集设备到处理终端，监测控制指令从处理终端到采集设备，数据只能通过无线方式进行传输。相比于传统的有线数据传输方式 ,无线传输方式不仅可以节省大量线缆，而且降低了施工难度和系统成本。
3.1.1 小型大功率无线电台
使用自己架设的小型无线电电台，在200~400MHz 的频点上用散射通信方式进行无线电通信。散射通信是利用对流层反射无线电波的远距离通信。其特点是传输频带较宽，通信容量较大(可达几千台)，通信距离几十千米，可通过中继站延伸。缺点是易受干扰，且成本较高。 3.1.2 微波通信
微波通信是主要针对卫星通信而言的，工作频段在300M~300GHz 。微波以“直接波”的方式在大气视线距离中传播，微波通信的视距的传输距离一般是50km 左右，这决定了必须采用中继接力方式传播。
微波通信的主要特点是传输容量较大、集成度高、稳定性强，及应用灵活、快速，组网方便。在电力系统中主要应用于配电所、变电站等配电网的电话和数据通信。 3.1.3 短距离无线传输
微功率短距离无线通信技术一般使用单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，通常射频芯片采用GFSK(高斯频移键控)调制方式，工作于ISM 频段。主要包括基于FHSS(跳频扩频)的蓝牙、HOMERF 和NORDIC 公司的nRF 芯片技术，其中nRF 芯片以通信速率高、通信距离远和开发周期短等特点，得到了十分广泛的应用。目前大多采用Nordic 芯片的方案，和蓝牙一样工作在2.4GHz 自由频段，支持多点传输，最高速率超过1Mbitps ，传输距离在30~200米，使用的外围元件少，抗干扰性强。 3.1.4 GPRS 技术
GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称,是在现有的GSM 系统上发展出来的一种新的分组交换业务，它采用IP Over PPP 实现数据终端的高速远程接入，可提供广域的无线IP 连接。
GPRS 用于无线数据接入具有以下优势；接入
mC
Q Q Q I T R dt dT r
c s c ??+=2)(
范围广，接入等待时间短，传输速率高，永远在线功能，按流量计费。以上这些优点使得GPRS技术在包括电力行业在内的许多行业得到了广泛应用。
其它无线技术还有红外线接入(IrDA)，蓝牙，HomeRF，802.11无线局域网技术等。
通过比较、分析，短距离的无线传输技术和GPRS技术应用广泛，技术成熟，实施方便，比较适合本监测系统。
3.2 线路温度采集装置
导线测温装置实现对导线当前实际运行温度和电流的采集，其中每一个装置提供2个测温点和1个高空环境温度点即3个温度信息，这种方式可以提供对导线节点相对温差的测定。单片机发送指令由温度传感器DS18B20采集到温度，之后经串口发送至nRF2401进行编码、发送数据，然后通过天线发射给中继装置（小型气象站）。
控制器采用8位可在线编程(ISP)单片机AT89S52，温度传感器采用Dallas公司的单总线数字温度传感器DS18B20，多个DS18B20可利用一根数据线传输数据，精简了布线。无线收发芯片nRF2401通过串口0和单片机相连。
3.3气象环境采集实现技术
小型气象站由气象传感器，包括风向、风速仪，大气温度传感器，GPRS模块和短距离数传芯片nRF24E1组成，用来提供线路局部的气象环境数据, 包括环境温度、风向、风速、太阳辐射等信息。利用无线收发芯片接收导线测温装置测得的温度数据，连同气象数据，经GPRS网络递交给主计算机监控中心。接收监控中心发出的命令传达给导线测温装置，起到沟通GPRS系统和局域无线系统的作用。
nRF24E1是内嵌nRF2401和8位单片机的无线芯片，它与GPRS模块GR47电平兼容，都为3.6V，由太阳能电池供电，外围电路简单，只需几个器件既能完成应用。
3.4 监测系统供电技术
导线温度采集装置装在线路上，它的电能可直接从线路上获取。电能量通过特制的穿心式电流互感器(电源CT) ,由高压侧一次母线电流通过电源CT 电磁感应产生。
CT首先感应出一个适合的电压，经整流、滤波、DC-DC变换电路得到芯片需要的直流工作打压。
高压侧一次母线电流的情况非常复杂，电流最低可能只有几安，而发生短路故障时暂态电流可能达到数十千安。电源设计的要求是：母线电流处于接近空载的小电流状态时，要尽量保证电源的供应；而当母线电流大大超过额定电流时，要给予电源足够的保护，并能保证电源供应。图3是一个典型的线圈感应供电电路。
图3 一个典型的线圈感应供电电路
4 数据传输方法和软件设计
4.1 nRF2401芯片
导线温度采集装置和气象站通讯是靠nRF24E1芯片来实现的，nRF24E1是工作于2.4GHz 的ISM频段的单片射频收发芯片，该芯片具有接收灵敏度高、外围电路少、发射功率低、传输速率高、低功耗等优点。nRF24E1芯片支持多点间通信，比蓝牙具有更高的传输速度，其最高传输速率超过1Mbps。
无线收发模块nRF24E1之间是以发送数据包的形式进行通信。其数据包格式如下：
nRF24E1的收发模式有ShockBurst TM收发模式和Direct收发模式两种，收发模式由器件配置字决定。当工作在ShockBrust TM模式时，置CE (RADIO.6)为高，经200μs后nRF24E1处于通信监测状态。MCU 把数据传入nRF2401芯片，经由芯片内部的FIFO存储到一定数据量时再高速地将数据发射出去，因此nRF2401芯片间歇工作，节省功率。在该模式下芯片亦可自动加帧头、作CRC校验；置CE为低，nRF24E1在数据包前加载同步码(Preamble)并发送
数据包。控制nRF2401收发数据的流程如图2所示。
图2 nRF24E1传输数据流程
4.2 GPRS 模块
监测系统采用GPRS传输技术能最大程度地缩短开发周期,降低成本。本系统的GPRS模块选用Sony Ericsson 公司的GR47。该模块的优点是：自身内嵌 TCP/IP协议栈、可直接使用AT指令进行开发；基于ANSI C的开发环境、多达9个可配置的I/O 口、支持 SPI、丰富的存储资源；永远在线连接、快速数据存储和更快的数据传输速度。此通信模块应用于监控中,可实现各项生产及设备监控的数据共享。
4.2.1 组网方案
数据监测中心通过 GPRS Modem 与监控终端实现中心对多点数据通信，GPRS 网络预先分配数据中心内网固定IP 地址。
4.2.2 工作流程
控制器初始化后，向GR47 的ON/OFF管脚提供一个 1.5~2 秒宽的低电平来启动 GR47，接着测试 GR47 是否正常运行，如果非正常运行则停止GR47 后重新启动，再判断，直到 GR47 正常运行后再对 GR47 进行初始化，根据各个指拨开关的位置设置MCU的两个串口和GR47的UART1的通信速率。之后MCU控制GR47进行激活、连接服务器，建立 GPRS 数据通信链路。在数据链路建立后先发送一个逻辑地址信息给服务器，之后就进入等待状态直到有事件出现。传输数据过程见图3：
图3 GR47发送数据过程
连接上位机过程：
当模块找到GPRS网络后，即进入命令模式。此时DTR和DCD都为高电平。
与上位机的通信：要有能连上因特网的固定IP(如服务器IP:202.112.155.172，端口:23)地址，打开其超级终端，选择TCP/IP(Winsock)协议，等待GR47的呼叫。
此时单片机通过串口发送AT commands给GR47，连接上位机：
建立PDP场景：AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”(接入点：中国移动)
返回OK
激活IP：AT*E2IPA=1, 1
返回OK
查看模块IP状态：AT*E2IPI=0
*E2IPI:10.16.134.42(这是分配给模块的动态IP) 建立与上位机的TCP连接：
AT*E2IPO=1，“202.112.155.172”，23
返回CONNECT
此时，表明已连接上IP，进入了数据模式。
5结语
本文提出一种输电线路监测系统的技术方案，利用短距离数传技术和GPRS技术接入公网的监测系统，根据监测得到的数据利用动态增容原理提高输电线路传输容量。
系统所选用的nRF24E1芯片具有传输速率快、误码率低、外围器件少的特点，传输距离较远，可达40~200m。采用的GR47模块内嵌TCP/IP协议，开发简单，接入 Internet 时采用的是安全的VPN 接入方式，多层的安全保障保证了传送到监控中心的实时数据是可靠的，符合电力系统安全可靠的要求。在硬件设计中采用了看门狗(Watchdog)设计，对主CPU和电源状态进行监测，保证了程序正常运行，不会跑飞导致系统崩溃。
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