CN104582128A - 架空输电线路夜视照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是架空输电线路夜视照明装置。由太阳能发电部分、单片机最小系统电路部分、光伏充电控制电路部分、云台控制电路部分、充放控制电部分、电压电流采集电路部分、无线遥控电路部分以及电压电流采集电路、照明部分和旋转装置部分组成。本发明利用太阳能电池板发电，经过储电和电路转换为LED照明灯供电，解决了高压输电线路夜间维修照明的问题，而且能够实现遥控。具有无外用电源，可控性好和使用方便以及节能的优点。适宜作为架空高压输电线路夜间维修照明的装置应用。

Description

架空输电线路夜视照明装置

技术领域

本发明提出的是用于高压架空线路夜间照明应用的架空输电线路夜视照明装置。

背景技术

进入21世纪以来，随着社会的发展，我国国民经济持续高速发展，用电量持续增加，由于了智能化控制的产生，导致了员工的减少，以至于很难保障每一条输电线路都正常工作。为了提高输电线路的保护与人民的安全，安装夜间照明装置对输电线路的维修有着很大的帮助，因此急需设计和开发一种夜间照明装置。

目前，在输电线路上都没有夜间照明装置，当夜晚来临时，输电线路上就会变成一片漆黑，一旦输电线路出现异常或事故，就无法通过快速有效的照明来查看线路。目前的线路维护依然由巡视人员在漆黑的夜晚,靠着手电的光线来辨别方向和查找事故点。这样不仅效率非常低而且由于手电的照明光线较弱，无法进行有效的查探。

发明内容

为了克服目前输电线路夜间维修存在的缺点，本发明提出了架空输电线路夜视照明装置。该装置通过太阳能电池板发电，通过LED照明灯照明，并通过遥控操作，解决架空高压输电线路夜间照明的技术问题。

本发明解决技术问题多采用的方案是：

太阳能电池板通过BUCK电路为蓄电池充电，并通过逆变器为LED照明灯供电；与太阳能电池板连接的BUCK电路通过MOSFTE驱动电路和PWM输出为MCU系统提供电源；太阳能电池板发出的电流经过电流信号采集和电压信号采集后，通过太阳能电池板电压检测、太阳能电池板电流检测、太阳能电池板光照检测和无线遥控信号为MCU系统提供电信号；从蓄电池输出线路电池电压检测信号和电池电流检测信号分别为MCU系统提供信号；由太阳能电池板采集的电流与电压信号和从蓄电池中采集的电流与电压信号共同为云台提供信号；在发电与照明系统中，配备有地面手持遥控器，其中一侧与无线模块连接，另一端通过云台用于遥控太阳电池板实现上、下、左和右的转动。

积极效果，本发明利用太阳能电池板发电，经过储电和电路转换为LED照明灯供电，解决了高压输电线路夜间维修照明的问题，而且能够实现遥控。具有无外用电源，可控性好和使用方便以及节能的优点。适宜作为架空高压输电线路夜间维修照明的装置应用。

附图说明

图1为本发明结构构成图

图中，1.无线模块，2.地面手持遥控器，3.太阳能电池板，4.BUCK电路，5.MOSFTE驱动电路，6.PWM输出，7.MCU系统，8.电池电压检测，9.电池电流检测，10.太阳能电池板电压检测，11.太阳能电池板电流检测，12.太阳能电池板光照检测，13.无线遥控，14.蓄电池，15.逆变电路，16.云台，17.LED照明灯。

具体实施方式

据图1所示，太阳能电池板3通过BUCK电路4为蓄电池14充电，并通过逆变器15为LED照明灯17供电；

与太阳能电池板连接的BUCK电路通过MOSFTE驱动电路5和PWM输出6为MCU系统7提供电源；

太阳能电池板发出的电流经过电流信号采集和电压信号采集后，通过太阳能电池板电压检测10、太阳能电池板电流检测11、太阳能电池板光照检测12和无线遥控信号13为MCU系统提供电信号；

从蓄电池输出线路电池电压检测8信号和电池电流检测9信号分别为MCU系统提供信号；

由太阳能电池板采集的电流与电压信号和从蓄电池中采集的电流与电压信号共同为云台16提供信号；

在发电与照明系统中，配备有地面手持遥控器2，其中一侧与无线模块1连接，另一端通过云台用于遥控太阳电池板实现上、下、左和右的转动。

本发明分为太阳能发电部分、单片机最小系统电路部分、光伏充电控制电路部分、云台控制电路部分、充放控制电部分、电压电流采集电路部分、无线遥控电路部分以及电压电流采集电路、照明部分和旋转装置部分组成。

1、太阳能发电部分：

1）、太阳能发电：由于系统受到地理条件影响，并且需要安装在架空的线路上，因此无法运用正常的家庭电路进行供电，可以采用小型的光伏发电系统或者风力发电系统，但考虑到该地区的自然条件环境和有风的天气并不多，而且风力发电的成本较高，所以该系统不采用小型的风力进行发电，拟采用光伏电池板发电，光伏发电与其他形式的发电装置相比对地区的外部环境和地质条件要求较小，本系统采用100W光伏电池板。

2）储能部分：系统的储能部分拟采用常见的蓄电池，蓄电池采用胶体免维护蓄电池，具有容量大，使用方便，寿命长等优点，容量拟采用76AH，12V蓄电池。

3）充放电控制：系统的充放电控制器采用12V，20A太阳能充放电控制器。该控制器能够自动识别系统的蓄电池电压，光伏电池板电压和当前光线条件，当光线强度达到蓄电池充电要求时，此冲放电控制器对蓄电池进行充电。充电方式采用三段充电方式，当夜晚降临时，该充放电控制器切换放电模式，给负载进行照明供电，并且具有过流保护和过放保护功能。当系统回路短路或过流时，系统自动断开回路以达到保护作用。另外当蓄电池因放电过多，导致蓄电池两端电压过低时，该控制器会切断回路，以防止蓄电池发生过放现象。

4）杆塔照明装置：照明装置采用LED灯为杆塔上的照明装置。该照明装置具有光线集中、亮度高、节能等优点，可以照到更远的距离。该探照灯仅在人员巡视时或夜间维修时开启，白天保持关闭，以达到节能状态。

5）旋转遥控装置：系统的动作机构采用云台来改变照明方向和角度，使之能实现全方位照明无死角。本系统采用PTS303电动云台。通过单片机控制云台机构旋转。系统加装了无线遥控设备，能够让人员在塔下就能远距离遥控设备工作。

2、单片机最小系统电路：

单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，该装置安装在供电线路的铁塔上、因此必须具有抗强电磁干扰，耐高温和低温的特点。

本系统采用STC12C5A60S2单片机来控制系统的运行，该单片机是宏晶科技生产的单片机，具有高速，低功耗，抗强干扰的功能，指令代码完全兼容传统的8051单片机，速度比传统51单片机快8-12倍，内部集成2路PWM，8路高速10位A/D转换器。该单片机在电子行业有着广泛的应用。采用STC12C5A60S2单片机最小系统。

3、光伏充电控制电路：

当系统处在白天时，太阳能电池板将光能转化为电能并且通过系统中的充电电路来给蓄电池进行充电，该充电电路以BUCK降压电路为核心，设计并使用了新的智能充电技术：三阶段充电法。

三阶段充电法的优势在于：既能提高了蓄电池充电的效率，同时又保护了电池容量和寿命，充电曲线近似于马斯最佳充电曲线。当蓄电池处于电量不足时，首先进入第一阶段，在第一阶段对光伏电池板进行最大功率点跟踪（MPPT）充电，使之处于最大效率进行充电，这个阶段充电电流比较大，电池的大部分电能将会在这一阶段恢复。之后进入第二阶段，第二阶段为恒压充电，在第二阶段系统由单片机产生PWM信号控制MOSFET使蓄电池两端处于恒压状态充电，将补充剩余的电量。恒压充电结束后，充电方式应自动转入第三阶段，即浮充电的过程。根据电池的自放电特性，浮充电速率很低，充电器将给电池补充电荷，这样蓄电池就可以处于充足电状态。蓄电池的电压首先逐渐升高，之后保持恒定，而充电电流随着阶段的变化，首先保持最高，之后随着电压的升高而逐渐减小。

当白天光照充足时，电池板将对蓄电池进行充电，系统首先通过两电阻分压，实现对当前光伏电池板、蓄电池的电压采集，然后由电压值判断当前的充电阶段，选择适当的充电方式。

BUCK降压电路的输出电压为：

                       

其中D为输出PWM的占空比，通过STC12C5A60S2产生PWM进行控制，PWM首先通过6N137高速光耦光电隔离，之后在经过UCC37321单通道MOSFET驱动芯片控制MOSFET开关管导通和关断控制当前充电电压和电流。

4 、云台控制电路：

云台是一种安装在探照灯支撑物上的工作平台，用于探照灯与支撑物之间的连接，同时它具有水平和垂直运动的功能，在云台水平、垂直运动的同时，它也带动探照灯做相同的运动，这样就可以通过控制云台的运动来控制探照灯的运动，它与探照灯配套使用能达到扩大照明范围的目的，提高了探照灯的使用价值。本系统采用电动云台，电动云台适用于对大范围进行照明，它可以扩大探照灯的照明范围。电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下，云台上的探照灯可在检修人员的操纵下改变方位，达到360°全方位照明的目的。

云台电机的驱动电路，主要由光耦和继电器电路组成，光耦将控制电路与驱动电路隔离开来，提高了单片机的抗干扰能力，保证了系统的正常运行。而继电器电路实现了弱电控制强电，既驱动了电机又保障了系统的安全。

该电路将单片机发出的控制信号通过光耦传递到三极管的基极，达到控制三极管的通断，而三级管的开关作用实现控制继电器的吸和与断开，实现了控制电机的作用。

5 、电压电流采集电路：

在光伏控制充电电路中采用的是三段式充电法，而该算法需要实时采集蓄电池的两端电压与电流信号，并且可随时切断电路。据此设计了电压电流采集电路。

因为STC12C5A60S2自带高速10位AD功能，所以我们可以通过两电阻分压，实现对当前光伏电池板、蓄电池的电压采集，然后由电压值判断当前的充电阶段，选择适当的充电方式。电路中的电流信号为直流，因此我们采用ACS712基于霍尔效应的电流传感器。

ACS712 可为工业、商业和通信系统中的交流或直流电流感测提供经济实惠且精确的解决方案。该器件封装便于客户轻松实施。典型应用包括电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护。该器件具有精确的低偏置线性霍尔传感器电路，且其铜制的电流路径靠近晶片的表面。通过该铜制电流路径施加的电流能够生成可被集成霍尔 IC 感应并转化为成比例电压的磁场。通过将磁性信号靠近霍尔传感器，实现器件精确度优化。精确的成比例电压由稳定斩波型低偏置 BiCMOS 霍尔 IC 提供，通过此传感器我们就可以将电路中的电流信号变成可以采集的电压信号了。

整个电路包括：电压采集部分，电流采集部分和继电器开关部分。电压采集部分通过两电阻分压同时在采集电阻两端反向并联一个稳压二极管，保护单片机引脚不会出现过电压。电流采集部分就是将ACS712串到电路中去，通过IC的一个引脚输出与线路电流成比例的电压信号，供单片机采集。而继电器开关部分是为了在蓄电池充电满时，可以切断充电电路，避免出现过冲现象的。

6、无线遥控电路：

为了方便维护人员远距离控制探照灯的方位，探查周围线路情况，本系统设计了无线遥控部分。考虑到高压线路的高度和无线模块的传输距离，我们采用315MHz的无线模块，该数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在－25～+85度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。

数据模块具有较宽的工作电压范围3～12V，当电压变化时发射频率基本不变,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。当发射电压为3V时，空旷地传输距离约20～50米，发射功率较小，当电压5V时约100～200米，当电压9V时约300～500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60毫安，空旷地传输距离700～800米，发射功率约500毫瓦。经调研可得采用此模块满足本系统的控制范围。

本发明的工作过程：

当白天光照强度足够时，进行充电过程。

检测光伏电池板输出电压，当电压大于15V，且蓄电池电压小于13.8V时，对蓄电池进行充电。

当蓄电池电压大于13.2V时，对蓄电池进行浮充充电，当蓄电池电压小于13.2V且大于10.8V时，进行恒压充电，否则进行恒流充电。蓄电池的两端电压通过单片机自带的高速10位AD进行采集。与此同时ACS712霍尔式电流传感器时时采集当前线路中电流，当充电电流过高时，断开保护，且进行报警。

当蓄电池两端电压大于13.8V时，不进行充电，此时蓄电池的电量已经充满，达到了饱和状态。

当夜晚来临或者光照强度不大时，系统进入夜间模式。

当蓄电池电压大于10.8V时，系统打开航标灯，进行安全指示。

如果此时收到照明开关信号，则打开探照灯，进行照明。与此同时时时检测电路中电流，防止出现电流过高现象。一旦出现电流过高现象，系统则关闭负载并报警提示。

如果收到云台转动信号，则云台开始运动，到达指定位置。

本发明专利针对夜间高压输电线路维修照明问题，提出了有效的解决方案，设计并开发了一套智能照明装置。本装置采用的元器件性价比高，便于安装，实现了自主供电，360度无死角照明。

本发明提出的技术方案能够提高维修人员的工作效率，改善了高压输电线路夜间维护条件，通用性极强。

特点：

(1)本系统安装在偏远地区，采用太阳能光伏发电系统，克服了传统依靠电网电能的缺点，安装方便，并且可以进行独网供给照明和控制。

(2)光伏电池板对蓄电池进行充电采用三段式充电方式，并且采用MPPT最大功率跟踪的算法，不仅能够提高光伏电池板的充电效率，而且能够延长蓄电池的使用寿命。

(3)在输电线路上安装了智能照明装置，解决了工作人员在夜间进行线路检修和系统维护的困难，因此提高了工作效率。

(4)该照明装置与传统的照明有很大的不同，具有远距离遥控的特点，并且可以360度无死角旋转照明，无论线路上哪里出现故障都可以进行及时有效的照明观察。

Claims (1)

1.架空输电线路夜视照明装置，由太阳能发电部分、单片机最小系统电路部分、光伏充电控制电路部分、云台控制电路部分、充放控制电部分、电压电流采集电路部分、无线遥控电路部分以及电压电流采集电路、照明部分和旋转装置部分组成，

其特征是：

太阳能电池板（3）通过BUCK电路（4）为蓄电池（14）充电，并通过逆变器（15）为LED照明灯（17）供电；

与太阳能电池板连接的BUCK电路通过MOSFTE驱动电路（5）和PWM输出（6）为MCU系统（7）提供电源；

太阳能电池板发出的电流经过电流信号采集和电压信号采集后，通过太阳能电池板电压检测（10）、太阳能电池板电流检测（11）、太阳能电池板光照检测（12）和无线遥控信号（13）为MCU系统提供电信号；

从蓄电池输出线路电池电压检测（8）信号和电池电流检测（9）信号分别为MCU系统提供信号；

由太阳能电池板采集的电流与电压信号和从蓄电池中采集的电流与电压信号共同为云台（16）提供信号；

在发电与照明系统中，配备有地面手持遥控器（2），其中一侧与无线模块（1）连接，另一端通过云台用于遥控太阳电池板实现上、下、左和右的转动。