陸武軍

(上海市南電力（集團(tuán)）有限公司，上海 201700)

新型桿塔傾斜在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

陸武軍

(上海市南電力（集團(tuán)）有限公司，上海 201700)

提出了一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合的輸電線路桿塔傾斜在線監(jiān)測及預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計方法。本系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息交互，采用太陽能電池板結(jié)合蓄電池供電方式，經(jīng)測試，系統(tǒng)能夠較好的完成桿塔傾斜在線監(jiān)測和預(yù)測功能，性能穩(wěn)定可靠。

ZigBee技術(shù)；GPRS技術(shù)；桿塔傾斜；在線監(jiān)測；預(yù)測

隨著國家電網(wǎng)公司智能堅強(qiáng)電網(wǎng)的不斷建設(shè)，對輸電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性要求越來越高。然而，近年來南方地區(qū)由于一些自然因素和施工不當(dāng)?shù)热藶橐蛩?，常常?dǎo)致輸電線路桿塔傾斜引發(fā)倒塔，造成大面積停電事故，嚴(yán)重影響了輸電線路的運(yùn)行可靠性，不僅造成一定經(jīng)濟(jì)損失，還造成嚴(yán)重的社會影響。

本文提出一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合的輸電線路桿塔傾斜在線監(jiān)測及預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計方法，能夠較好的完成桿塔傾斜在線監(jiān)測和預(yù)測功能，對防止輸電線路倒塔具有一定參考價值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于輸電線路桿塔數(shù)量眾多，在保障系統(tǒng)功能完整、性能良好的前提下，為降低系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)維成本，本系統(tǒng)基于免費(fèi)的ZigBee本地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和付費(fèi)的GPRS遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合，主要由在線監(jiān)測從站、在線監(jiān)測主站和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 在線監(jiān)測從站硬件設(shè)計

在線監(jiān)測從站硬件系統(tǒng)主要由兩個傾角傳感器、拉力傳感器、控制器、ZigBee本地?zé)o線通信單元、TTLRS485電路、低功耗節(jié)能控制電路、供電單元、聲光報警單元等部分組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 在線監(jiān)測從站結(jié)構(gòu)

傾角傳感器采用二維傾角傳感器，可同時采集兩個相互垂直方向的角度，可直接輸出數(shù)字信號表示的角度值?？刂破骱蚙igBee本地?zé)o線通信單元選用TI公司最新ZigBee片上系統(tǒng)CC2530，內(nèi)嵌一個增強(qiáng)型8051微處理器和高性能RF無線收發(fā)器，并選用CC2591功放進(jìn)行信號的放大處理，配套的Z-Stack協(xié)議棧軟件開發(fā)平臺應(yīng)用方便，可加快系統(tǒng)軟件程序開發(fā)速度。為增強(qiáng)通信可靠性提高通信抗干擾能力，CC2530與傳感器單元之間通過RS485通信方式進(jìn)行信息交互，由TTLRS485電路進(jìn)行通信電平的相互轉(zhuǎn)換。由于在線監(jiān)測從站安裝在桿塔頂端，不能有效利用市電等便捷供電方式，因此供電單元采用太陽能電池板結(jié)合鐵鋰蓄電池方案，由太陽能電池板、鐵鋰蓄電池和充放電智能控制器組成，當(dāng)陽光不足時，鐵鋰蓄電池放電通過充放電智能控制器為在線監(jiān)測從站供電，當(dāng)陽光充足時，通過充放電智能控制器太陽能電池板。不但可以為在線監(jiān)測從站供電，而且可以為鐵鋰蓄電池充電。為有效提高供電效率節(jié)約供電成本，采用低功耗節(jié)能控制電路對傳感器單元、TTL-RS485電路和充放電智能控制器等進(jìn)行綜合管理。聲光報警單元由LED閃爍警示燈和喇叭語音警示器組成，若桿塔傾斜或不平衡拉力超過一定閾值，聲光報警單元則觸發(fā)閃爍警示燈和語音警示器，提醒桿塔附近人員遠(yuǎn)離桿塔。

2.2 在線監(jiān)測主站硬件設(shè)計

在線監(jiān)測主站硬件系統(tǒng)與在線監(jiān)測從站硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，主要由風(fēng)速風(fēng)向傳感器、控制器、ZigBee本地?zé)o線通信單元、GPRS遠(yuǎn)程無線通信單元、TTLRS485電路、低功耗節(jié)能控制電路和供電單元等部分組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 在線監(jiān)測主站結(jié)構(gòu)

風(fēng)速風(fēng)向傳感器負(fù)責(zé)采集桿塔所在位置的實(shí)時大氣風(fēng)速和風(fēng)向，為增強(qiáng)風(fēng)速風(fēng)向傳感器抗損壞能力，選用超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器，可360°準(zhǔn)確檢測風(fēng)向，最大測量風(fēng)速可達(dá)60m/s，有效保障在16級超強(qiáng)臺風(fēng)時仍能正常工作，可直接輸出數(shù)字信號表示的風(fēng)向和風(fēng)速值。GPRS遠(yuǎn)程無線通信單元選用SIM900為主控制器，CC2530與GPRS遠(yuǎn)程無線通信單元之間通過RS232通信方式進(jìn)行信息交互。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在線監(jiān)測從站和在線監(jiān)測主站的軟件開發(fā)基于Z-Stack協(xié)議棧，Z-Stack協(xié)議棧主要分為物理層、媒體介質(zhì)訪問層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中物理層、媒體介質(zhì)訪問層、網(wǎng)絡(luò)層軟件程序由Z-Stack協(xié)議棧固化，無需應(yīng)用開發(fā)者重新編寫，因此只需在應(yīng)用層進(jìn)行系統(tǒng)功能和任務(wù)的軟件開發(fā)即可，大大提高了軟件開發(fā)效率。

3.1 在線監(jiān)測從站工作流程

在線監(jiān)控從站作為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的路由器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后執(zhí)行加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)申請程序，再執(zhí)行應(yīng)用層程序。在線監(jiān)控從站定時采集傾角傳感器和拉力傳感器數(shù)據(jù)，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，若桿塔傾斜或不平衡拉力超過一定閾值，聲光報警單元則觸發(fā)閃爍警示燈和語音警示器，提醒桿塔附近人員遠(yuǎn)離桿塔，防止倒塔注意安全，并將預(yù)處理結(jié)果上傳給在線監(jiān)測主站，若在線監(jiān)測主站對在線監(jiān)測從站有參數(shù)設(shè)置命令，則進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，否則進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能源，在線監(jiān)測從站工作流程如圖4所示。

圖4 在線監(jiān)測從站工作流程

3.2 在線監(jiān)測主站工作流程

在線監(jiān)控主站作為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)上電后同樣首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后執(zhí)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)建立程序，再執(zhí)行應(yīng)用層程序。在線監(jiān)控主站定時采集風(fēng)速風(fēng)向傳感器數(shù)據(jù)，依次接收各在線監(jiān)測從站發(fā)送的預(yù)處理結(jié)果，并將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，通過GPRS遠(yuǎn)程無線通信系統(tǒng)將打包數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，若遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對在線監(jiān)測主站有參數(shù)設(shè)置或查詢命令，則進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置和響應(yīng)參數(shù)查詢命令，并將相應(yīng)參數(shù)設(shè)置命令經(jīng)預(yù)處理后發(fā)送給相應(yīng)在線監(jiān)控從站，在線監(jiān)控主站時刻運(yùn)行沒有休眠模式。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要由GPRS遠(yuǎn)程無線通信單元和上位機(jī)組成，上位機(jī)軟件基于Visual Studio面向?qū)ο笈c可視化程序設(shè)計開發(fā)。綜合通過GPRS主節(jié)點(diǎn)接收到的桿塔傾角、不平衡拉力、風(fēng)速及風(fēng)向等參數(shù)信息，基于模糊專家系統(tǒng)建立輸電線路桿塔狀態(tài)評估模型及預(yù)測模型。評估及預(yù)測桿塔狀態(tài)的特征量主要有桿塔傾斜角、桿塔不平衡拉力、大氣風(fēng)速及風(fēng)向的當(dāng)前值和相應(yīng)參數(shù)的歷史記錄。桿塔狀態(tài)綜合評估結(jié)果有：無傾斜、輕度傾斜、嚴(yán)重傾斜，桿塔狀態(tài)綜合預(yù)測結(jié)果有：無傾斜、將輕度傾斜、將嚴(yán)重傾斜。嚴(yán)重傾斜和將嚴(yán)重傾斜的桿塔信息通過聲光警示或短信方式通知桿塔運(yùn)維人員，警醒桿塔運(yùn)維人員及時采取一定措施消除桿塔傾斜隱患，針對輕度傾斜和將輕度傾斜桿塔信息，桿塔運(yùn)維人員應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注。

4 系統(tǒng)測試

為進(jìn)一步測試系統(tǒng)功能及性能，在某110kV輸電線路某個耐張段內(nèi)安裝一整套系統(tǒng)設(shè)備，全面測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等功能，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行桿塔傾斜狀態(tài)評估及預(yù)測。由于桿塔傾斜變化緩慢，設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期為1小時，由于風(fēng)速風(fēng)向傳感器為同一套，因此所有風(fēng)速風(fēng)向測試數(shù)據(jù)相同，風(fēng)速為5.8m/s，風(fēng)向?yàn)?26°，其他測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

根據(jù)桿塔傾斜度極限值1%，傾斜極限角約0.6°，由表1測試數(shù)據(jù)可知，桿號為17#和18#的桿塔存在傾斜隱患，并且18#桿塔傾斜較嚴(yán)重，隱患需要立即優(yōu)先消除。

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