CN104898609B - 分布式脱冰跳跃控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式脱冰跳跃控制系统，属于输配电技术领域，包括两个以上的脱冰控制单元，各脱冰控制单元挂接于同一总线上，彼此之间相互等价、互不干扰，在总线尾端连接控制箱和计算机，形成分布式脱冰跳跃控制系统；脱冰控制单元包括微处理器ATmega128，485模块，光耦驱动电路以及四路电磁铁接口，利用485模块接收由计算机发出的各路覆冰重物时序配置指令，并返回配置信息；微处理器ATmega128作为控制单元，留有执行指令接口和时钟接口，对执行指令接口的检测采用轮询方式，当收到指令后即开始计时，当时间值达到预设脱冰时序时即通过光耦驱动电路驱动电磁铁动作，实现脱冰模拟。利用本发明可以实现架空导线多种时序的脱冰跳跃模拟实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式脱冰跳跃控制系统，属于输配电技术领域。
背景技术
架空输电线覆冰后会因为气温升高和风力作用产生脱冰跳跃现象，脱冰跳跃导致导地线间或导线相间空气间隙减小，发生闪络，同时脱冰跳跃属于动力学过程，会对绝缘子、金具和横担产生较大的动张力作用，尤其是相邻档间的不平衡动张力会使铁塔横担发生塑性变形甚至铁塔倾覆。架空输电线脱冰跳跃属于复杂强非线性过程，目前对该现象的研究侧重于数值仿真计算，实验研究相对较少。其主要原因在于实验系统不够完备，没有一套公认的实验装置可以对该过程进行模拟实验，本发明旨在研制一套分布式脱冰控制单元，以此实现多种时序下的脱冰跳跃工况。
华北电力大学研制了一种架空线覆冰载荷模拟试验装置(专利号：CN202092851)，即通过在导线上加装轻质铁吸盘，并利用电磁铁悬挂重物吸附铁吸盘实现覆冰工况模拟，切断电磁铁供电即实现脱冰工况模拟。在此基础上，华北电力大学研制了一套输电线路脱冰模拟实验系统(专利号：ZL201220701605.X)，可以对输电线路进行多种时序工况的脱冰跳跃实验，该系统采用集中式管理方式，各路覆冰重物从控制电路中引出线来加以控制。这种集中式的管理方式对脱冰的控制有所影响，很大程度上影响了处理速度，同时对多路重物之间的时序控制很难达到统一，影响测试精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种分布式脱冰跳跃控制系统，该系统改变了集中式的管理方式，换而采用分布式架构将脱冰控制任务分散到每个脱冰控制单元上，这种设计方式提高了系统的灵活性，各控制单元分别控制四路电磁铁接口，各路覆冰重物之间相互独立且等价，设置好不同的动作时序即可实现多种脱冰跳跃工况。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种分布式脱冰跳跃控制系统，其特征在于包括两个以上的脱冰控制单元，各脱冰控制单元挂接于同一总线上，彼此之间相互等价、互不干扰，在总线尾端连接控制箱和计算机，形成分布式脱冰跳跃控制系统；所述的脱冰控制单元包括微处理器ATmega128，485模块，光耦驱动电路以及四路电磁铁接口，该单元采用485方式通信，利用485模块接收由计算机发出的各路覆冰重物时序配置指令，并返回配置信息；微处理器ATmega128作为控制单元，留有执行指令接口和时钟接口，对执行指令接口的检测采用轮询方式，当收到指令后即开始计时，当时间值达到预设脱冰时序时即通过光耦驱动电路驱动电磁铁动作，实现脱冰模拟；所述的微处理器ATmega128中含有存储单元，接收到时序配置指令后即加以存储，并采用分布式脱冰跳跃控制系统中动作指令时延测量实验系统对系统的执行时间精度进行验证，结果显示精度较高。
对上述系统做进一步补充，所述的脱冰控制单元首先接收计算机发送过来的脱冰时序，而后对四路电磁铁接口处的覆冰重物脱冰时序进行配置，微处理器内置的存储单元保存设置的时序，配置成功后返回配置成功信息，脱冰控制单元进入待命状态；控制箱通过总线与各个脱冰控制单元连接，拨动开关即向各个脱冰控制单元发出动作指令，各个脱冰控制单元收到指令后，脱冰控制单元即开始计时，此处每毫秒时间执行一次加一指令，当所计时间值达到动作时间时，执行脱冰动作；若设置各路覆冰重物脱冰时间值一致时，各覆冰重物同时坠落，为同期脱冰工况模拟，所设置的时间值不一致时，即为非同期脱冰工况模拟。
分布式脱冰跳跃控制系统中动作指令时延测量实验系统，其特征在于包括5个脱冰控制单元，各个脱冰控制单元等距间隔并挂接于总线上，并且在总线的一端连接有控制箱，在1号脱冰控制单元和5号脱冰控制单元上分别串接两个示波器，两个示波器与总线连接形成检测回路；控制箱发出拨动开关动作指令后，至各个脱冰控制单元接收动作指令期间，由两个示波器采集1号脱冰控制单元和5号脱冰控制单元上控制口的电平变化，即可获得1号脱冰控制单元和5号脱冰控制单元之间的动作指令之间的延时。
一种分布式脱冰跳跃控制系统中覆冰重物脱冰延差的实验系统，其特征在于包括两路覆冰重物和一个示波器，其中每路覆冰重物挂接在电磁铁和吸盘组成的固定装置，电磁铁和吸盘均为金属质外壳，两路覆冰重物连接的电磁铁和吸盘设有独立的电源，将电源负端连接吸盘，正端连接示波器通道口一极，电磁铁上连接导线到示波器通道口另一极，形成实验回路；当覆冰重物悬挂的时候电磁铁与吸盘吸合，示波器检测到高电平，覆冰重物坠落时电磁铁与吸盘脱离，高电平跳变为低电平，通过各路覆冰重物的电平变化时间进行测试对比，获得覆冰重物脱冰延差。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用高精度石英晶振提供系统振荡信号，为ATmega128提供稳定时钟周期源，实现高精度计时。系统中各个脱冰控制单元电路完全一样，各单元挂接在总线上时相互之间独立等价，且在驱动电路中摈除电气控制而采用光耦合的控制方式，进一步减少了各路可调覆冰重物脱冰动作的干扰性。在开始执行时，动作指令由控制箱通过控制总线统一发送，确保各分布式脱冰跳跃控制系统在同一时刻接收到动作指令，并能在相互等价的条件下高精度地按时序完成各路脱冰动作。这些设计方式提高了系统的脱冰控制时间精度，使得系统能够实现毫米级精度的时间间隔。
为尽量减小脱冰时延差，利用动作指令时延测量实验系统进行检测，使分布式脱冰跳跃控制系统中各个脱冰控制单元采用同样的设计电路，电磁铁与控制装置连线采用等长同型号导线，电磁铁也采用同样的型号。又由于系统采用各路覆冰重物坠落过程相互独立的设计方式，使得相互干扰大大降低，脱冰时延进一步减小。
覆冰重物脱冰延差的实验系统可以获得分布式脱冰跳跃控制系统中覆冰重物脱冰延差，通过对脱冰动作时延的对比，本发明具有较高的时间精度，其值能够达到毫秒级，满足架空导线脱冰跳跃实验要求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是分布式脱冰跳跃控制系统控制电路原理图；
图2是脱冰控制单元执行流程示意图；
图3是分布式脱冰跳跃控制系统总体逻辑结构图；
图4是动作指令时延测量实验系统组成图；
图5是覆冰重物脱冰延差的实验系统组成图；
图6控制箱开关电平和脱冰控制装置控制口电平，(a)为控制箱开关电平和1号脱冰控制装置控制口电平，(b)控制箱开关电平和2号脱冰控制装置控制口电平；
图7为相邻覆冰重物脱冰时延差对比，(a)1号装置第一、二路电平,(b)1号装置第四路和2号装置第一路电平；
图8十毫秒数量级1号装置第一路和第二路电平对比,(a)10ms时间间隔,(b)20ms时间间隔,(c)30ms时间间隔；
图9为本发明的脱冰动作时序图；
其中：1、覆冰重物，2、电磁铁，3、吸盘，4、示波器，5、控制箱，6～10分别代表1～5号脱冰控制单元，11、计算机，12、总线。
具体实施方式
参见图1，分布式脱冰跳跃控制系统组成部分包括：核心管理芯片cpu ATmega128，485通信模块，光耦驱动电路以及四路电磁铁接口，其中核心管理芯片为8位高性能单片机AVR ATmega128，其主管接收配置指令、返回配置信息，接收执行指、驱动电磁铁进行动作等功能，其中配置指令和配置信息通过485模块转换为可远距离传输的485通信电平。分布式脱冰控制单元采用485方式通信，可以接收各路覆冰重物时序配置指令，并返回配置信息。控制单元留有执行指令接口，对该口的检测采用轮询方式，当收到指令后即开始计时，当时间值达到预设脱冰时序时即通过光耦驱动电路驱动电磁铁动作，实现脱冰模拟。控制单元中含有存储单元，接收到时序配置指令后即加以存储，断电重启后，核心芯片调用存储的时序值直接运行，而不用重新配置。
ATmega128核心电路工作电压为5V，覆冰重物所连接的电磁铁工作电压为12V，两者之间不能直接连接，同时由于电磁铁通断会产生的瞬间的高感应电压，不能进入核心电路，此处采用光耦驱动电路将两者隔离，增强了ATmega128对各路电磁铁的驱动能力，并减小了感应电压的冲击影响。
指令统一编辑为数据帧，数据帧包含6个八位二进制码，帧头和帧尾统一分别为“0xeb”和“0x90”，数据帧中间部分分别包含了设置地址、设置每路动作时间、查询、清除等功能代码。其中“功能号”区别指令的功能，“地址”表示设备的地址号，“保留”字段统一使用“0x00”填满。此处，“电磁铁号”分别表示每个脱冰装置中四路电磁铁标示，该编辑方式实现了可以对每个脱冰控制装置中的每路电磁铁进行时序设置。“时间高位”和“时间低位”用于设置电磁铁动作执行时间，具体时间为“时间高位”×256+“时间低位”，单位为毫秒。指令格式如表1所示。
表1 指令格式
各路覆冰重物采用电磁铁吸合与断开的方式进行控制，当电磁铁吸合时，即模拟覆冰工况，脱冰工况采用断开电磁铁方式实现。各路覆冰重物通过电磁铁接口与分布式脱冰控制单元连接，操纵电磁铁接口即可以控制覆冰重物脱冰动作执行，一台分布式脱冰控制单元可以连接四路覆冰重物，每路覆冰重物可以单独进行控制。
分布式脱冰控制单元提供四路电磁铁接口，电磁铁接口与覆冰重物上的电磁铁相连，控制电磁铁接口通电时，覆冰重物上的电磁铁带电产生吸力，吸附在架空导线上的轻质铁吸盘上，完成覆冰工况模拟，控制电磁铁接口断电时，电磁铁吸力丧失，覆冰重物脱离导线完成脱冰工况模拟。通过控制电磁铁接口即可方便实现覆冰脱冰工况模拟。
为增强系统可扩展性能，分布式脱冰控制单元内置控制电路完全一样，各单元具有等价性，当实验系统需要增加覆冰重物数量时，只要增加相应的脱冰控制单元即可。同理而言，对于覆冰重物数量需求较小的情况，只需要减少相应的控制单元即满足要求。同时由于控制控制单元中每路电磁铁可独立工作，增加或减少接入电磁铁的路数也可以实现覆冰重物数量的增减。
参见图2，分布式脱冰跳跃控制系统按照如图所示的流程运行，
首先，各脱冰控制单元接收脱冰时序设置指令，对各自所控四路覆冰重物进行时序设置，控制单元内置存储单元，对所设置的时序进行保存，断电后重启还保存有上次所设时序值。而后，脱冰控制单元即开始等候动作执行指令，当收到动作指令后，脱冰控制单元即开始计时，此处每毫秒时间执行一次加一指令，当所计时间值达到动作时间时，脱冰控制单元即执行脱冰动作。当设置各路覆冰重物脱冰时间值一致时，各覆冰重物同时坠落，所设置的时间值不一致时即实现非同期脱冰工况，因此通过改变各路覆冰重物脱冰时间设置即可模拟出多种脱冰时序工况。
参见图3，脱冰控制单元采用分布式架构等价且互不干扰地挂接在总线上独立运行，总线包括485通信总线、控制总线以及电源总线，各控制单元的时序配置信息采用485通信总线传递，控制总线对各个脱冰控制单元发送控制指令，实现统一控制，电源总线为各控制单元供电。计算机通过控制箱对总线进行控制，进而实现对各脱冰控制单元的控制，各脱冰控制单元采用同样的设计，彼此之间相互等价，各单元工作时统一挂接在总线上，各自执行自己所管辖的四路覆冰而不互相干扰，这样的设计使得系统在需要增加覆冰重物时，只需再添加脱冰控制单元即可，同样反之亦然。各脱冰控制单元等价地挂接在总线上体现了分布式架构特点，提高了系统的灵活性和可扩展性。
本发明采用高精度石英晶振提供系统振荡信号，为ATmega128提供稳定时钟周期源，实现高精度计时。系统中各个脱冰控制装置电路完全一样，各装置挂接在总线上时相互之间独立等价，且在驱动电路中摈除电气控制而采用光耦合的控制方式，进一步减少了各路可调覆冰重物脱冰动作的干扰性。在开始执行时，动作指令由控制箱通过控制总线统一发送，确保各分布式脱冰跳跃控制系统在同一时刻接收到动作指令，并能在相互等价的条件下高精度地按时序完成各路脱冰动作。这些设计方式提高了系统的脱冰控制时间精度，使得系统能够实现毫秒级精度的时间间隔。
分布式脱冰跳跃控制系统脱冰动作执行流程为：脱冰控制装置首先接收控制软件发送过来的脱冰时序，而后对各路覆冰重物脱冰时序进行配置，配置成功后返回配置成功信息并进入待命状态。控制箱通过控制总线与各个脱冰控制装置连接，拨动开关即向各个装置发出动作指令，各个脱冰控制装置收到指令后按照所设置的时序动作。整个过程从拨动开关起始到覆冰重物脱落可以分为两个时间段，具体如图9所示，图中的i表示第i个脱冰控制装置，i＝1,2,3……；k表示第k路覆冰重物，k＝1,2,3,4。
由图9可知，从拨动开关发出动作指令到脱冰控制装置收到指令到第i个脱冰控制装置收到指令会存在一个动作指令时延Δti，脱冰控制装置收到动作指令后开始计时，当计时达到tik时，即驱动继电器动作完成覆冰重物坠落过程，这段过程中会存在一个时间差Δtik。
第i个脱冰控制装置第k路覆冰重物从拨动控制开关到脱冰动作完成之间的时间总和可以表示为：
tik_all＝Δti+tik+Δtik (1)
同理，第j个脱冰控制装置第k路覆冰重物从拨动控制开关到脱冰动作完成之间的时间总和为：
tjk_all＝Δtj+tjk+Δtjk (2)
本系统需保证不同覆冰重物之间坠落时间差的精确性，即时间差δt与设定的时间间隔吻合。该时间差可以表示为：
δt＝tjk_all-tk_all＝(Δtj-Δti)+(tjk-tik)+(Δtjk-Δtik) (3)
此处即要求时间差(Δtj-Δti)项和(Δtjk-Δtik)项尽可能接近于零。
系统采用控制总线方式统一向各个脱冰控制装置发送动作执行指令，各脱冰控制装置依次挂接在总线上，不同脱冰控制装置距离控制箱远近有差异，这就导致各个装置接收到动作指令时间存在一定的延时差，式(3)中的(Δtj-Δti)项可能较大。为此建立动作指令时延测量实验系统如图4所示，控制箱与1号脱冰控制装置采用10m控制总线连接，总线上依次间隔25m挂接了5个脱冰控制装置，5号脱冰控制装置与控制箱之间控制连线总长100m。
如图4所示，从控制箱拨动开关到1号脱冰控制装置和5号脱冰控制装置收到动作指令之间的延时分别为Δt1和Δt5，示波器分别采集控制箱拨开关和脱冰控制装置控制口的电平变化。实验采用UTD2052CL型双通道示波器，最大采样率为500Ms/s，可以识别2ns的电平变化。实验测得结果如图6所示。
由图6可知，不管距离远近，控制箱开关电平与脱冰控制装置控制口电平变化几乎一样，也就是说控制箱拨动开关发出动作指令时，总线上各个脱冰控制装置同时收到动作指令，各装置之间不存在时间差，式(3)中的(Δtj-Δti)项可以视作零。具体是因为脱冰控制装置之间的控制总线采用双芯导线连接，没有接任何容性和感性器件，减小了时延差。
各个脱冰控制装置接受到动作指令后即启动计时功能，当达到预设定的时间时驱动继电器切断电磁铁电源，电磁铁连同覆冰重物从架空线坠落。各路覆冰重物之间的坠落时间存在如式(3)所示的(tjk-tik)+(Δtjk-Δtik)项时间差，其中(tjk-tik)为预设值的时间差，(Δtjk-Δtik)为误差项，这里称作脱冰时延差，系统能够完成高精度整档同期和非同期脱冰过程需要减小脱冰时延差，而使得各路覆冰重物坠落时间差接近于(tjk-tik)值。为尽量减小脱冰时延差，系统中各个脱冰控制装置采用同样的设计电路，电磁铁与控制装置连线采用等长同型号导线，电磁铁也采用同样的型号。又由于系统采用各路覆冰重物坠落过程相互独立的设计方式，使得相互干扰大大降低，脱冰时延进一步减小。
为验证不同路覆冰重物脱冰时延差很短，本文设计了一套测取两路覆冰重物之间时延差的实验系统，如图5所示。
实验中吸盘和电磁铁均为金属质外壳，将电源负端连接吸盘，正端连接示波器通道口一极，再在电磁铁上连接导线到示波器通道口另一极，当重物悬挂的时候电磁铁与吸盘吸合，示波器可以检测到高电平，重物坠落时电磁铁与吸盘脱离，高电平跳变为低电平。通过这种方法可以将重物坠落过程转换为观察电平变化，电平发生变化的时刻即重物坠落时刻。同样示波器的另一个通道用于检测第j路电磁铁吸合坠落情况。为验证不同脱冰时序情况下的时延差，实验系统对整档同时脱冰和间隔十毫秒数量级脱冰时延差分别进行研究。
整档同时脱冰时，各脱冰控制装置每路覆冰重物坠落时间设置为同一时刻，不失一般性，系统对一号脱冰控制装置中的第一路电平和第二路电平以及一号脱冰控制装置第四路电平和2号装置第一路电平进行测试对比。其实测图如图7所示。
非同期脱冰时，各路覆冰重物坠落时间不一致，系统针对十毫秒数量级时间间隔情况下的脱冰时延差进行实测，结果如图7所示。这里脱冰时序为从1号脱冰控制装置到5号脱冰控制装置，从第一路覆冰重物到第四路覆冰重物依次顺序脱落。
由图8可知，在10ms、20ms、30ms时间间隔情况下，相邻覆冰重物脱冰时延差较小，都在3ms以内。另外系统对更长时间间隔情况下的脱冰时延差进行实测，如表2所示。其中误差＝(延时差-标准值)/标准值×100％。
表2不同时间间隔相邻脱冰动作时延差
由表2可知，在十毫秒数量级时间间隔非同期脱冰工况下，相邻路覆冰重物脱冰时间间隔与预设值误差不大，脱冰时延差不超过3ms，尤其是在时间间隔较长情况下误差百分比较小，系统精度更高。
通过对脱冰动作时延的对比，本发明具有较高的时间精度，其值能够达到毫秒级，满足架空导线脱冰跳跃实验要求。
Claims (3)
1.一种分布式脱冰跳跃控制系统，其特征在于包括两个以上的脱冰控制单元，各脱冰控制单元挂接于同一总线上，彼此之间相互等价、互不干扰，在总线尾端连接控制箱和计算机，形成分布式脱冰跳跃控制系统；所述的脱冰控制单元包括微处理器ATmega128，485模块，光耦驱动电路以及四路电磁铁接口，该单元采用485方式通信，利用485模块接收由计算机发出的各路覆冰重物时序配置指令，并返回配置信息；微处理器ATmega128作为控制单元，留有执行指令接口和时钟接口，对执行指令接口的检测采用轮询方式，当收到指令后即开始计时，当时间值达到预设脱冰时序时即通过光耦驱动电路驱动电磁铁动作，实现脱冰模拟；所述的微处理器ATmega128中含有存储单元，接收到时序配置指令后即加以存储，并采用分布式脱冰跳跃控制系统中动作指令时延测量实验系统对系统的执行时间精度进行验证，结果显示精度较高；所述的脱冰控制单元首先接收计算机发送过来的脱冰时序，而后对四路电磁铁接口处的覆冰重物脱冰时序进行配置，微处理器内置的存储单元保存设置的时序，配置成功后返回配置成功信息，脱冰控制单元进入待命状态；控制箱通过总线与各个脱冰控制单元连接，拨动开关即向各个脱冰控制单元发出动作指令，各个脱冰控制单元收到指令后，脱冰控制单元即开始计时，此处每毫秒时间执行一次加一指令，当所计时间值达到动作时间时，执行脱冰动作；若设置各路覆冰重物脱冰时间值一致时，各覆冰重物同时坠落，为同期脱冰工况模拟，所设置的时间值不一致时，即为非同期脱冰工况模拟。
2.根据权利要求1所述的分布式脱冰跳跃控制系统中动作指令时延测量实验系统，其特征在于包括5个脱冰控制单元，各个脱冰控制单元等距间隔并挂接于总线上，并且在总线的一端连接有控制箱，在1号脱冰控制单元和5号脱冰控制单元上分别串接两个示波器，两个示波器与总线连接形成检测回路；控制箱发出拨动开关动作指令后，至各个脱冰控制单元接收动作指令期间，由两个示波器采集1号脱冰控制单元和5号脱冰控制单元上控制口的电平变化，即可获得1号脱冰控制单元和5号脱冰控制单元之间的动作指令之间的延时。
3.如权利要求1所述的分布式脱冰跳跃控制系统中覆冰重物脱冰延差的实验系统，其特征在于包括两路覆冰重物和一个示波器，其中每路覆冰重物挂接在电磁铁和吸盘组成的固定装置，电磁铁和吸盘均为金属质外壳，两路覆冰重物连接的电磁铁和吸盘设有独立的电源，将电源负端连接吸盘，正端连接示波器通道口一极，电磁铁上连接导线到示波器通道口另一极，形成实验电路；当覆冰重物悬挂的时候电磁铁与吸盘吸合，示波器检测到高电平，覆冰重物坠落时电磁铁与吸盘脱离，高电平跳变为低电平，通过各路覆冰重物的电平变化时间进行测试对比，获得覆冰重物脱冰延差。
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