劉呈昌，劉 陽(yáng)，楊世威，程 麒

(國(guó)網(wǎng)丹東供電公司，遼寧 丹東 118000)

輸電線遍布全國(guó)，時(shí)常面臨著自然環(huán)境和人為造成的破壞。如陽(yáng)光、雨水會(huì)加重輸電線的老化，導(dǎo)致電流輸送不穩(wěn)甚至發(fā)生安全事故。因此，對(duì)輸電線的日常巡檢非常必要。通過(guò)日常巡檢可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路和周?chē)h(huán)境存在的安全隱患，采用合適的處理方式及時(shí)清除隱患，能夠保障用戶(hù)的穩(wěn)定使用和電力設(shè)備的安全運(yùn)行[1]。

人工巡檢模式不僅效率低而且需要大量人力資源，在人工巡檢過(guò)程中還容易發(fā)生觸電危險(xiǎn)。目前的線路巡檢多采用在鐵塔頂端安裝檢測(cè)器的方法檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的輸電線路狀態(tài)，并采用全球定位系統(tǒng)(GPS)來(lái)對(duì)故障線路進(jìn)行定位。但是在實(shí)際應(yīng)用中，GPS常因信號(hào)不穩(wěn)導(dǎo)致無(wú)法正常通訊，安全性和及時(shí)性難以保障，且無(wú)法傳遞巡檢數(shù)據(jù)[2-4]。為了提高線路巡檢的工作效率，本文在鐵塔的檢測(cè)器中，設(shè)計(jì)了以北斗導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1 基于北斗導(dǎo)航的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于北斗導(dǎo)航的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件框架如圖1所示，系統(tǒng)由控制模塊、傳感器模塊、北斗模塊和電源模塊四部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)巡檢器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳送功能，拓展了傳統(tǒng)檢測(cè)器的通訊方式。

圖1 基于北斗導(dǎo)航的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件框架

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過(guò)藍(lán)牙、WiFi、GPRS等設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同距離、不同模式的實(shí)時(shí)無(wú)線通迅、數(shù)據(jù)傳輸、記錄以及監(jiān)控，使用GPS/GPRS雙模定位系統(tǒng)提高了定位的準(zhǔn)確率，水平定位精度為0.2 m。傳輸系統(tǒng)遵循NMEA-D183協(xié)議以特定的格式輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)也接收控制器對(duì)北斗模塊的控制指令[5]。藍(lán)牙模塊型號(hào)為SM-A562，若故障線路在檢測(cè)器10 m范圍內(nèi)，當(dāng)巡檢員到達(dá)檢測(cè)器附近，藍(lán)牙將自動(dòng)發(fā)送信號(hào)，引導(dǎo)巡檢員到故障線路處。藍(lán)牙可使短距離內(nèi)的傳輸效率更高，信號(hào)更加穩(wěn)定[6]。WiFi模塊具有4G數(shù)據(jù)傳輸、短信傳輸、智能定位等多種功能，可在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)實(shí)現(xiàn)信息傳遞。GPRS模塊配合控制器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離云端數(shù)據(jù)傳輸，使數(shù)據(jù)傳輸范圍不受限制，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊采用的主控制器是由英國(guó)ARM公司生產(chǎn)的ARM920T控制器，該控制器微處理器為32位，采用嵌入式的方法安裝在鐵塔檢測(cè)器上，通過(guò)ARM+DSP的SOC結(jié)構(gòu)獲得實(shí)時(shí)操控系統(tǒng)，多個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器共同控制芯片的工作，兩個(gè)I/O接口用于接收傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令[7]。

ARM920T控制器具有性能高、功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)，處理速度為0.9 MIPS/MHz，具有8 KB高速緩存，控制器在處理數(shù)據(jù)的同時(shí)可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)?？刂颇K是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理各模塊數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備[8]。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，ARM920T控制器會(huì)啟動(dòng)程序接收傳感器采集的信息，并對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除干擾數(shù)據(jù)，然后根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行線路的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為前提，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸?shù)奖倍纺K，再由其將數(shù)據(jù)傳送到指揮中心?？刂颇K的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的傳感器只能收集一種特定的信息，具有局限性。由于影響輸電線路運(yùn)行的因素較多，因此在傳感器模塊設(shè)置了多種傳感器用于采集輸電線路周?chē)鷶?shù)據(jù)，使管理者能更好地掌握線路狀態(tài)。新增傳感器有濕敏傳感器、光敏傳感器、力敏傳感器、紅外傳感器和霍爾傳感器，這些傳感器在系統(tǒng)的控制下共同工作，檢測(cè)輸電線路的濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、溫度、電流、電壓等信息，并將接收到的信息按照一定的規(guī)律變成電信號(hào)輸送至控制器，滿(mǎn)足了對(duì)信息的采集傳輸、處理、儲(chǔ)存、顯示、記錄和控制等要求[9]。傳感器模塊如圖3所示。

圖3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊通過(guò)北斗衛(wèi)星定位到檢測(cè)器所在位置的經(jīng)度和緯度，從衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)中可以提取關(guān)鍵的經(jīng)度值和緯度值，然后根據(jù)提取的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)構(gòu)建輸電線路。由于采集到的數(shù)據(jù)不同，因此對(duì)應(yīng)的輸電線位置也不同，通過(guò)在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中編寫(xiě)定位程序，就可以得到穩(wěn)定的定位結(jié)果[10]。

在采集的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)中得到檢測(cè)器的實(shí)際位置和輸電線的終點(diǎn)位置后，即可采用周期性計(jì)算的數(shù)據(jù)計(jì)算方式，計(jì)算、判斷檢測(cè)器是否完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。由于在傳統(tǒng)的定位過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生無(wú)法避免的誤差，因此本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將最大限度地實(shí)現(xiàn)零誤差[11]。在使用定位檢測(cè)器時(shí)，采用的定位方法為直線擬合法；在定位異常輸電線時(shí)，采取的定位方法為曲線擬合法。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，需要定位的檢測(cè)器和輸電線之間的距離不能過(guò)大，不然得到的結(jié)果會(huì)不夠精確[12]。

1.3 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊可以持續(xù)為以北斗導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提供12 V的電壓。根據(jù)不同設(shè)備對(duì)電壓的需求，電源模塊使用變頻器將12 V電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)設(shè)備正常工作所需要的電壓，以此來(lái)維持系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行[13]。

由于檢測(cè)器大多位于鐵塔的頂端，如果采用手工方式定期更換檢測(cè)器電池，難度大且存在較大安全隱患，因此在電源模塊中設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能電池板和小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)供電。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)陽(yáng)光充足時(shí)，每吸收1 h的太陽(yáng)能可供系統(tǒng)持續(xù)工作37 h，考慮到部分地區(qū)雨季較長(zhǎng)，在沒(méi)有陽(yáng)光時(shí)，改由小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能持續(xù)為電池模塊供電[14]。電源模塊電路圖如圖4所示。

綜合考慮電源模塊類(lèi)型、使用環(huán)境和電量?jī)?chǔ)存額度，選取目前最新研發(fā)的變頻器應(yīng)用微電子技術(shù)和變頻技術(shù)，依靠開(kāi)端內(nèi)部IGBT以及改變工作電源頻率的方式控制電源輸出電壓，從而為各個(gè)設(shè)備提供實(shí)際所需電壓，達(dá)到節(jié)約電能的目的。變頻器實(shí)物如圖5所示，變頻器內(nèi)部設(shè)有過(guò)電壓、欠電壓、電流保護(hù)裝置，可快速響應(yīng)各種要求，在系統(tǒng)發(fā)生過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載時(shí)，能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，且內(nèi)部的操作設(shè)備通過(guò)變頻器能對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備的工作電壓和頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為整體系統(tǒng)的工作效率提供保障[15]。

圖4 電源模塊電路圖

圖5 變頻器示意圖

2 基于北斗導(dǎo)航的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

2.1 基于北斗導(dǎo)航的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)

以系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，利用ARM920T主控裝置對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行控制。傳感器模塊在接收到控制指令后，采集所需要的信息并將信息轉(zhuǎn)化為控制器可識(shí)別的電信號(hào)，由控制器對(duì)數(shù)據(jù)(電信號(hào))進(jìn)行初步的預(yù)處理并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估，將風(fēng)險(xiǎn)值較高的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸至北斗模塊，北斗模塊接收到指令后將線路狀態(tài)數(shù)據(jù)和線路定位信息傳輸回指揮中心，其工作流程如圖6所示。指揮中心根據(jù)接收的數(shù)據(jù)判斷輸電線路的狀態(tài)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值較高的線路進(jìn)行人工檢修，及時(shí)更換達(dá)到使用壽命和損壞嚴(yán)重的線路，維持輸電線正常的電力輸送。

圖6 基于北斗導(dǎo)航的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)流程

2.2 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估功能的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)線路巡檢數(shù)據(jù)的安全傳輸，需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估。輸電線路風(fēng)險(xiǎn)概率是檢修輸電線路的重要參考指標(biāo)，也是判斷輸電線運(yùn)行狀態(tài)的一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)。通過(guò)多傳感技術(shù)收集與影響輸電線運(yùn)行狀態(tài)因素對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，建立輸電線的風(fēng)險(xiǎn)模型，從而計(jì)算出影響輸電線運(yùn)行狀態(tài)相應(yīng)因素的條件概率。影響輸電線發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的因素用F1～F5 表示，其中：F1表示檢測(cè)器所在區(qū)域的天氣情況；F2表示鐵塔所處的地理環(huán)境；F3表示輸電線溫度；F4 表示檢測(cè)器投入運(yùn)行時(shí)間；F5表示檢測(cè)器的電壓等級(jí)。初始決定系數(shù)見(jiàn)表1，表中A為最后決定屬性，表示輸電線的運(yùn)行狀態(tài)。

對(duì)表1中的影響因素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估計(jì)算，即可構(gòu)建輸電線發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率模型。用ARM920T主控制器計(jì)算輸電線風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行影響因素之間的信息，具體如圖7所示。通過(guò)對(duì)該網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估計(jì)算得出初始決定表中每個(gè)影響因素的條件概率，并通過(guò)概率計(jì)算得到輸電線的風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行概率。

表1 初始決定系數(shù)表

至此，完成對(duì)基于北斗導(dǎo)航的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為檢測(cè)基于北斗導(dǎo)航的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸能力，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選擇傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)同一輸電線數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，比較它們的傳輸能力。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取基于USB3.0接口的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(系統(tǒng)1)、基于FPGA+W5100的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(系統(tǒng)2)和基于北斗導(dǎo)航的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(設(shè)計(jì)系統(tǒng))在相同的外界環(huán)境下，對(duì)同一檢測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1)傳輸數(shù)據(jù)量測(cè)試，結(jié)果如圖8所示。

圖8 傳輸數(shù)據(jù)量對(duì)比結(jié)果

由圖可知，在電網(wǎng)數(shù)據(jù)大小為2 000 GB時(shí)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量為69 GB，而系統(tǒng)1的數(shù)據(jù)傳輸量為45 GB，系統(tǒng)2的數(shù)據(jù)傳輸量為41 GB；在電網(wǎng)數(shù)據(jù)大小為12 000 GB時(shí)，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量為131 GB，而系統(tǒng)1的數(shù)據(jù)傳輸量為82 GB，系統(tǒng)2的數(shù)據(jù)傳輸量為64 GB。造成差異的原因在于本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)是以北斗導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，在傳輸過(guò)程中降低了損耗，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。

隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量不斷增大，數(shù)據(jù)傳輸效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。此種現(xiàn)象形成的原因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)采取了以北斗導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理和傳輸方法，技術(shù)可靠性高，能夠在一定時(shí)間內(nèi)提高系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)傳輸量，并提供良好的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，為下一次的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行預(yù)處理。而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸步驟的處理能力較差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸效率較低。

2)可靠性檢測(cè)。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸能力，進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)可靠性，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表可知，5次檢測(cè)中本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸成功率為100%，系統(tǒng)2的成功率為40%，系統(tǒng)1更低，成功率僅為20%，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中系統(tǒng)1和系統(tǒng)2部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)了缺包等誤差現(xiàn)象，但是經(jīng)過(guò)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及傳輸后，所有數(shù)據(jù)的傳輸成功率都有所提高，由此可見(jiàn)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將出現(xiàn)誤差的可能性降到最低，提高了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性，保障了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸能力。

表3 傳輸是否成功檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于北斗導(dǎo)航的線路巡檢數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)的傳輸效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。在輸電線路發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，可通過(guò)該系統(tǒng)將故障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街笓]中心，經(jīng)過(guò)指揮中心處理后第一時(shí)間通知檢修部門(mén)檢測(cè)，從而提高線路巡檢的工作效率和質(zhì)量，延長(zhǎng)線路的使用壽命。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在較大程度上減少了不必要因素的干擾，簡(jiǎn)化了實(shí)際操作過(guò)程，提升了系統(tǒng)工作性能，減少了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，進(jìn)而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，減少了人力資源浪費(fèi)，避免了巡檢過(guò)程中可能發(fā)生的意外風(fēng)險(xiǎn)，更促進(jìn)了北斗導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。進(jìn)一步擴(kuò)大北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用市場(chǎng)，能夠使北斗導(dǎo)航系統(tǒng)向更具網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放化的道路發(fā)展，使其逐漸從向亞太地區(qū)提供服務(wù)走向?yàn)槿蛱峁?dǎo)航服務(wù)。雖然本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸量和可靠性方面得到了有效提升，但是在數(shù)據(jù)傳輸精準(zhǔn)度方面還有所欠缺，未來(lái)將以數(shù)據(jù)傳輸精準(zhǔn)度為主要研究?jī)?nèi)容，進(jìn)一步提升本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。