朱偉華, 宋 宇, 王中寶, 李 可

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 吉林 吉林 132021)

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4G和短報(bào)文通信在輸電線路巡檢中的應(yīng)用研究

朱偉華, 宋 宇, 王中寶, 李 可

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 吉林 吉林 132021)

為了擺脫我國(guó)定位系統(tǒng)主要依賴于國(guó)外的局面,設(shè)計(jì)了一種基于北斗定位技術(shù)的輸電線路巡檢系統(tǒng)。以Linux操作系統(tǒng)為平臺(tái),利用高速率的4G和北斗定位系統(tǒng)所特有的短報(bào)文相結(jié)合的通信方式。該系統(tǒng)可為巡檢人員提供精確定位、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃及路徑回放等功能。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試,該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠,抗電磁干擾能力強(qiáng)。

智能電網(wǎng)； 電力線巡檢； 北斗導(dǎo)航定位； 4G； 短報(bào)文通信

北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)、自主運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),該系統(tǒng)采用主動(dòng)式雙向測(cè)距二維導(dǎo)航,地面中心控制系統(tǒng)解算,供用戶三維定位數(shù)據(jù),北斗衛(wèi)星具有雙重功能，即定位功能和短報(bào)文通信功能,其中短報(bào)文功能是北斗系統(tǒng)所獨(dú)有的[1-4]。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3部分組成,空間段包括靜止軌道衛(wèi)星和非靜止軌道衛(wèi)星,地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站,用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端[5-8]。北斗定位系統(tǒng)三維定位精度為10 m,測(cè)速精度為0.2 m/s,授時(shí)精度為10 ns。截至到2016年3月30日,我國(guó)已成功發(fā)射22顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星,該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的同步授時(shí)、測(cè)繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運(yùn)輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)及公共安全等諸多領(lǐng)域[9-11]。

輸電線路是我國(guó)電力系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)有著重要意義。但是,我國(guó)地形復(fù)雜,輸電線路經(jīng)常會(huì)受到污穢、地震、強(qiáng)風(fēng)、洪水、滑坡、雷擊、沉陷等各種潛在危害。目前,電力線巡檢行業(yè)采用的導(dǎo)航定位系統(tǒng)多為GPS(global positioning system)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),然而,GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)存在著復(fù)雜地形定位精度較低、抗干擾能力差，以及其由美國(guó)軍方控制對(duì)我國(guó)本土電網(wǎng)企業(yè)形成潛在的安全隱患等弊端。鑒于此,本文設(shè)計(jì)一種基于北斗定位技術(shù)的輸電線路巡檢系統(tǒng),以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為平臺(tái),信號(hào)強(qiáng)時(shí)采用4G無(wú)線通信,信號(hào)弱時(shí)采用短報(bào)文通信,實(shí)現(xiàn)人員精確定位、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、電網(wǎng)管理部門實(shí)時(shí)調(diào)度監(jiān)控及路徑回放等功能。

1 電力線巡檢系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于北斗定位技術(shù)的輸電線路巡檢系統(tǒng)主要由巡視手持終端(personal digital assistant,PDA)、無(wú)線通信模塊、電力調(diào)度遠(yuǎn)程監(jiān)控中心3部分構(gòu)成,系統(tǒng)整體框架圖見(jiàn)圖1。手持終端PDA主要包含高精度的北斗定位系統(tǒng)、ARM主控制器模塊及相應(yīng)的外圍電路；無(wú)線通信模塊主要包括4G無(wú)線通信模塊和北斗衛(wèi)星所特有的短報(bào)文通信模塊；電力調(diào)度遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要包括服務(wù)器、地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)電子地圖以及結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言(structured query language,SQL)數(shù)據(jù)庫(kù)等。

圖1 電力線巡檢系統(tǒng)整體框架圖

該系統(tǒng)的工作機(jī)制:電力部門利用高精度的北斗定位系統(tǒng)對(duì)巡檢人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,巡檢人員發(fā)現(xiàn)電力線路存在故障時(shí),及時(shí)上報(bào)電力調(diào)度中心,同時(shí)定位信息也存儲(chǔ)在PDA上。當(dāng)電力線路在移動(dòng)通信質(zhì)量較好的區(qū)域時(shí),將巡檢信息通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到國(guó)家電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,否則通過(guò)北斗短報(bào)文裝置以短報(bào)文的方式與監(jiān)控中心建立通信聯(lián)系。監(jiān)控中心同樣可以通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)或短消息向巡視人員發(fā)送調(diào)度指令。該電力線巡檢系統(tǒng)采用4G通信網(wǎng)絡(luò)與北斗短報(bào)文相結(jié)合的通信方式,有效地解決了通信盲點(diǎn)問(wèn)題。巡視完畢后電力調(diào)度遠(yuǎn)程監(jiān)控中心會(huì)對(duì)上述信息分析和評(píng)估,并生成各類統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表,以作為巡檢考核的依據(jù)。

2 手持終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 手持終端硬件結(jié)構(gòu)

電力線巡檢系統(tǒng)手持終端主要包括GIS電子地圖、ARM控制模塊、北斗衛(wèi)星定位模塊、4G無(wú)線通信模塊、短報(bào)文通信模塊、電源模塊及外圍電路,各個(gè)模塊之間采用串口(UART)連接,硬件結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2。

圖2 手持終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 北斗定位模塊

北斗衛(wèi)星定位模塊采用麥宏科技設(shè)計(jì)的UM220-III N。UM220-III N采用片上SoC(system on chip)芯片,該芯片具有雙系統(tǒng)、多頻率、高性能、低成本、低功耗等優(yōu)勢(shì),能夠同時(shí)支持BD2 B1/GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)?？梢栽诘凸牡那闆r下提供很高的靈敏度,電路見(jiàn)圖3。

圖3 北斗定位模塊電路

2.3 ARM控制模塊

S5PV210集成了ARM Cortex-A8內(nèi)核,是一個(gè)32位的低成本、低功耗的高性能處理器。S5PV210采用64位內(nèi)部總線架構(gòu),包括許多功能強(qiáng)大的硬件加速器,如運(yùn)動(dòng)視頻處理、顯示控制和縮放等。集成多種格式的編解碼器,支持MPEG-1/2/4,H.263和H.264的編解碼。

2.4 電源模塊

EUP3412是同步電流模式降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器,具備驅(qū)動(dòng)1.5 A負(fù)載能力,并能夠進(jìn)行負(fù)載調(diào)節(jié)。其工作特性:輸入電壓范圍2.7～5.5 V,最小輸出電壓為0.7 V；效率高達(dá)96%；1.5 MHz恒定開(kāi)關(guān)頻率；具有短路保護(hù)和熱保護(hù)。

系統(tǒng)中利用EUP3412芯片完成5 V電壓到3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換,電路圖見(jiàn)圖4輸出電壓計(jì)算公式為

(1)

2.5 串行接口電路

通用異步發(fā)送接收器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART),利用全雙工方式傳輸串行數(shù)據(jù)。傳輸過(guò)程中以位為最小單位,分為開(kāi)始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位(可選)和停止位。雙方在發(fā)送數(shù)據(jù)之前,需約定傳輸速率(波特率)及傳輸格式等。

S5PV210支持發(fā)送與接收隊(duì)列為串行數(shù)據(jù)提供緩沖區(qū),并可選擇查詢或中斷方式完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。UART使用TTL標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平表示數(shù)據(jù),即高電平為1,低電平為0。為了與PC端連接、方便系統(tǒng)調(diào)試,利用MAX3232將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232邏輯電平,電平轉(zhuǎn)換電路見(jiàn)圖5。

3 軟件設(shè)計(jì)

電力線巡檢系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程主要包括基于Linux的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件程序設(shè)計(jì),該軟件設(shè)計(jì)的流程圖見(jiàn)圖6,系統(tǒng)中信息的獲取都是采用中斷的方式,主程序只需要直接處理采集后的信息。

圖5 電平轉(zhuǎn)換電路

圖6 電力線巡檢系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

北斗導(dǎo)航定位模塊的軟件設(shè)計(jì)主要由定位數(shù)據(jù)的接收、處理程序和發(fā)送程序構(gòu)成。定位信息的獲取采用中斷方式,將定位信息保存在Buffer緩沖器中,發(fā)送數(shù)據(jù)幀$BDRMC到ARM微處理器模塊,其中幀$BDRMC有固定的格式規(guī)范,自動(dòng)截取有用的數(shù)據(jù)信息幀并通過(guò)串口數(shù)據(jù)通信。接收北斗位置信息的調(diào)用函數(shù)為DWORD WINAPI receiveBEIDOUProc(),用來(lái)分析北斗定位信息的函數(shù)為DWORD WINAPI analyseBEIDOUProc()。

手持終端PDA采用分塊思想,用Strcat()函數(shù)將捕獲到的巡檢信息進(jìn)行打包處理,如果手持終端設(shè)定在輸電線路附近通信信號(hào)較弱時(shí),將巡檢信息編碼成北斗短信格式送到北斗導(dǎo)航定位模塊進(jìn)行發(fā)送,其短信指令格式如圖7所示。地面中心站接收到通信申請(qǐng)信號(hào)后,經(jīng)脫密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中,經(jīng)北斗衛(wèi)星廣播傳送給遠(yuǎn)程調(diào)度中心。

圖7 北斗短報(bào)文格式

短信指令中的字符與數(shù)字用ASCII碼表示,漢字用GB2312碼表示,電文的內(nèi)容不能超過(guò)128個(gè)字節(jié)。

電力調(diào)度遠(yuǎn)程監(jiān)控中心分為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程服務(wù)器和電力線監(jiān)控系統(tǒng)3部分。該系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server 2008實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā),允許電力調(diào)度人員存儲(chǔ)、檢索、處理和保護(hù)數(shù)據(jù)安全。遠(yuǎn)程服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)通信功能和數(shù)據(jù)庫(kù)操作功能,利用套接字技術(shù)(Socket)來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與巡檢人員手持終端通信連接；遠(yuǎn)程服務(wù)器通過(guò)activeX數(shù)據(jù)對(duì)象(activeX data objects,ADO)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn),遠(yuǎn)程服務(wù)器通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)定位信息、巡檢人員信息、狀態(tài)信息、命令信息等數(shù)據(jù)的添加、保存、提取和刪除。電力線監(jiān)控系統(tǒng)分為GIS功能模塊和數(shù)據(jù)管理模塊。該系統(tǒng)采用百度地圖API(application programming interface)構(gòu)建GIS(geographic information system)功能模塊,利用API編程方式通過(guò)setURL()函數(shù)調(diào)用現(xiàn)有的地圖服務(wù)網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫(kù)里的信息和功能,只需編寫少量的JavaScript腳本,就能實(shí)現(xiàn)地圖嵌入到該系統(tǒng)中,降低了開(kāi)發(fā)的難度；電力線監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度人員登錄、信息修改、信息查詢、路徑回放等功能。

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

4.1 4G撥號(hào)上網(wǎng)測(cè)試

E1750完成設(shè)備模式轉(zhuǎn)換后,可以利用pppd命令通過(guò)已完成的配置文件進(jìn)行撥號(hào)上網(wǎng),在終端中輸入命令pppd call wcdma &即可實(shí)現(xiàn)4G撥號(hào)上網(wǎng),在提示撥號(hào)成功后,利用ping命令測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連通性。4G網(wǎng)絡(luò)連通性測(cè)試界面如圖8所示,表明監(jiān)測(cè)終端連接網(wǎng)絡(luò)成功。

圖8 4G網(wǎng)絡(luò)連通測(cè)試界面

4.2 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

電力線巡檢手持終端PDA根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心反饋的丟包率適當(dāng)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)包之間的發(fā)送時(shí)間間隔。當(dāng)丟包率過(guò)大時(shí),適當(dāng)增加時(shí)間間隔,反之減小。表1反映了丟包率與反饋次數(shù)、發(fā)送時(shí)間間隔之間的關(guān)系(以下數(shù)據(jù)是500次測(cè)試的平均值,每個(gè)數(shù)據(jù)包大小為512 B)。

表1 丟包率測(cè)試表

4.3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的手持終端在定位精度上的優(yōu)勢(shì),選取某輸電線路附近的5個(gè)測(cè)量點(diǎn),測(cè)量點(diǎn)的選取不是任意的,必須能夠同時(shí)被北斗和GPS對(duì)應(yīng)的GIS(地理信息系統(tǒng))顯示。為了消除和削弱衛(wèi)星鐘差、電離層、對(duì)流層對(duì)測(cè)距的影響及衛(wèi)星星歷誤差,測(cè)試中采用同步測(cè)量法,即2臺(tái)手持終端在同一時(shí)段內(nèi)觀測(cè)衛(wèi)星,手持終端到輸電鐵塔的中心位置為實(shí)際測(cè)量值。定位精度對(duì)比見(jiàn)表2。從表2中可以看出,本文設(shè)計(jì)的手持終端的定位精度高于GPS定位精度,平均提高了6.79%,由于定位精度反映了測(cè)量結(jié)果與實(shí)際位置的符合程度,因此采用本文提出的北斗PDA定位更準(zhǔn)確,可降低人工搜索電力線故障點(diǎn)的時(shí)間。

表2 定位精度對(duì)比 m

基于北斗定位技術(shù)的電力線巡檢系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心利用百度地圖API接口構(gòu)建GIS功能模塊,接收到的位置信息(如經(jīng)緯度)通過(guò)串口進(jìn)行調(diào)試。選擇吉林市某輸電鐵塔(糧油乙線64號(hào))附近進(jìn)行測(cè)試,手持終端波特率選用115 200 bit/s,通過(guò)串口助手顯示的數(shù)據(jù)幀為$BDRMC,110924.000,A,4332.303711,N,12529.796341,E,0.442,166.571。經(jīng)緯度信息為:43.8461110000,126.8220190000,即北緯43°50′15.55″,東經(jīng)126°48′34.91″。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試表明，該電力巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案正確可行,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,電力調(diào)度遠(yuǎn)程監(jiān)控中心界面能夠?qū)崟r(shí)顯示巡檢人員的位置信息(如經(jīng)緯度信息)并在GIS電子地圖上顯示,延時(shí)誤差基本上是在1～2 s之間,數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率低于1.2%。該系統(tǒng)可以為巡檢人員進(jìn)行導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、定位以及歷史記錄查詢等功能。路徑規(guī)劃見(jiàn)圖9。

圖9 電力線巡檢系統(tǒng)測(cè)試路徑

5 結(jié)語(yǔ)

基于北斗定位技術(shù)的電力線巡檢系統(tǒng)以Linux操作系統(tǒng)為平臺(tái),采用我國(guó)獨(dú)立自主研發(fā)的高精度北斗定位系統(tǒng),擺脫了定位系統(tǒng)依賴于國(guó)外的局面,提高了通信安全的高效性,無(wú)線傳輸采用北斗短報(bào)文和高速率的4G兩種相結(jié)合的通信方式。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試該系統(tǒng),系統(tǒng)穩(wěn)定,可靠性強(qiáng),抗干擾性強(qiáng),延時(shí)較小。該系統(tǒng)的研制和推廣,將會(huì)提高電力部門巡檢的效率,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Research on application of 4G technology and a short message to power transmission line inspection

Zhu Weihua, Song Yu, Wang Zhongbao, Li Ke

(Jilin Technology School of Electronic Information,Jilin 132021,China)

To get rid of the situation that the positioning system is mainly dependent on foreign countries, this paper designs the power lines inspection system based on Beidou positioning technology, taking the Linux operating system as a platform, a short message and 4G are used as wireless communication mode. The system can provide precise positioning, navigation, route planning and route playback for inspection personnel. After this system is tested, the system is stable and reliable, and has the better performance to against electromagnetic interference.

smart grid; power line inspection; Beidou navigation and positioning; 4G; short message communication

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.023

2016-05-11 修改日期：2016-07-11

2016吉林省教育廳十三五科技項(xiàng)目(吉教科合字【2016】第108號(hào))；吉林市科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015334004)

朱偉華(1976—)，男，吉林省吉林市，碩士，副教授，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)及無(wú)線電通信技術(shù).

E-mail：348938280@qq.com

TM726

B

1002-4956(2016)11-0094-05