摘要:在用电过程中，高压输电线路的耐张线夹因施工工艺、材质、过载和连接板螺栓松动等因素导致发热，热应力会进一步加剧耐张线夹的损害，最终导致事故。因此运行规范要求定期监测耐张线夹的运行温度。然而耐张线夹位置通常在数十米高，而且往往在人员车辆不易到达的湖泊、山地等处，运检人员去现场检测困难，工作强度和工作量大，实时性差。为减轻运检人员工作负荷，降低运行成本，有必要对耐张线夹工作温度进行远程在线监测。本文设计了基于射频巡检的输电线路智能测温装置，在输电线路发热点安装智能测温及导线电流监测装置，线路巡检人员不仅可以通过手持设备现场查看输电线路线夹节点的温度和电流信息，还可以在监控中心、电脑客户端、手机APP等设备上实时查询现场线夹温度电流数据，实现对线路线夹温度、电流变化的实时监控。它可以取代人工巡检，而且做到监测电气结点的发热情况，将大大提高电网安全运行水平，防止事故发生。本套装置具有体积小、安装方便、无需人为维护、智能化、节能环保等优势，完全可以胜任对输电线路组网式的温度监测。
关键字：射频巡检；智能测温
Development and application of intelligent temperature measuring device for transmission line based on RF inspection
Abstract
In the process of using electricity, the resistance of the high voltage transmission line is caused by the construction technology, material, overload and loosening of the bolts of the connecting plate, and the thermal stress will further aggravate the damage of the anti-wire clamp, eventually leading to the accident, the operation specification requires regular monitoring of the operating temperature of the anti-tensioning clamp. The position of the anti-tensioning line clamp is usually dozens of meters high, and often in the people's vehicles are not easy to reach the lake, mountains and other places, transport inspectors to the site testing difficulties, work intensity and workload, real-time poor. In order to reduce the workload of the inspection personnel and reduce the operating cost, it is necessary to monitor the working temperature of the anti-wire clamp remotely on-line. In this paper, an intelligent temperature measuring device for transmission line based on RF inspection is designed, and an intelligent temperature measurement and wire current monitoring device is installed at the heating point of the transmission line, and the line inspector can not only view the temperature and current information of the power transmission line clamp node through the handheld device, but also in the Monitoring Center, computer client, Mobile phone app and other devices in real time query the field line clip temperature and current data, to achieve the line clip temperature, current changes in real time monitoring. It can replace manual inspection, and to monitor the heating of electrical nodes, will greatly improve the safe operation level of the power grid, to prevent accidents. The device has the advantages of small size, convenient installation, no need for human maintenance, intelligent, energy saving and environmental protection, and can be fully competent for the temperature monitoring of transmission line Group network type.
Keywords: RF inspection; Intelligent temperature measurement
1 引言
近年来，随着国民经济持续增长，城乡用电量猛增，在用电高峰期，线路供电负荷在极限附近或超极限运行的现象时有发生。随着输电线路高负荷运行越来越普遍，耐张塔上的引流板或者接续管处的接点温度过高成为线路安全运行的“死穴”[1]。因此为了确保电网安全，通常在用电高峰季来临之前都要对高压输电线路的引流线夹进行全面检测，防止因导线连接点发热影响电网安全运行。考虑到输电线路所处的环境及直接进行温度测量的困难性，因此就需要一种智能化组网式的温度测量装置被应用到对整个电网线路输电线的温度监测中。
本系统采用物联网技术，通过在杆塔、输电线和重要的高压设备上部署智能测温传感器，组成测温传感器协同感知的无线传感器网络，通过传感器对导线温度数据采集，利用无线通信的方式把数据传输到巡检仪，当参数出现异常就会自动报警，提醒值班人员和管理人员进行相关措施处理避免事故发生[2]。本套装置的供电全部来源于高压电，从高压电线上取能并转换到适合本装置工作的电源范围，为本装置供电，无需外部另加电源。
2 系统总体设计
2.1 系统实现的功能
基于射频巡检的输电线路智能测温装置主要是为了弥补传统测温方式的实时性以及可靠性上的不足，通过本装置，工作人员只需在室内便可以实时的监控输电线路接头处的温度。本系统主要由两部分组成：温度采集发送装置和温度接收装置。温度采集发送装置包括电源部分、无线温度传输部分、温度数据采集部分；温度接收上传装置包括电源部分、无线温度接收部分。本系统的数据收发都是通过无线网络完成的，其中温度采集系统之间是通过射频网络进行通信，当一个温度采集器采集到温度信息后会在规定时间内发送到其对一个的中继接收器，中继接收器将接收到多个采集发来的温度值发送到巡检仪，供给用户查看。
本系统的另一个优点是所有系统的供电部分均由输电线感应取电电源模块负责提供能量，无需外接输入电源。这样做就避免了对使用外加电源的维护，也排除了因电池受电池使用年限或老化等原因而给本装置的使用增加不便利性，一旦输电线上使用本装置，在其使用的过程中基本不需要人工维护，这就是本装置用于对高压输电线温度监测的优势所在。如图1是本套装置工作的过程框图。
图 1 装置工作过程图
2.2温度采集系统设计方案
本套装置由两部分构成即温度采集发送装置和温度接收上传装置，温度采集发送装置负责获取导线表面温度然后发送出去，温度接收上传装置以一对多的方式获取采集装置发回的温度值，然后通过巡检仪查看数据。如图2为温度采集发送装置系统内部结构图。
图 2 温度采集发送装置系统内部结构图
温度采集发送装置主要负责采集被测点温度的信息把并将其通过无线模块发送到接收端，采用数字式温度芯片DS18B20，这样可以将整个PCB版集中到磨具中，只需要在磨具背面开一小孔传递温度即可，该温度传感器支持多点组网功能，一个测温装置可以对多点进行测量，增加了测量点保证了测量的合理性。温度采集后传输出去到终端的中继集中器，再由接收端查看数据。
3 硬件设计
基于射频巡检的输电线路智能测温装置作为线路状态监测和各类相关数据集中展现的平台，一方面能在发现线路隐患时，及时预警，及时指导检修处理工作的开展，避免线路事故的发生；另一方面对输变电线路设备运行状态的实时监测，为输变电线路的故障分析，技术措施的研究，制定检修处理方案等提供了有力的信息化数据，从而有效地提高了输变电线路的故障预防能力。
本装置功能的实现组要有三部分完成：
1、电源部分：本装置工作过程中无需提供外部电源，系统工作电源通过转换直接从输电线上获取。
2、温度数据采集部分：装置使用DS18B20数字式温度传感器，将获取的输电线表面温度。
3、无线传输部分：处理器将采集到的温度值处理后经CC1101无线模块发送到中继集中器。
3.1 电源部分
电源是任何电子产品能量的核心，优秀供电方式的使用不但能节省成本，而且能提升整个产品的使用性能。本装置的无源性源于其无需外部电源供电，系统工作所需的能量直接从输电线上获取，避免的对电池的维护和电池使用所造成的污染，符合节能环保的要求。
3.1.1 输电线取电原理
本套装置针对高压电网中测量装置供电问题，提出了一种电场感应式电源用于对测量装置供电，基本原理就是利用高压设备携带的高电压电场来获得能量[3]，在电网电压稳定时就能为装置稳定供电，不但节省了电源而且避免了使用电源造成的污染。高压输电线中的电流是以正弦波的方式变化的，所以其产生的磁场也是变化的磁场，由法拉第电磁感应定律可知，当磁通量发生变化时就会在穿有铁心的线圈上产生感应电动势，其大小为
(其中
为感应电动势，
为磁通量)。在电磁耦合方式下，线圈感应输出端近似等效于恒流源，随着一次侧电流增加二次侧感应输出的电流也增加。如果此时二次侧保持负载不变则二次侧回路上的电压会因为电流对滤波电容器的充电而升高，当升高到一定范围时就会因为过压而损坏器件[4]。本次设计是将取能线圈获取的交流电再次降低，在其后加入防浪涌和过压保护，通过保护电路后对降低幅值的正弦电压进行整流、滤波、稳压处理，稳定后的电压信号用于给装置供电。其工作过程框图如图3所示。
图3 取电过程图
如图3所示，对整个取电过程进行理论分析，初步假设初级线圈和次级线圈为全耦合电磁感应，忽略初级和次级绕组线圈漏感，根据电磁学基本理论有如下方程：
整理公式(1)、(3)得：
(5)
(6)
则有：
(7)
本装置具有低功耗特点，其工作的电压为3.3v，设计时根据一次侧高压线上电流的大小来设计线圈的匝数，在实际应用的过程中可根据高压导线中流过的电流大小、导线截面积等来设计合适的线圈匝数，以得到符合要求的
。
考虑到高压电线上复杂的电磁环境及电流的大幅变化，供电的抗干扰及稳定工作问题是首先要解决的。如果设计不好不但会影响装置的正常工作，还可能给输电线造成意想不到的危害。所以在从高压线上取能后，要在使用的前端加入保护电路，以保证装置供电的稳定性及可靠性。
3.1.2 防浪涌电路
任用电设备都存在供电电压的允许范围，超出范围将可能会对设备造成灾难性的损坏，有时即便是很窄的过电压冲击也会造成设备电源的损坏，尤其是一些敏感的微电子设备，有时很小的浪涌冲击就可能造成致命的损坏。在输入电路合闸瞬间，由于电容上的初始电压为零，会形成很大的瞬时冲击电流(如图4所示)，特别是大功率开关电源，其输入采用较大容量的滤波电容器，其冲击电流可达100A以上。本装置工作于户外高空高压线上，加入防浪涌电路能有效避免雷击的危险，保护装置不会被瞬间的电流变化而损坏，使装置有一个稳定的电源供电环境。
图4 合闸瞬间滤波电容电流波形
3.1.3 过压保护电路
电路中加入过压保护电路可以有效预防由于拉闸、合闸引起的输电线电流变化、雷击等偶然原因而导致电路过压，预防电压瞬间变化而造成设备不能正常工作甚至损坏设备，有效保护供电的稳定性及安全性[5]。
3.1.4 整流滤波稳压电路
本系统的工作电压为3.3V，所以要将从高压输电线上获取的交流正弦电压先转换成地幅值的正弦电压，然后对此电压信号进行整流、滤波、稳压处理，转换成可供本装置使用的直流电压。
3.2 本装置的温度采集及无线传输部分
3.2.1 控制器选取
本装置采用的处理器芯片为意法半导体公司的超低功耗STM8L051单片机，其配置完全能够满足本次系统设计的要求，超低功耗的设计更加符合本产品设计的理念。考虑到工作于高压电线上的复杂电磁环境，在控制系统中加入了看门狗复位电路，当装置因意外死机后可自动重启。
3.2.2 温度数据采集部分
随着用电负荷的变化和发展，原有输电线路收到载流量热稳定限额等技术的限制，输送容量大大降低，已经难以担负送电任务，更不能满足电力用户的需要，尤其在用电高峰期、检修状态下或发生故障等情况下，线路互通容量不足将会在成压限负荷，导致电网运行的经济性和可靠性严重下降。因此，对提高输电线输送能力的研究就非常有必要了。
研究表明，线路输电能力与导线运行温度有直接关系，因此实时关注输电线的温度变化，能够为供电部门对输电线的监控以及对电力的分配调度提供依据。本装置贴近输电线表面，利用传感器获取输电线表面的温度，在处理器内计算处理后通过无线模块发送出去。
本装置的温度传感器采用的是DS18B20数字温度传感器，测量温度范围为-55℃~+125℃，固有测温误差1℃[6]。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。该传感器体积较小，可实现一个测温装置内对导线进行多点测量，对测量数据综合分析评估，会使得结果更加合理。且其是单总线接口，这样起采集到的温度信号就可以直接输入到单片机中而无需加入AD转换，对信号的处理比较方便。
3.2.3 温度的无线传输部分
本装置的另一个关键部分就是将采集到的输电线上的温度值通过无线模块发送到中继集中器上，采用无线传输的优势在于排除了信号通过有线传输带来的线路的繁琐性，而且更加容易组网，可以有多个温度采集点将采集到的温度值发送到同一个接收器中(中继集中器)。每个采集装置都有自己的地址，便于故障定位，由此可见采用无线组网的方式不但节约成本，而且更加方便集中管理。
本装置使用的无线收发模块是低于1GHz设计旨在用于极低功耗单片无线收发器芯片CC1101设计的无线模块[7]，模块可通过SPI接口与STM8L051单片机进行通行。其主要针对工业、科研和医疗(ISM)以及短距离无线通信设备(SRD)。CC1101可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评估(CCA)、链路质量指示以及无线唤醒(WOR)的广泛硬件支持。CC1101在代码、封装和外引脚方面均与CC1101兼容，可用于全球最为常用的开放式低于1GHz频率的RF设计。相对于WI-FI、BlueTooth和Zigbee而言，采用CC1101无线模块则更加方便和节约成本。
3.2.4 接收部分
本套装置采用的短距离无线技术的系统通信组网方案，各采集装置定时将采集到的温度发送到接收装置上，实现了测温接收端与温度测量发送端的组网通信[8]。
4 系统软件设计
本装置对温度发送的方式是，每隔10分钟读取一次温度值，1小时候将获取的6个温度值取平均值，然后由无线模块发送到其对应的接收端，每个装置都有自己的地址，所以中继集中器接收的温度值都有一个对应的地址。这样一旦出现温度异常，就可以根据地址定位到异常点，方便工作人员及时监控及找出故障原因。
本系统温度采集发送部分的软件工作流程主要是采集温度值并处理和使用无线模块将温度值发送出去，温度采集发送部分程序流程图如图5所示。
图5 温度采集发送部分程序流程图
5 总结
该装置由于其无线温度传感器采用低功耗设计，运行于低功耗模式，在密封情况下由动态取电进行供电（无电或者停电时启用备用锂电池进行供电），使用寿命长达10年，且具有体积小、重量轻、便于安装、测量准确（误差＜1％）和无线数据传输灵活等特点。是一种较为实用的新型线夹温度在线监测装置。可作为“红外测温仪”的替代品。它的推广应用不仅可以发现线路线夹早期烧坏故障，而且可以大幅降低检修人员巡视查看的劳动强度，节省人力物力，可靠性高，为保障重要的供电线路的供电安全发挥重要作用。
参考文献:
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论文作者:李勇辉,杨瑞景,吴卫华,王斌,李定强,李华鹏
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/17
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