楊斌，王磊，張紫丹，王爾璽，肖思昌，石川，豐金浩

（1.國網(wǎng)武漢供電公司，武漢 430000，2.武漢大學電氣與自動化學院，武漢 430072）

0 前言

經(jīng)濟的快速發(fā)展導致電力能源的消耗逐漸增大，使電力能源的傳輸與調(diào)配安全性變得尤為重要。在電力網(wǎng)絡系統(tǒng)中，輸電桿塔是其非常關鍵的組成部分，之間通過大量的輸電線路相互連接，從而保證整個電力網(wǎng)絡系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運轉。然而，幾乎所有的輸電桿塔都分布在野外惡劣環(huán)境中，往往易產(chǎn)生各類安全事故。近年來，在臺風、暴雨、暴雪、冰雹、大風、沙塵、龍卷風等自然災害或者違規(guī)施工、挖沙、偷盜塔材等不法行為造成的影響下，使輸電桿塔大面積塌方和傾斜[1-2]。因此需要對輸電線路桿塔的運行狀態(tài)進行全天候監(jiān)控，來保障電網(wǎng)的安全可靠運行。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)概念圖

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、透明電網(wǎng)概念的相繼提出，“智能化”、“泛在化”成為電力系統(tǒng)的研究重點之一[3]。其作用在于通過大數(shù)據(jù)匯集各種資源為城市規(guī)劃建設、生產(chǎn)運行、運營管理、綜合服務、新業(yè)務新模式發(fā)展提供充分有效的數(shù)據(jù)支持。

為了實現(xiàn)未來電網(wǎng)需求下智能化、數(shù)據(jù)化的目標，在輸電線路領域有效檢測桿塔、輸電線路運行狀態(tài)，改善高成本、低效率的人工檢測現(xiàn)狀，開展智能化桿塔、線路檢測技術具有重要意義。

目前輸電桿塔在線監(jiān)測裝置還存在較大的問題。第一，設備可靠性相對較差[4]；第二，設備實用性有待提高。在實際運行中，由于計算模型不同，得到的結果也存在不同程度的偏差，嚴重的情況下會導致系統(tǒng)誤報；第三，設備集成度不高，往往一整套監(jiān)測裝置體積較大，給施工安裝和日常運維造成一定的困難。

針對以上問題，本文基于傳感器選型、布點原則、數(shù)據(jù)通信三方面內(nèi)容進行了輸電桿塔狀態(tài)監(jiān)測的災害預警系統(tǒng)設計，從而實現(xiàn)本系統(tǒng)對輸電桿塔振動，傾斜狀況全天候24 小時不間斷的精確監(jiān)測。

1 系統(tǒng)概述

圖2 輸電線路微氣象災害預警系統(tǒng)拓撲設計

本系統(tǒng)在傳感器技術方面，選用高性能傳感器對輸電桿塔的傾斜，振動狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，并作為輸電桿塔狀態(tài)預警的依據(jù)，實現(xiàn)泛在電力物聯(lián)在線監(jiān)測的智能感知功能。通過物聯(lián)網(wǎng)技術將感知設備與通信設備對接實現(xiàn)智能物聯(lián)化，依托廣泛的移動通信網(wǎng)絡實現(xiàn)廣域物聯(lián)，使用數(shù)據(jù)采集主機通過移動4G 網(wǎng)絡以SOCKET 透傳通信、TCP 協(xié)議向部署的服務器主動上發(fā)由傾角傳感器和振動傳感器測量到的數(shù)據(jù)，在遠程監(jiān)控端利用JavaScript 搭建出輸電線路預防系統(tǒng)平臺，把輸電桿塔傾斜，振動數(shù)據(jù)通過曲線形式進行不間斷顯示、存儲，方便技術人員對輸電桿塔運行狀況進行分析研究。

基于上述技術路線方案，制定出圖2 所示的輸電線路微氣象災害預警系統(tǒng)設計架構。傾角傳感器與振動傳感器實現(xiàn)傾斜和振動物理量的智能感知，數(shù)據(jù)采集主機采集傳感器信號，并通過移動通信網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)設計

本文設計的輸電線路桿塔監(jiān)測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集主機解析，把傾角、振動傳感器所測的實時數(shù)據(jù)上傳服務器后臺。通過基于JavaScript搭建出輸電線路微氣象預防系統(tǒng)平臺，將實時數(shù)據(jù)以曲線形式進行展示。

2.1 設備選型

搭建輸電線路桿塔監(jiān)測系統(tǒng)的主要硬件設備包括傾角傳感器、振動傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、太陽能板。

2.1.1 傾角傳感器

輸電桿塔的傾斜狀態(tài)監(jiān)測是通過傾斜傳感器來實現(xiàn)的。傾斜傳感器是基于“擺”的工作方式原理來組合完成的。當傾斜傳感器表面殼體與地球重心方向產(chǎn)生傾角時，在重力作用的影響下，擺錘M 會試圖保持在鉛垂方向，因此會相對于殼體擺動產(chǎn)生一個角度[5]。如果利用某種傳播元件將這個角度量，或者將與“擺”相連（或者是“擺”的一部分）的敏感元件的應變量，轉換成電量輸出，則實現(xiàn)了傾斜角的電測量。

圖3 傾角傳感器原理

如圖3 所示，正常情況下傾角傳感器X 軸，Y 軸，Z 軸的偏離角度為零。當受到外界干擾因素作用時，傾角傳感器的X 軸，Y 軸和Z 軸就會產(chǎn)生偏離角度。正是通過后臺觀測傳回來的傾角數(shù)據(jù)，來判斷輸電桿塔的實際傾斜狀況。

2.1.2 振動傳感器

本文選用的振動傳感器為壓電加速度計。它的原理是利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應，在加速度計受到振動的時候，質量體對壓電元件產(chǎn)生的力也會因此發(fā)生改變。當壓電加速度計的固有頻率大于被測量物體的振動頻率時，此時產(chǎn)生的力的變化也就與被測量物體的加速度成正比[6]。如圖4 所示，當振動傳感器任意軸受力時，都將產(chǎn)生一個此方向的加速度。正是通過后方觀測這些由振動受力產(chǎn)生的加速度的數(shù)值，可以判斷輸電桿塔的實際振動狀況。

圖4 振動傳感器軸向圖

2.1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文選用低功耗、穩(wěn)定性高的數(shù)據(jù)采集器構建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，內(nèi)置工業(yè)級無線傳輸引擎和嵌入式處理器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可通過移動4G/5G 網(wǎng)絡以SOCKET 透傳通信、TCP 協(xié)議向部署的服務器主動上發(fā)采集到的數(shù)據(jù)。具有寬供電范圍、寬耐溫耐壓范圍、抗電磁干擾、低功耗的特點，可提供8 路模擬量，4 路開關量信號采集，4 路繼電器輸出，狀態(tài)觸發(fā)報警的功能。

2.1.4 太陽能板

由于每套監(jiān)測系統(tǒng)硬件的總功消耗為155 mA@DC12 V，逆變器的轉換效率為90%，每日有效日照時間為5 小時，為了實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)24 小時不間斷工作，本文選用的為100 W 的太陽能板，同時考慮到設備的實用性與經(jīng)濟性，在特殊地形和極端條件下對桿塔運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，采用太陽能電池板+ 鋰電池蓄電的光儲供電方式。太陽能板與鋰電池共同接入光儲控制器，光儲控制器對鋰電池的充放電進行控制。光儲控制器的輸出端經(jīng)過DC-DC 穩(wěn)壓模塊輸出穩(wěn)定的DC12 V 電壓，最終通過多通道端子排對硬件設備進行供電。

2.2 總體設計

在選定的傳感器與采集主板的基礎上，對監(jiān)測系統(tǒng)的采集架構和輸電線路上的傳感器布點進行具體設計。如圖5 所示，每個桿塔上安裝傾角傳感器、振動傳感器各四個。由于每個采集主板支持最大八路模擬量采集，且考慮后續(xù)擴建及冗余備用設計。故每個桿塔配置采集主板四套。其對應的采集架構及接線如圖5 所示，#1 與#2 采集主板采集相同，采集一套兩路傾角信號、兩套六路振動信號。#3 采集主板采集兩套思路傾角信號，其余為空置。#4 作為備用硬件全部空置。其中，X 軸方向為順延線路方向，Y 軸為垂直于線路方向，Z 軸為垂直于地面方向。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)采集架構

圖6 輸電線路微氣象預防系統(tǒng)布點方式

由于桿塔最容易受力傾斜和振動的地方是塔頂和距離地面2/3 處的塔腰，在桿塔易受力傾斜的位置安裝傾角傳感器，在易振動的桿塔塔臂處安裝振動傳感器，從不同位置、不同方向的傾斜角度來反映桿塔的傾斜狀態(tài)[7]。通過傾斜，振動傳感器對輸電桿塔的狀態(tài)進行檢測并及時發(fā)出警報，實現(xiàn)了對輸電桿塔傾斜及振動的實時在線監(jiān)測、預警、防護，有效的減少了桿塔傾倒事故的發(fā)生的可能。傳感器桿塔布點如圖6 所示。綠點代表著四個傾角傳感器在實際桿塔所固定的位置，藍點代表著四個振動傳感器在實際桿塔所固定的位置。8 個傳感器由太陽能電池板+ 鋰電池蓄電方式進行供電，數(shù)據(jù)通過無線4G/5G 傳輸，不影響高壓線路的正常輸配電。為盡可能精準的反應桿塔運行狀態(tài)，傳感器安裝位置盡可能處于桿塔塔臂處，且成對稱式分布。

3 軟件系統(tǒng)

本文第二部分介紹了硬件系統(tǒng)的配置，而將感知設備與通信設備對接的功能則需要軟件系統(tǒng)來完成。

圖7 軟件監(jiān)測終端的主程序流程圖

如圖7 所示，軟件監(jiān)控終端主要負責對輸電桿塔傾斜，振動狀態(tài)的信息采集和上報。設備初始化后，給定入網(wǎng)信號，開始采集輸電桿塔傾斜，振動數(shù)據(jù)信息。同時，通過調(diào)試完畢后的數(shù)據(jù)采集主機，將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_監(jiān)控中心，利用JavaScript 建立的輸電線路預防平臺實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的高效管理和分析。

如圖8 所示，對數(shù)據(jù)采集主機進行通信調(diào)試，通過移動4G 網(wǎng)絡以SOCKET 透傳通信、TCP協(xié)議向部署的服務器主動上發(fā)由傾角傳感器和振動傳感器測量到的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對輸電桿塔運行狀態(tài)的全天候不間斷監(jiān)控。

1）數(shù)據(jù)采集主機配置調(diào)試

由圖8(a) 可知，將串口設置調(diào)整為計算機自動識別的串口號，本文串口設置為COM4，波特率設置為9600，數(shù)據(jù)設置為8，停止位設置為N，校驗位設置為1，采集主板采用TCP Client 網(wǎng)絡通信協(xié)議。

每次數(shù)據(jù)報文中，包含有以FF0*開頭的采集主板識別碼，以實現(xiàn)與具體安裝、監(jiān)測點的功能對應[8]。在采集主板識別碼后是固定的64 03 30 報文前綴，其后則是采集到的數(shù)據(jù)。在后臺監(jiān)控端的設計中，需要進行解碼設計。

圖8 數(shù)據(jù)采集主機通信調(diào)試

2）SOCKET 通信調(diào)試

由圖8(b) 可知，SOCKET 就是對TCP/IP協(xié)議的封裝，它可以讓整個系統(tǒng)更便捷地使用TCP/IP 協(xié)議棧[9-10]。但SOCKET 本身并不是協(xié)議，它只是一組調(diào)用接口。所以SOCKET 通信調(diào)試就是使數(shù)據(jù)采集主機系統(tǒng)快速應用TCP/IP協(xié)議棧，從而進行數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的傳輸。

3）服務器端解析到數(shù)據(jù)

由圖8(c) 可知，上方界面為服務器從各個傳感器上解析到的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿罱ǖ姆治銎脚_上，就可實現(xiàn)直觀的觀測各個時刻桿塔運行狀態(tài)的功能。

4 實驗測試結果與分析

圖9 系統(tǒng)機箱設計安裝圖

如圖9 所示，分別將四個采集主機和2 個鋰電池放進主機外箱里，通過鋰電池和外接的太陽能板對其進行不間斷供電。最后通過負載、電池、太陽能的順序進行供電接線。

接線完畢后，封裝外箱，與太陽能板一起通過三角支架固定在輸電桿塔離地面20 米左右的位置，同時四個傾角傳感器和四個振動傳感器固定到桿塔的塔臂上，基于JavaScript 搭建出輸電線路預防系統(tǒng)平臺，將傾角和振動傳感器測量的實時數(shù)據(jù)通過曲線形式在平臺上進行顯示。

5 結束語

本文結合傳感器技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、移動通訊技術、數(shù)據(jù)處理技術等其他電子技術對輸電桿塔進行有效實時的監(jiān)測。本文設計的系統(tǒng)在傳感器選型、電源系統(tǒng)配置等方面做了特別優(yōu)化。在振動檢測中，系統(tǒng)選用壓電加速計傳感器，當任意軸受到振動或者受力時，都將產(chǎn)生一個此方向的加速度；輸電桿塔的傾斜可由傾斜角傳感器監(jiān)測，將傾角量轉換成電量輸出，則實現(xiàn)了傾斜角的電測量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中項目選用低功耗、穩(wěn)定性高的數(shù)據(jù)采集器構建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)再通過移動4G 網(wǎng)絡以SOCKET 透傳通信、TCP 協(xié)議向部署的服務器主動上發(fā)由傾角傳感器和振動傳感器測量到的數(shù)據(jù),在檢測軟件上可實時顯示桿塔狀態(tài)。經(jīng)過實地檢測，系統(tǒng)運行穩(wěn)定且精度高。