王宏宇，譚志強(qiáng)，許 寅

(上海華東送變電工程有限公司，上海 201803)

為了確保電力施工安全，電力施工現(xiàn)場一般通過加設(shè)圍欄的方式來確保施工作業(yè)的安全性，但仍然存在部分施工人員對(duì)自身的施工行為不加約束，有任意翻越安全圍欄的情況。視頻監(jiān)測技術(shù)能直觀地觀測到電力施工現(xiàn)場的作業(yè)狀態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)現(xiàn)場的同步管理，在現(xiàn)場管控上已得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)測技術(shù)都基于4G或5G等通信網(wǎng)，野外因無通信網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)將野外作業(yè)現(xiàn)場狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送至項(xiàng)目管理中心，這阻礙了視頻監(jiān)測技術(shù)在野外作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)一種獨(dú)立的無線通信網(wǎng)絡(luò)已成為野外作業(yè)視頻監(jiān)測所急需解決的問題。

基于IEEE 802.11a/n/ac通信標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)一種獨(dú)立的無線通信網(wǎng)絡(luò)，利用高通Atheros處理器制成無線通信網(wǎng)橋，利用拋物面天線對(duì)無線數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)長距離傳送，并搭建基于該通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)，分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的效果。

1 無線通信原理

1.1 無線通信架構(gòu)

本文采用微波通信原理實(shí)現(xiàn)長距離的無線通信，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線通信的結(jié)構(gòu)示意圖

無線通信的整個(gè)系統(tǒng)由拋物面天線、饋線和無線網(wǎng)橋組成。系統(tǒng)工作原理：首先無線網(wǎng)橋發(fā)出通信信息，利用饋線上傳到拋物面天線，通過拋物面天線對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后發(fā)出；然后另一端利用拋物面天線接收信號(hào)，將饋線傳入無線網(wǎng)橋，利用無線網(wǎng)橋?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)長距離的數(shù)據(jù)通信[4-5]。

1.2 無線網(wǎng)橋設(shè)計(jì)

微波通信是使用波長在0.1 mm～1.0 m之間的電磁波進(jìn)行通信，所對(duì)應(yīng)的頻率范圍是300 MHz～3 000 GHz。與同軸電纜通信、光纖通信和衛(wèi)星通信等現(xiàn)代通信網(wǎng)傳輸方式不同的是，微波通信是直接使用微波作為介質(zhì)進(jìn)行通信，不需要固體介質(zhì)，當(dāng)兩點(diǎn)間直線距離內(nèi)無障礙時(shí)就可以使用微波傳送。利用微波進(jìn)行通信具有容量大、質(zhì)量好并可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)[6-7]，因此，基于微波通信原理對(duì)無線網(wǎng)橋進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

基于IEEE 802.11a/n/ac標(biāo)準(zhǔn)，無線網(wǎng)橋采用高通Atheros處理器制成，有接收和發(fā)送的雙向功能，帶寬300 MHz，傳輸距離優(yōu)于30 km，見圖2。無線網(wǎng)橋由發(fā)信機(jī)、收信機(jī)、天饋線系統(tǒng)、多路復(fù)用設(shè)備及用戶終端設(shè)備等組成。發(fā)信機(jī)由調(diào)制器、上變頻器、高功率放大器組成，收信機(jī)由低噪聲放大器、下變頻器，解調(diào)器組成。

圖2 無線網(wǎng)橋的原理

1.3 拋物面天線設(shè)計(jì)

在信號(hào)的傳遞上，采用雙極化拋物面天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送和接收。這個(gè)天線涉及到照射器和反射器設(shè)計(jì)。

反射器選用普通拋物面天線，拋物面將照射器投射過來的電磁波沿拋物面軸向方向反射出去，從而獲得很強(qiáng)的方向性。按照設(shè)計(jì)的拋物面天線安裝要求，選擇小口徑、高曲率的拋物面。為了能抗雨、霧和水汽的腐蝕，照射器還添加了低介電常數(shù)的聚四氟乙烯遮雨板。

2 太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使無線通信系統(tǒng)可靠運(yùn)行，結(jié)合野外作業(yè)現(xiàn)場，采用太陽能供電的方式對(duì)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進(jìn)行可靠供電，克服施工現(xiàn)場供電難的問題，便于整個(gè)系統(tǒng)的安裝和應(yīng)用。

太陽能供電系統(tǒng)的框架如圖3所示。整個(gè)光伏供電系統(tǒng)是由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、DC-DC變換器等設(shè)備組成。系統(tǒng)工作原理：在光照條件下，太陽能電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求；再通過充放電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來的電能貯存起來，同時(shí)利用DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的供電電壓，向無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進(jìn)行可靠供電。夜晚，蓄電池組為DC-DC變換器供電，通過DC-DC變換器向無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進(jìn)行可靠供電。

圖3 太陽能供電系統(tǒng)框架

在供電過程中，控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測太陽能板的發(fā)電狀態(tài)、蓄電池的儲(chǔ)能狀態(tài)等信息。系統(tǒng)通過對(duì)蓄電池電壓、光伏輸出電壓和電流等參數(shù)的監(jiān)測，結(jié)合蓄電池電壓和容量之間的關(guān)系，對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)的供電狀態(tài)做出評(píng)估。對(duì)蓄電池容量設(shè)計(jì)多級(jí)預(yù)警，當(dāng)蓄電池容量下降到一定值時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，試運(yùn)行人員及時(shí)掌握蓄電池容量，并采取能量管理措施，確保對(duì)通信系統(tǒng)的可靠供電。

3 傳輸模式設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)橋具有中繼功能，根據(jù)數(shù)據(jù)通信過程中的傳輸路徑不同，可分為中繼傳輸和直接傳輸兩種模式。

(1)中繼傳輸模式。中繼傳輸模式采用信號(hào)傳接的方式進(jìn)行(見圖4)。該方式具有延長傳輸距離，避開遮擋物的優(yōu)點(diǎn)，在使用過程中由于后續(xù)的傳輸設(shè)備需要傳輸前端設(shè)備的信息量，隨著節(jié)點(diǎn)的增加，數(shù)據(jù)通信的容量需求變大，成本變大。

圖4 利用各點(diǎn)互為中繼的傳輸模式示意圖

(2)直接傳輸模式。直接傳輸模式采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心(見圖5)。該方式具有數(shù)據(jù)傳送容量不大，成本低，但傳輸距離受設(shè)備影響大，同時(shí)不能避開遮擋物，信號(hào)穩(wěn)定性差。

圖5 無中繼直接傳輸模式示意圖

4 現(xiàn)場測試

在獨(dú)立無線通信系統(tǒng)購置完畢后，需了解所構(gòu)建的獨(dú)立無線通信網(wǎng)絡(luò)是否適用于野外作業(yè)現(xiàn)場安全監(jiān)控。將無線通信網(wǎng)絡(luò)和視頻系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)施對(duì)楊房溝水電站500 kV線路野外作業(yè)現(xiàn)場的視頻監(jiān)控。

基于直接傳輸和中繼傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，結(jié)合楊房溝水電站500 kV線路地形復(fù)雜等情況，本次現(xiàn)場采用中繼和直接相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，對(duì)存在山體阻擋的地方采用中繼傳輸?shù)姆绞?，避開線路在山林架設(shè)過程中山體遮擋物對(duì)通信的阻隔，系統(tǒng)的布置如圖6所示。

圖6 基于無線通信的視頻監(jiān)控示意圖

整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施過程中，在無線網(wǎng)橋之間采用網(wǎng)線連接的方式(也可采用無線通信方式)，在中繼傳輸?shù)倪^程中采用交換機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行橋連。在直接通信方式中，視頻通過網(wǎng)線接入無線通信網(wǎng)橋，利用拋物天線通過無線微波通信直接傳到項(xiàng)目部的無線網(wǎng)橋，通過交換機(jī)接入監(jiān)控平臺(tái)。在中繼通信方式中，視頻通過網(wǎng)線接入無線通信網(wǎng)橋，利用拋物天線通過無線微波通信傳到對(duì)應(yīng)的無線網(wǎng)橋，通過交換機(jī)傳到中繼網(wǎng)橋，利用中繼網(wǎng)橋傳到項(xiàng)目部的無線網(wǎng)橋，最后通過交換機(jī)接入監(jiān)控平臺(tái)。

由此可見，本文所設(shè)計(jì)的基于微波原理的無線通信系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻、控制信號(hào)和語音信號(hào)的傳遞，可靠解決了野外通信難的問題。