高速公路供電線路斷路監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)探討

曹德林

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110015)

1 背景及意義

高速公路沿線供電線路鋪設(shè)完成后，總會(huì)遇到一些始料未及的麻煩，比如復(fù)雜的地理環(huán)境、自然作用力的破壞、人為因素等等，在這種情況下供電電纜損壞將會(huì)造成很大的麻煩，雖然高速公路沿線配備柴油發(fā)電機(jī)以備應(yīng)急需求，如果故障點(diǎn)不及時(shí)了解，備用發(fā)電機(jī)難以支撐整個(gè)路段機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行，此種現(xiàn)象在山區(qū)隧道地區(qū)尤為明顯，長(zhǎng)時(shí)間斷電將直接造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失及安全隱患，所以及時(shí)地檢測(cè)出故障點(diǎn)，并將故障信息及時(shí)發(fā)布出來(lái)是供電線路斷路后的首要任務(wù)，只有經(jīng)歷了這個(gè)環(huán)節(jié)維修人員才能根據(jù)故障信息作出判斷，進(jìn)而到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行搶修工作，可見(jiàn)供電線路斷路監(jiān)測(cè)報(bào)警在整個(gè)維修過(guò)程中意義是何其的重要。

2 目前監(jiān)測(cè)技術(shù)手段

斷路監(jiān)測(cè)報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)需要解決兩個(gè)問(wèn)題，第一是傳感器檢測(cè)故障信號(hào)，其二是故障信息報(bào)警。其中現(xiàn)有的斷路檢測(cè)方法有很多，最為典型的是通過(guò)檢測(cè)外加交流信號(hào)對(duì)電纜狀態(tài)的識(shí)別，還有通過(guò)測(cè)量電纜的對(duì)地電容來(lái)實(shí)施監(jiān)測(cè)，當(dāng)然也不乏通過(guò)對(duì)電纜電流的測(cè)量來(lái)判斷供電線路的具體情況；與檢測(cè)環(huán)節(jié)不同，故障報(bào)警主要依賴比較成熟的有線通信技術(shù)。

2.1 斷路檢測(cè)方法

通過(guò)外加交流信號(hào)對(duì)電纜狀態(tài)的識(shí)別這種方法主要依據(jù)的是交流信號(hào)在電纜里傳輸可返回交流信號(hào)，如果電纜出現(xiàn)斷路故障，所加的外部信號(hào)就沒(méi)法實(shí)時(shí)返回來(lái)，通過(guò)這一點(diǎn)可以檢測(cè)電纜是否斷路，進(jìn)一步通過(guò)測(cè)長(zhǎng)電路可以得出電纜的斷路位置，該過(guò)程應(yīng)用單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)，如果用于檢測(cè)電壓不高的電纜，比如電話線，還有一定的實(shí)用價(jià)值，如果檢測(cè)的是強(qiáng)電，在初始接口端就要對(duì)信號(hào)做一下處理，因?yàn)閱纹瑱C(jī)不可能直接與電纜進(jìn)行物理上的連接。往往由于線路鋪設(shè)過(guò)長(zhǎng)，期間又有變壓器的存在，所加信號(hào)衰減會(huì)很快，無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，而且會(huì)影響到后續(xù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，整體監(jiān)控的可靠性不能得到保障。由于上述問(wèn)題的存在，這項(xiàng)技術(shù)目前還沒(méi)有廣泛地應(yīng)用到強(qiáng)電監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，未來(lái)還需要很長(zhǎng)的路要走。

2.2 報(bào)警技術(shù)

這里面提到的斷路報(bào)警其實(shí)是一門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，現(xiàn)代遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)大都是建立在通信基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其中發(fā)展較早較為成熟的當(dāng)屬有線通信技術(shù)，例如利用有線電話網(wǎng)作為信息傳輸?shù)拿浇?，但是在?gòu)建供電線路的同時(shí)，格外架設(shè)一條通信線路，將會(huì)增加成本，其實(shí)用性因此也大打折扣，由于增加了通信線路，本身的斷路問(wèn)題也要檢測(cè)，無(wú)形中給系統(tǒng)增加了任務(wù)；值得一提的是有線通信在電力領(lǐng)域并未因此遭到拋棄，架設(shè)通信線路費(fèi)用高，那就將電力線作為信息傳輸?shù)拿浇?，也就是電力線載波技術(shù)，雖然這個(gè)構(gòu)思很巧妙，但是由于該項(xiàng)技術(shù)起步比較晚，現(xiàn)階段發(fā)展還不成熟，并且由于配電變壓器對(duì)信號(hào)有阻隔作用，只能在一個(gè)變壓器區(qū)域內(nèi)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，不利于跨變壓器傳輸，而且當(dāng)電力線負(fù)荷很重，線路阻抗下降到1歐姆以下，會(huì)對(duì)信號(hào)造成高消減，不利于遠(yuǎn)距離傳輸，綜合以上缺點(diǎn)，該項(xiàng)技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域的推廣還需要更多的路要走。

3 總體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)以往檢測(cè)及報(bào)警環(huán)節(jié)出現(xiàn)的諸多缺點(diǎn)，致力于提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、可靠性、安全性、可行性、經(jīng)濟(jì)性，研究?jī)?yōu)化出了一套斷路監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，檢測(cè)環(huán)節(jié)采用對(duì)電壓信號(hào)的獲取識(shí)別來(lái)判斷供電線路是否出現(xiàn)斷路，因?yàn)殡妷盒盘?hào)可以被直接測(cè)量，而且用戶即使沒(méi)有負(fù)載也不影響對(duì)整個(gè)線路的判斷，如果傳感器封裝得比較好的話，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程基本不受外在因素影響，也沒(méi)有復(fù)雜的計(jì)算公式以及昂貴的設(shè)備，符合設(shè)計(jì)要求；報(bào)警部分采用無(wú)線數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)，可以避免物理通信線路的架接，而且現(xiàn)階段數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展比較成熟，其相關(guān)產(chǎn)品成本較低，通信覆蓋范圍可達(dá)很遠(yuǎn)，在很大程度上可以滿足遠(yuǎn)程通信功能。為了更好實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求，通過(guò)對(duì)PC機(jī)、單片機(jī)和GSM通信模塊可開(kāi)發(fā)研制出一套電纜斷路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)主體硬件分為兩大部分，PC上位機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。PC上位機(jī)部分位于監(jiān)測(cè)中心，主要作用是接收和分析遠(yuǎn)程監(jiān)控終端回傳的故障信息，進(jìn)而得出故障點(diǎn)，通知工作人員及時(shí)趕赴故障現(xiàn)場(chǎng)，第一時(shí)間將故障排除。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端負(fù)責(zé)電纜斷路信號(hào)的檢測(cè)以及報(bào)警短信的發(fā)送，其供電主要由電纜間接提供，如果電纜因故障及其他原因斷電，采用可充電鋰電池為其提供電源。

整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)大致如下：將安放在電纜上的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端依次地編上序號(hào)，具體做法如圖1，為了方便，圖中給出了兩個(gè)終端，實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候終端會(huì)有很多，在安放的時(shí)候根據(jù)實(shí)際需要以及地理環(huán)境等因素設(shè)計(jì)兩個(gè)終端之間的距離，第一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端最好安放在距離供電方較近的位置，方便后續(xù)故障位置的判斷。當(dāng)1號(hào)和2號(hào)之間發(fā)生斷路故障，2號(hào)及以后的終端都將發(fā)送報(bào)警短信給PC上位機(jī)，經(jīng)過(guò)PC機(jī)的判斷可以確定故障位置在1號(hào)和2號(hào)之間，其他位置的判斷和這種方法一樣，如果整條線路上的終端都發(fā)送報(bào)警短信給PC上位機(jī)，則可以確定是整條線路停電，如果沒(méi)有任何一個(gè)終端發(fā)送報(bào)警短信，則這個(gè)供電線路是完整的，根據(jù)這種方法就可以實(shí)現(xiàn)供電線路斷路監(jiān)測(cè)報(bào)警功能[2]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的功能主要可以概括為兩大部分,分別是傳感器檢測(cè)電壓信號(hào)、單片機(jī)控制GSM發(fā)送報(bào)警信息[1]，這兩部分通過(guò)硬件接口相互配合，共同完成檢測(cè)報(bào)警的功能，保障了PC上位機(jī)進(jìn)一步的工作。

3.1.1傳感器采集電壓信號(hào)

由于工業(yè)用電大都在220V以上，對(duì)電纜電壓信號(hào)的獲取可以采用變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，并將獲取到的交流電壓信號(hào)整流濾波得到一個(gè)直流電壓信號(hào)，通過(guò)電阻進(jìn)一步地輸入到光耦，在輸出端得到一個(gè)數(shù)字電壓信號(hào)，接入后續(xù)單片機(jī)就可以完成信號(hào)采集的工作。實(shí)際應(yīng)用中，將需要監(jiān)控的區(qū)域劃分成若干段，每一段的距離可以是固定長(zhǎng)度，只要是方便人員檢測(cè)就可以，每個(gè)節(jié)點(diǎn)用上述整套設(shè)備檢測(cè)電壓信號(hào)。

3.1.2單片機(jī)控制通信模塊發(fā)送報(bào)警短信

通信部分是遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的關(guān)鍵部分，數(shù)據(jù)采集部分將電壓信號(hào)采集，送與單片機(jī)I/O端口[3]，單片機(jī)檢測(cè)到這個(gè)電壓信號(hào)(可以是1也可以是0)與通信模塊建立AT指令連接，模塊將寫(xiě)好的報(bào)警短信送給上位機(jī)部分。這個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)需要單片機(jī)與通信模塊建立起硬件上的連接，單片機(jī)與通訊模塊應(yīng)用鋰電池供電即可，鋰電池的設(shè)計(jì)可在線充電，電纜有電時(shí)，可以將電纜的電壓變壓整流進(jìn)而供給單片機(jī)、通信模塊和鋰電池，電纜掉電時(shí)，鋰電池可以直接供電，保障系統(tǒng)安全地運(yùn)行。

單片機(jī)作為重要環(huán)節(jié)之一，擔(dān)負(fù)著前端重要的工作，包括數(shù)據(jù)采集、信息處理、與GSM模塊間通信[1]，不難看出單片機(jī)是遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的心臟，是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力樞紐，該系統(tǒng)預(yù)留了單片機(jī)的一些其他的接口，方便日后的產(chǎn)品升級(jí)，功能多樣化。該處的單片機(jī)選型為總線型，一旦總體框架確定，單片機(jī)更換只能是總線型[3]。

3.2 PC上位機(jī)設(shè)計(jì)(監(jiān)測(cè)中心部分)

作為信息的最后匯聚地，上位機(jī)部分擔(dān)負(fù)著極其重要的角色，不僅需要接收遠(yuǎn)程監(jiān)控終端傳來(lái)的故障信息，還需要對(duì)信息進(jìn)行處理分析得出故障點(diǎn)，并進(jìn)一步發(fā)出故障信號(hào)，通知相關(guān)人員維修故障點(diǎn)，這一切對(duì)上位機(jī)和通信模塊的可靠性要求很高。上位機(jī)的工作流程大致可以概括為處于前端的設(shè)備將報(bào)警信號(hào)回送給上位機(jī)的通信模塊，這個(gè)報(bào)警短信包括遠(yuǎn)程監(jiān)控終端所在編號(hào)、SIM卡號(hào)及地址信息等，PC機(jī)通過(guò)USB接口將短信采集并根據(jù)編號(hào)、卡號(hào)、地址等信息分析得出故障點(diǎn)[2]。

4 結(jié)束語(yǔ)

高速公路供電線路斷路監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、PC機(jī)編程技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)潔，目的在于解決高速公路沿線供電監(jiān)控問(wèn)題，配合管養(yǎng)單位及時(shí)解決斷電突發(fā)情況，最大限度內(nèi)爭(zhēng)取搶修時(shí)間，為高速公路健康運(yùn)營(yíng)提供保障。