陳 隆，楊曉東，林天佑

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江杭州311232;2.浙江工業(yè)大學信息工程學院，浙江杭州310023)

0 引言

由于變電站通常處于空曠的地理環(huán)境中且其中電氣設(shè)備長期靜止運行，往往會吸引鳥類將鳥巢筑在變電站設(shè)備上，容易引起電力系統(tǒng)事故，鳥類活動已經(jīng)嚴重威脅到電力系統(tǒng)(變電站，輸電線路等)的穩(wěn)定、安全運行［1-2］。目前，國內(nèi)外針對電力系統(tǒng)的驅(qū)鳥手段主要為:人工驅(qū)鳥、利用風車、鳥刺、防鳥板等驅(qū)鳥以及使用簡單電子驅(qū)鳥器驅(qū)鳥。人工驅(qū)鳥雖然效果明顯，但要耗費大量的人力、物力;風車、鳥刺及防鳥板只能在理想情況下起到一定的作用，當遇到大風等情況，不但不能起到作用，如有異物落到上面反而有可能起到相反作用;而簡單的電子驅(qū)鳥器則存在過多的無用損耗和維護困難等缺陷［3-9］。上述驅(qū)鳥手段普遍存在效率低、經(jīng)濟性不高以及可管理性差等弊端。

目前，對于復雜電子驅(qū)鳥裝置的研究，主要從檢測、驅(qū)趕鳥類方式等方面入手，大多局限于對一體化驅(qū)鳥裝置的研究。該類驅(qū)鳥裝置若單獨使用，則驅(qū)鳥范圍局限;若多裝置多點使用，則在檢測、驅(qū)趕作用范圍不一致的情況下，必定會造成浪費或驅(qū)鳥范圍不足。

針對上述分析，本研究基于ZigBee 無線通信技術(shù)、多普勒效應(yīng)、超聲波技術(shù)設(shè)計一種經(jīng)濟、實用的新型變電站分離式智能驅(qū)鳥系統(tǒng)。

1 分離式智能驅(qū)鳥系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 問題描述

前期工作中，本研究基于多普勒效應(yīng)和超聲波技術(shù)成功研制了適用于變電站的驅(qū)鳥觸發(fā)裝置。驅(qū)鳥裝置檢測方位及距離如圖1所示。實際測試結(jié)果顯示，檢測設(shè)備的有效探測距離為10 m～15 m，范圍局限在圓心角為60°～120°的扇形區(qū)域內(nèi)。如果不對全站進行整體防護，鳥類在被驅(qū)趕出某一設(shè)備后，又會在另一設(shè)備上重新做窩。因此很有必要對變電站進行整體防護。但如果將現(xiàn)有的驅(qū)鳥裝置應(yīng)用于保護變電站所有設(shè)備，將需要安裝大量的驅(qū)鳥裝置，存在項目經(jīng)費過高、維護工作量龐大、技術(shù)經(jīng)濟性較差等弊端。

圖1 驅(qū)鳥裝置檢測方位及距離

1.2 系統(tǒng)簡述

本研究將上述驅(qū)鳥裝置分割為檢測與超聲波驅(qū)趕兩個分離的部分，根據(jù)實際需求分別布置檢測設(shè)備與超聲波驅(qū)趕設(shè)備，并在各設(shè)備間建立通信網(wǎng)絡(luò)，使檢測設(shè)備和超聲波驅(qū)趕設(shè)備協(xié)同、配合完成驅(qū)鳥工作，構(gòu)成變電站級的驅(qū)鳥防護網(wǎng)。

檢測設(shè)備基于多普勒效應(yīng)原理探測鳥的存在與否，超聲波驅(qū)趕設(shè)備的動作器件為超聲波發(fā)生器。限于現(xiàn)有技術(shù)以及經(jīng)濟性要求，檢測設(shè)備的有效探測范圍如圖1所示。驅(qū)趕設(shè)備的有效作用范圍在半徑為15 m～30 m 的球體內(nèi)。

本研究根據(jù)檢測設(shè)備和超聲波驅(qū)趕設(shè)備的作用范圍將變電站劃分N 個邊長為45 m 的網(wǎng)格，并根據(jù)網(wǎng)格中設(shè)備的實際情況具體設(shè)計檢測設(shè)備的布置數(shù)量、方向及位置，網(wǎng)格中的布置方案示意圖如圖2所示。

圖2 探測與超聲波驅(qū)趕設(shè)備布置方案示意圖

分離式智能驅(qū)鳥系統(tǒng)基于ZigBee 通信組網(wǎng)技術(shù)以及具體設(shè)備布置方案構(gòu)建而成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 智能驅(qū)鳥系統(tǒng)構(gòu)成示意

系統(tǒng)由通信網(wǎng)絡(luò)、若干檢測與超聲波驅(qū)趕設(shè)備以及系統(tǒng)服務(wù)器構(gòu)成。由于檢測設(shè)備的作用范圍較驅(qū)趕設(shè)備的作用范圍大，本研究基于ZigBee 通信技術(shù)將若干個檢測設(shè)備對應(yīng)于1 個超聲波驅(qū)趕設(shè)備映射在同一個網(wǎng)格中，實現(xiàn)變電站的所有設(shè)備處于驅(qū)鳥防護網(wǎng)中。對于任一網(wǎng)格，如果其中的某個檢測設(shè)備被觸發(fā)，將啟動該網(wǎng)格中的超聲波驅(qū)趕模塊，將鳥驅(qū)趕走。

1.3 系統(tǒng)通信

各設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互由ZigBee 技術(shù)承擔。ZigBee是一種短距離、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)［10-13］，其主要技術(shù)特點有:

(1)快速自組網(wǎng)能力。對整個變電站構(gòu)建驅(qū)鳥網(wǎng)絡(luò)，需要布置大量的檢測設(shè)備和驅(qū)趕設(shè)備，ZigBee 技術(shù)的快速自組織能力可以方便地組網(wǎng)，快速地在各設(shè)備間建立無線連接;

(2)低功耗。驅(qū)鳥設(shè)備往往采用光伏或蓄電池供電，ZigBee 技術(shù)低功耗的特點可以延長驅(qū)鳥設(shè)備的工作時長。

(3)高可靠性。ZigBee 協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?物理層使用OQPSK(偏移四相相移鍵控)和DSSS(直接序列展頻)調(diào)制技術(shù);采用CSMA-CA 解決數(shù)據(jù)沖突問題;16-bits CRC 校驗等。對手機、發(fā)配電設(shè)備等的電磁干擾有良好的防護。

(4)主要適用于短距、無線控制系統(tǒng)，傳輸少量控制信息，速率最高可達250 Kbps。

ZigBee 技術(shù)的物理設(shè)備按功能分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，根據(jù)在系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，分別對應(yīng)于圖3 中的協(xié)調(diào)器、超聲波驅(qū)趕設(shè)備和檢測設(shè)備，并共同組建形成網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)絡(luò)。各部分的功能分別為:

(1)協(xié)調(diào)器。掃描空閑信道，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)等待設(shè)備加入、并維護現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，將驅(qū)鳥記錄及下屬設(shè)備狀態(tài)傳至系統(tǒng)服務(wù)器;

(2)超聲波驅(qū)趕設(shè)備。系統(tǒng)的執(zhí)行單元擁有路由功能，與協(xié)調(diào)器一起構(gòu)成ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的骨干，覆蓋整個變電站;等待接收其所在網(wǎng)格內(nèi)檢測設(shè)備的觸發(fā)信號，觸發(fā)信號到來時啟用變頻超聲波驅(qū)趕鳥類，并向服務(wù)器傳送驅(qū)鳥記錄;

(3)檢測設(shè)備。利用多普勒效應(yīng)原理探測是否有鳥類在該設(shè)備作用范圍內(nèi)，設(shè)備被觸發(fā)時即促使所在網(wǎng)格內(nèi)的驅(qū)趕設(shè)備工作;定時向服務(wù)器匯報設(shè)備狀況(故障與否、電池荷電狀態(tài)等)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與功能分析

2.1 協(xié)調(diào)器

本研究選用TI/Chipcon 公司的CC2530 硬件解決方案和Z-Stack 協(xié)議棧來實現(xiàn)所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的電路設(shè)計如圖4所示。

協(xié)調(diào)器是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的中樞，負責網(wǎng)絡(luò)的維護，工作量大，為防止數(shù)據(jù)溢出，本研究對存儲器進行了擴展。LED 指示燈用于指示設(shè)備工作狀態(tài)。串口組件用于與系統(tǒng)服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，如此，可在服務(wù)器的可視窗口中查看各設(shè)備的拓撲情況、設(shè)備狀況及歷史記錄等，方便人機交互。

圖4 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

2.2 超聲波驅(qū)趕設(shè)備

超聲波驅(qū)趕設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5所示。驅(qū)趕設(shè)備被觸發(fā)啟動后，會發(fā)射變頻超聲波驅(qū)趕鳥類，防止鳥類神經(jīng)系統(tǒng)適應(yīng)同一頻率超聲波的情況發(fā)生，保證驅(qū)鳥效果的持久性。超聲波的產(chǎn)生機理如圖6所示。

圖5 超聲波驅(qū)趕設(shè)備

圖6 變頻超聲波發(fā)生機理

超聲波產(chǎn)生電路主要由反相器和超聲波發(fā)射換能器構(gòu)成。該研究在輸入端加入一定頻率的方波，經(jīng)過反相器作用，將兩路方波信號加到超聲波換能器的兩端產(chǎn)生超聲波。這種推換形式可以大大提高超聲波的發(fā)射強度。本研究通過改變輸入端方波的頻率實現(xiàn)超聲波變頻。

2.3 檢測設(shè)備

檢測設(shè)備應(yīng)用多普勒原理，采用微波位移傳感器HB100 作為檢測模塊核心。檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖7所示。

傳感器HB100 可以檢測鳥飛來的速度，并將速度信號轉(zhuǎn)換成電信號，放大后傳送給微控制器，微控制器對信號處理后進行判斷，若判斷有飛鳥進入到檢測區(qū)域，則發(fā)送控制信號驅(qū)動超聲波驅(qū)趕模塊進行驅(qū)鳥行為。實驗表明傳感器HB100 可以精確檢測到10 m～15 m 范圍內(nèi)的物體移動，并產(chǎn)生相應(yīng)的信號。

圖7 檢測設(shè)備

2.4 設(shè)備供電方式

本研究對檢測設(shè)備定時喚醒來檢測飛鳥蹤跡，其余時間處于休眠狀態(tài)，故采用蓄電池對其進行供電。圖7 中CC2530 與HB100 都具有低功耗的特點，蓄電池供電可以保證檢測設(shè)備的長時間運行。

考慮到超聲波驅(qū)趕設(shè)備的功率需求，筆者采用獨立光伏充、放電系統(tǒng)作為對驅(qū)趕設(shè)備的供電電源，實現(xiàn)對驅(qū)趕設(shè)備的長期穩(wěn)定供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器主要負責網(wǎng)絡(luò)的組建、維護、控制終端節(jié)點的加入等。智能驅(qū)鳥系統(tǒng)中ZigBee協(xié)調(diào)器的軟件流程如圖8所示。網(wǎng)絡(luò)號PAN ID 是一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的標志，在同一區(qū)域中是獨一無二的，路由設(shè)備和終端設(shè)備均根據(jù)網(wǎng)絡(luò)號加入到相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖8 協(xié)調(diào)器軟件流程

網(wǎng)絡(luò)組織者協(xié)調(diào)器與系統(tǒng)服務(wù)器直接相連，將網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的相關(guān)信息送往服務(wù)器，實現(xiàn)友好地人機界面，方便驅(qū)鳥設(shè)備與變電站工作人員實時交互。

3.2 超聲波驅(qū)趕設(shè)備軟件設(shè)計

超聲波驅(qū)趕設(shè)備軟件流程如圖9所示。初始化后，軟件會掃描所有的可用信道來試圖找到一個Zig-Bee 協(xié)調(diào)器節(jié)點，并請求加入網(wǎng)絡(luò)，得到協(xié)調(diào)器肯定的答復后，即可加入一個擁有特定PAN ID 的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。加入網(wǎng)絡(luò)后，軟件為設(shè)備狀態(tài)報告事件設(shè)置定時器中斷，定時器溢出即向網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點報告設(shè)備狀態(tài)，同時等待消息的到來，如果接收到檢測設(shè)備的觸發(fā)信號，則產(chǎn)生不同頻率方波誘導發(fā)射變頻超聲波進行驅(qū)鳥，如果是需要轉(zhuǎn)發(fā)的信息，則開啟路由功能。

圖9 超聲波驅(qū)趕設(shè)備軟件流程

3.3 檢測終端軟件設(shè)計

檢測設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的過程與驅(qū)趕設(shè)備相同，加入網(wǎng)絡(luò)后，一方面會為設(shè)備狀態(tài)報告事件設(shè)置定時器中斷，另一方面通過另一路定時器來定時喚醒設(shè)備檢測飛鳥蹤跡。具體軟件流程如圖10所示。

圖10 檢測設(shè)備軟件流程

檢測設(shè)備在系統(tǒng)中大量存在，構(gòu)成驅(qū)鳥系統(tǒng)的視覺系統(tǒng)，在防護網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，按圖1 布置檢測設(shè)備，任何一只鳥都不能躲開系統(tǒng)的“視覺系統(tǒng)”，配合ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸以及超聲波驅(qū)趕設(shè)備執(zhí)行驅(qū)鳥，本研究設(shè)計的分離式智能驅(qū)鳥系統(tǒng)可以實現(xiàn)變電站的全面驅(qū)鳥。

4 實驗與分析

本研究在某變電站實地環(huán)境下對該系統(tǒng)進行了相關(guān)性能的實驗測試，分別采用模擬鳥類飛行和實際觀察鳥類飛入兩種方法對該系統(tǒng)驅(qū)鳥的有效性進行驗證。

模擬鳥類飛行情況實驗中，本研究選擇3 種大小不同的遙控飛機區(qū)別不同大小的鳥類，考慮到飛機表面光滑和鳥類身體布滿羽毛對微波反射率的不同，在飛機表面覆蓋絨布模擬鳥類身體，分別以不同的速度和方向模擬鳥類飛入，并用示波器檢測位移傳感器信號放大電路的輸出。實驗結(jié)果顯示遙控飛機飛入時，檢測設(shè)備指示燈反應(yīng)，對應(yīng)范圍內(nèi)的位移傳感器輸出發(fā)生頻率變化，驅(qū)趕設(shè)備指示燈反應(yīng)，人機交互界面顯示驅(qū)趕設(shè)備運行，系統(tǒng)正常工作。

本研究實際觀察鳥類飛入情況，分別對晴天和雨天進行觀察，時間選擇鳥類活動頻繁的早晨。觀察結(jié)果顯示鳥類飛入時，檢測設(shè)備、驅(qū)趕設(shè)備指示燈反應(yīng)，鳥類被成功驅(qū)趕，整個變電站內(nèi)無鳥類持續(xù)活動。

5 結(jié)束語

本研究創(chuàng)新性地將傳統(tǒng)意義上的驅(qū)鳥裝置分割成分離的檢測和驅(qū)趕設(shè)備，并基于ZigBee 技術(shù)將布置在防護區(qū)域中的多個檢測、超聲波驅(qū)趕設(shè)備有機地連接起來，使檢測和驅(qū)趕設(shè)備協(xié)同完成變電站的驅(qū)鳥工作。相對于傳統(tǒng)一體式的驅(qū)鳥裝置，本研究提出的分離式智能驅(qū)鳥系統(tǒng)具有范圍廣、效率高、管理方便和信息化程度高等優(yōu)點，為變電站驅(qū)鳥提供了一種新的解決方案。

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