胡丹麗

(三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002)

隨著電力事業(yè)迅速發(fā)展，對電力設(shè)備進(jìn)行檢修已經(jīng)是一種常態(tài)化操作，目前應(yīng)用比較廣泛的是遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，這在一定程度上推進(jìn)了在線監(jiān)測裝置的發(fā)展，但是國內(nèi)在線監(jiān)測裝置及運行狀態(tài)存在一些問題[1-2]。首先是裝置運行的可靠性較差，線上運行率極低，根本原因是電池供電管理性能較差[3-4]；其次是目前網(wǎng)絡(luò)通信多數(shù)是利用電信或移動的GPRS通信，通過流量計費，每年的通信費用非常高，而且偏遠(yuǎn)山區(qū)信號很不好，視頻傳輸質(zhì)量很低[5-7]；最后裝置較笨重，安裝在離地面很高的輸電桿塔上既費力又不安全，給線路運維人員的安裝和維護(hù)帶來很多不便[8-10]，特別對于大型的應(yīng)急搶修現(xiàn)場和施工作業(yè)現(xiàn)場，安裝費時費力，對現(xiàn)場監(jiān)控更是困難。

針對上述問題，設(shè)計一種電池續(xù)航時間長、通信費用低、裝置輕便、體積小的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測裝置用于輸電線路監(jiān)測。采用基于無線微波傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，有助于現(xiàn)場監(jiān)測與后臺監(jiān)控的通信暢通，同時通過改進(jìn)裝置的電源管理，增強(qiáng)了電源的供電能力。對整個裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其可以滿足應(yīng)急搶修、工地施工以及輸電線路遠(yuǎn)程在線監(jiān)測等需要，確保電力生產(chǎn)安全無事故。

1 無線微波傳輸系統(tǒng)

研制一種運用在便攜式遠(yuǎn)程智能監(jiān)測裝置中的無線微波傳輸系統(tǒng)，其中無線微波收發(fā)裝置是核心，主要包括微波發(fā)射主機(jī)、微波中繼站、微波接收主機(jī)、全向天線以及高增益定向天線。在系統(tǒng)正常工作過程中，攝像頭采集模擬視頻信號，根據(jù)其內(nèi)部的電荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)輔助電路來完成；WiFi無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的各采樣點，視頻信號通過視頻服務(wù)器進(jìn)行模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，經(jīng)編碼后傳輸?shù)轿⒉òl(fā)射機(jī)；傳感器采集的數(shù)字信號也進(jìn)入微波發(fā)射機(jī)，這些信號經(jīng)調(diào)頻后通過天線發(fā)射；無線微波信號發(fā)射器將視頻和數(shù)據(jù)發(fā)送給微波中繼站，微波中繼站對接收的信號進(jìn)行進(jìn)一步分/合處理并且轉(zhuǎn)發(fā)給后臺監(jiān)控中心；后臺監(jiān)控中心的微波接收主機(jī)接收數(shù)字信號，解碼后將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成圖像信號，以串口線或網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控主機(jī)，通過監(jiān)控主機(jī)發(fā)送無線指令來傳輸控制信號，控制任意1臺攝像機(jī)的鏡頭、焦距、角度?？紤]有些復(fù)雜區(qū)域微波通信沒有覆蓋到，現(xiàn)場的視頻及數(shù)據(jù)將通過5G無線通信方式傳輸?shù)胶笈_監(jiān)控中心。無線微波傳輸系統(tǒng)流程如圖1所示，無線微波傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 無線微波傳輸系統(tǒng)流程

圖2 無線微波傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線微波傳輸系統(tǒng)除了進(jìn)行遠(yuǎn)程智能數(shù)字圖像信號與傳感器數(shù)字信號的傳輸外，還可作為遠(yuǎn)程智能及桿塔其他信息傳輸通道，后臺監(jiān)控中心將輸電線路地理環(huán)境信息、輸電設(shè)備的健康狀態(tài)及運行檢修信息、線路及桿塔的基本資料和污穢區(qū)信息等發(fā)送給在線監(jiān)測裝置并存儲，檢修人員經(jīng)過桿塔時通過WiFi接收到該桿塔的相關(guān)信息，提高管理質(zhì)量和運行效率，降低運營成本，保障供電可靠性。

a.2.4G無線路由器

使用ARGtek出品的ARG-1210無線路由器，支持最新llb/g/n無線傳輸標(biāo)準(zhǔn),2T2R(遙控單元上有2個發(fā)射口，能發(fā)能收)無線設(shè)計結(jié)構(gòu)支持多路輸入輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)技術(shù),內(nèi)置1000 MW無線獨立功放系統(tǒng),支持POE(power over ethernet)以太網(wǎng)供電，適合各種無線組網(wǎng)環(huán)境。該設(shè)備除了具有良好的戶外級工業(yè)設(shè)計的優(yōu)點外,還有以下優(yōu)點:①IEEE 802.11n模式下運行2.4 GHz頻道,配合2T2R MIMO技術(shù)可提升傳輸速度到300 Mbps;②兼容IEEE 802.11g,802.11b(2.4 GHz)標(biāo)準(zhǔn);③高功率和高敏感度的外部涵蓋范圍;④分位更新只需經(jīng)由HTTP下載;⑤符合IEEE 802.3 and IEEE 802.3u 10/100 Mbps;⑥支持無線多媒體(WiFi multi media，WMM)及娛樂多媒體無線傳輸功能;⑦12 V及1.5 A電源供應(yīng)器。

b.2.4G-24dBi柵格微波天線

2.4G-24dBi柵格微波天線結(jié)構(gòu)輕巧，方便設(shè)置在各個監(jiān)測現(xiàn)場，由于迎風(fēng)面積小，其風(fēng)阻較小，安裝非常方便；另外其接收信號作用距離遠(yuǎn)，完全能夠滿足現(xiàn)場監(jiān)測需求。該天線與無線微波發(fā)射機(jī)相連,能夠完成后臺監(jiān)控中心到各個監(jiān)測系統(tǒng)無線信號的發(fā)射、接收及中繼。

c.無線微波發(fā)射機(jī)和接收機(jī)

微波通信是通過信號在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間傳輸，因此微波發(fā)射機(jī)及接收機(jī)的選型非常重要。鑒于整個系統(tǒng)的運行環(huán)境，本文選用支持802.11n和MIMO技術(shù)的ST5800TN型無線微波發(fā)射機(jī)及接收機(jī)，該裝置對于遠(yuǎn)距離傳輸起到非常重要的作用，而且方便通過微波中繼來加強(qiáng)信號傳輸，其包含圖片傳輸協(xié)議(picture transfer protocol，PTP)、點對多點連接、無線接力、無線分布式系統(tǒng)(wireless distribution system，WDS)等所有無線功能。在環(huán)境極端復(fù)雜情況下，還支持外接天線，增強(qiáng)信號傳輸面及傳輸距離，確保通信安全可靠。

2 鋰電池管理系統(tǒng)

鋰電池管理系統(tǒng)主要通過4個模塊完成電能管理，分別是電池充放電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電池電量精確統(tǒng)計模塊及電池內(nèi)部通信模塊。電池充放電模塊按照預(yù)充、恒流以及恒壓充電3個階段進(jìn)行自動切換充電；數(shù)據(jù)采集模塊對鋰電池的電壓、電流、溫度等主要參數(shù)進(jìn)行實時采集；電池電量精確統(tǒng)計模塊主要根據(jù)電池充放電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并統(tǒng)計剩余電量；電池內(nèi)部通信模塊主要完成內(nèi)部數(shù)據(jù)的輸入與輸出，并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_監(jiān)控中心。

a.充放電管理

鋰電池充放電要求較高，一般采用專用的恒流、恒壓方式進(jìn)行充電。恒流充電與恒壓充電的方式切換根據(jù)每節(jié)電池的實際充電電壓來確定，一般是當(dāng)充電到4.2 V/節(jié)時切換到恒壓充電，并且恒流充電電流控制在0.1～1.5倍電池容量，當(dāng)電流降到0.1 A時，停止充電。按照目前的充電方式，控制在0.5倍的電池容量，充電時間控制在2～3 h。

鋰電池放電時要嚴(yán)格控制其最終電壓不能低于2.5 V,一般控制在3 V左右，其放電時間與電池電量、放電電流有關(guān)，具體放電以實際容量及電流來確定，否則過度放電會使鋰電池的性能受到破壞，造成鋰電池?fù)p壞。

b.保護(hù)電路設(shè)計

鋰電池采用預(yù)充和定壓充電交互進(jìn)行。充電前對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，設(shè)置充電方式，系統(tǒng)自動充電，自動充電通過凌陽科技股份有限公司生產(chǎn)的微處理器SPCE061A型單片機(jī)控制。

圖3是設(shè)計的充電保護(hù)電路，主要包括電壓監(jiān)測模塊、放大電路、微控制單元(micro control unit，MCU)模塊以及電池組。充電保護(hù)電路主要目的是防止鋰電池過充造成電池?fù)p壞，通過MCU確保最低充電電壓控制在2.5～2.7 V，然后進(jìn)行恒流充電。極端情況下，長時間充電后還不能達(dá)到最低允許充電電壓，系統(tǒng)會判斷鋰電池?fù)p壞，程序會自動進(jìn)入到禁止充電狀態(tài)。

圖3 充電保護(hù)電路

c.數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要采集電池的電壓、電流及溫度3個重要指標(biāo)。電池容量計算主要是電流和電壓2個指標(biāo)，電壓和電流的采集主要通過電壓傳感器及電流傳感器來完成。本文采用LEM公司LTSR25-NP型電流傳感器和LV25-P型電壓傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該傳感器具有精度高、反應(yīng)快并且傳輸速度快等優(yōu)點，而且抗壓、抗熱性高，完全適合惡劣的現(xiàn)場環(huán)境。電池溫度對電池的充電效率也有影響，如果電池超過一定溫度充電，可能會造成電池不可恢復(fù)性破壞。電池管理系統(tǒng)采用DS18B20型數(shù)字溫度傳感器完成對電池溫度檢測，該傳感器檢測精度極高，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在溫度檢測中，其通信采用單總線協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸只需要通過1條數(shù)據(jù)線即可完成，體積小、安裝簡單。

3 現(xiàn)場安裝及調(diào)試

本裝置根據(jù)國網(wǎng)輸電巡檢要求研制，主要對輸電線路進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，確保電力系統(tǒng)運行安全可靠，根據(jù)輸電線路現(xiàn)場環(huán)境，選擇合適的輸電桿塔進(jìn)行安裝?，F(xiàn)場安裝如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場安裝情況

現(xiàn)場安裝完成后，在后臺監(jiān)控中心可以查看現(xiàn)場實際情況，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實時在線監(jiān)測?；貍鞯囊曨l清晰，蓄電能力強(qiáng)，不僅能夠降低線路運維人員工作強(qiáng)度，還可以提高巡檢質(zhì)量。后臺監(jiān)控中心獲取的圖像如圖5所示。

4 結(jié)論

該裝置是在原有線路監(jiān)測裝置上進(jìn)行缺陷修正與創(chuàng)新性改造，突出“便攜式”、“低功耗”、“高精度”、“一次性投資、長期受用”、“運行費用極低”的特點，在以下3個方面進(jìn)行了創(chuàng)新。

圖5 后臺監(jiān)控中心獲取的圖像

a.電源采用質(zhì)量輕、體積小的鋰電池，通過優(yōu)化鋰電池管理系統(tǒng)，對鋰電池進(jìn)行全自動充放電，同時設(shè)計電池保護(hù)電路，確保鋰電池在安全的環(huán)境下進(jìn)行充放電。

b.該裝置能便攜運用到桿塔下環(huán)境，實現(xiàn)對輸電線路現(xiàn)場施工環(huán)境遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控與預(yù)警的作用，使其成為輸電線路作業(yè)中一種方便有效的工具，這是傳統(tǒng)線路監(jiān)測裝置不具備的。

c.裝置通信設(shè)計了遠(yuǎn)程智能在線監(jiān)測、現(xiàn)場施工作業(yè)等數(shù)據(jù)無線微波傳輸?shù)奈锢韨鬏斖ǖ?，基于IEEE802.11數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,能夠?qū)崿F(xiàn)50 km的點對點數(shù)據(jù)高速傳輸，大大降低了通信成本，施工難度低、傳輸容量大、質(zhì)量高、距離遠(yuǎn)。