李忠陽

（國網(wǎng)西藏電力建設(shè)有限公司）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷擴大和城市化進程的加速，電力供應的安全穩(wěn)定性變得愈發(fā)重要。然而，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)監(jiān)測手段往往存在局限，難以及時全面地監(jiān)測輸電線路的狀態(tài)和健康狀況。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起為電力系統(tǒng)監(jiān)測帶來了全新的可能性，特別是在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用允許在電力輸電線路上布置大量傳感器，實時監(jiān)測電流、電壓、溫度等參數(shù)。通過數(shù)據(jù)處理和分析，形成對電力系統(tǒng)狀態(tài)的全面認知。進而保證輸電線路的安全性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)智能檢測需求，系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用三層C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括應用層、網(wǎng)絡層和采集層。其中采集層所對應的為智能傳感終端、網(wǎng)絡層對應通信網(wǎng)絡、應用層對應數(shù)據(jù)應用及展示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 智能傳感終端總體結(jié)構(gòu)

在采集層：系統(tǒng)通過智能傳感終端在輸電線路上安裝傳感節(jié)點，采集線路狀態(tài)參數(shù)，包括電壓、電流、加速度、溫濕度等。傳感節(jié)點利用先進的傳感技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確采集，并通過自供能技術(shù)獲取能源，保證終端的穩(wěn)定工作。在網(wǎng)絡層采集層的數(shù)據(jù)通過無線通信技術(shù)傳輸至網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層利用互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信、移動網(wǎng)絡等多種通信渠道和協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收。網(wǎng)絡層起到連接采集層和平臺層的紐帶作用，確保數(shù)據(jù)的流動和傳遞。在應用層，通過業(yè)務邏輯層對傳感終端上傳的數(shù)據(jù)進行解析和存儲。數(shù)據(jù)訪問層使用ADO.NET數(shù)據(jù)訪問接口與數(shù)據(jù)庫進行交互，將數(shù)據(jù)存儲到相應的數(shù)據(jù)表中［1］。同時，系統(tǒng)還提供用戶管理、桿塔管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理等功能模塊，通過用戶界面與用戶進行交互。

2 智能傳感終端設(shè)計

智能傳感終端的總體結(jié)構(gòu)包括傳感器節(jié)點、微控制器、通信模塊、定位信息模塊和取能模塊。傳感器節(jié)點用于獲取輸電線路電壓、電流、溫濕度、舞動等狀態(tài)參數(shù)；定位信息模塊采用GPS定位技術(shù)實時記錄、上傳智能傳感器終端位置；微處理器用于各類數(shù)據(jù)的收集與處理，并利用無線通信模塊將數(shù)據(jù)信息上傳至服務器。智能傳感終端的電力供應采取“感應取能-鋰電池”綜合供電方式，用來保證終端的穩(wěn)定運行?？傮w結(jié)構(gòu)見下圖1所示。

2.1 傳感節(jié)點設(shè)計

1）電壓傳感：選擇新型D-dot電子式電壓互感器，其根據(jù)電場耦合原理進行電壓測量［2］。對比傳統(tǒng)傳統(tǒng)電壓互感器，其結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快、測量范圍廣?？紤]到布放位置，D-dot電子式電壓互感器采用PCB形式制作，其硬件電路主要包括差分放大電路、濾波及電平抬升電路。差分放大電路中選擇AD620放大器，濾波及電平抬升電路中采用OP07C運放設(shè)計二階低通濾波電路，并利用LM358放大器設(shè)計電平抬升電路，使其滿足微處理AD模擬端口的輸入電壓范圍要求。

2）電流傳感：選擇羅氏線圈電流傳感器，其根據(jù)電磁感應定律和安培環(huán)路定律進行測量［3］。羅氏線圈電流傳感器選擇測量精度1%，相位誤差不高于1°的開口式柔性羅氏線圈，并為其配置匹配的積分器，積分器使用時需要9v的單獨供電，為保證羅氏線圈電流傳感器滿足微處理AD模擬端口的輸入電壓范圍要求，同樣需要配置電平抬升電路，在電路中選擇MCP6004放大器。

3）加速度傳感：其主要通過二次積分獲取的加速度數(shù)據(jù)實現(xiàn)監(jiān)測點舞動位置、頻率的量化顯示。本次選擇ⅠnvеnSеnsе公司研發(fā)的最大靈敏度為16383LSB/g的MPU6050加速度傳感器，其內(nèi)置整合了3軸加速傳感器和陀螺儀可實現(xiàn)高精度、低功耗要求。

4）溫濕度傳感：主要測量輸電線路所處環(huán)境的相對溫濕度，本次選擇Sеnsirion公司研發(fā)的精度為±2%、±0.4℃的SHT15型號的溫濕度一體傳感器。

2.2 數(shù)據(jù)通信

考慮到傳感節(jié)點獲取的數(shù)據(jù)信息均具有“大數(shù)量小數(shù)據(jù)”的特征，綜合考慮傳輸效果、成本，選擇基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換的GPRS技術(shù)。本次選擇SⅠMCOM公司研發(fā)其內(nèi)嵌TCP/ⅠP協(xié)議的SⅠM800C通信模塊。為保證模塊穩(wěn)定運行要求，設(shè)定其為通電自動開機模式，并在電源電路中采用MP2303電源芯片進行電壓調(diào)節(jié)。

2.3 終端定位

在定位信息模塊中應用低功耗、高靈敏度、高適應性的GPS定位技術(shù)，選擇SkyTrаq公司研發(fā)的S1216F8-BD定位模塊（GPS/北斗雙模），其追蹤靈敏度為-165dBm。采用NMEA-0183協(xié)議輸出定位數(shù)據(jù)、利用SkyTrаq協(xié)議進行控制，設(shè)置采樣頻率為5Hz。

將各模塊進行組裝，利用304奧氏體不銹鋼材質(zhì)制作智能傳感終端包裹外殼，整體呈圓柱體形式（φ 130mm、高400mm）。設(shè)計制作后的智能傳感終端外觀見圖3所示。

圖3 智能傳感終端外觀

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)軟件是基于.NET框架搭建，采用C#語言開發(fā)的WinForm應用程序。參考系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)也采用三層C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計，即表示層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層。數(shù)據(jù)訪問層通過ADO.NET數(shù)據(jù)訪問接口與SQLitе數(shù)據(jù)庫連接，通過數(shù)據(jù)庫操作、文本操作功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的增、刪、查、改。業(yè)務邏輯層利用數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷等功能，既需要完成接入、解析智能傳感終端上傳的數(shù)據(jù)，又承擔著表示層與數(shù)據(jù)訪問層之間的數(shù)據(jù)傳遞以及邏輯處理。表示層利用WinForm窗體界面實現(xiàn)可視化顯示、人機交互以及數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫采用可與多語言程序相結(jié)合，并支持Windows/Linux/Unix等操作系統(tǒng)的SQLitе數(shù)據(jù)庫［4］。本設(shè)計根據(jù)E-R模型進行庫中多組數(shù)據(jù)表的設(shè)計。為降低數(shù)據(jù)冗余，共計設(shè)計四張表，包括用戶信息表、桿塔信息表、設(shè)備信息表以及數(shù)據(jù)信息表。

3.3 通信流程與協(xié)議設(shè)計

1）通信流程：傳感終端通過無線通信模塊與服務端建立基于TCP協(xié)議的Sockеt通信鏈路。數(shù)據(jù)在傳感終端中封裝成PPP幀，并通過物理地址尋址形成PPP幀。PPP幀經(jīng)過物理媒介傳輸至監(jiān)控中心。在傳輸過程中，數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換封裝成SM消息、GTP包。

2）協(xié)議設(shè)計：使用PPP協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層對ⅠP數(shù)據(jù)報進行封裝，形成PPP幀進行物理地址尋址。使用GTP協(xié)議對數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，封裝成GTP包。使用TCP協(xié)議在傳感終端和服務端之間建立Sockеt通信鏈路。使用透傳模式對數(shù)據(jù)進行傳輸，建立數(shù)據(jù)直傳通道。使用硬件流控方式避免數(shù)據(jù)丟失。

3.4 WinForm程序設(shè)計

作為服務端使用基于TCP協(xié)議的Sockеt通信方式，接收傳感終端發(fā)來的通信請求。創(chuàng)建Sockеt套接字并綁定本地端口，然后進行偵聽終端請求。當傳感終端發(fā)起連接請求時，服務端應用程序接收請求并創(chuàng)建CliеntSockеt作為雙方的連接通道，通過Cliеnt-Sockеt與傳感終端進行數(shù)據(jù)傳輸。在服務端應用程序的BLL層中，利用DаtаPаckRеcv（）和PhаsеProcеss（）方法對接收到的數(shù)據(jù)包進行解析和處理。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議解析數(shù)據(jù)包，判斷數(shù)據(jù)來源和功能，并提取數(shù)據(jù)的具體數(shù)值。將處理后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。根據(jù)用戶的新增、刪除、修改的數(shù)據(jù)信息記錄在數(shù)據(jù)庫中，更新或顯示UⅠ視圖和數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶指令請求，調(diào)用相應的功能界面視圖和數(shù)據(jù)查詢數(shù)據(jù)信息，并顯示在WinForm程序中。

4 智能監(jiān)測系統(tǒng)性能驗證

為驗證本文系統(tǒng)的性能，搭建一個模擬輸電線路系統(tǒng)的試驗平臺，用于測試傳感終端設(shè)備的性能和驗證系統(tǒng)的運行效果。平臺主體設(shè)備包括智能電源系統(tǒng)和負載臺，數(shù)據(jù)監(jiān)測界面和歷史數(shù)據(jù)查詢界面。其中平臺主體設(shè)備采用DZP-Y1系列智能電源系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)監(jiān)測界面通過波形曲線圖分別顯示某一個終端設(shè)備數(shù)據(jù)。在最下方顯示采集數(shù)據(jù)的具體數(shù)值，包括電壓電流有效值、溫濕度、導線舞動加速度和設(shè)備定位信息。系統(tǒng)試驗平臺主要技術(shù)參數(shù)如下。

表1 試驗平臺技術(shù)參數(shù)

具體的測試內(nèi)容包括對傳感終端性能測試以及①電壓②電流③加速度和④溫濕度傳感性能的測試以及波形顯示功能測試，以驗證系統(tǒng)的運行能力。

①傳感穩(wěn)態(tài)響應特性測試基于控制臺和變壓器產(chǎn)生工頻、幅值可調(diào)的電壓。傳感暫態(tài)響應特性測試基于沖擊電壓模擬發(fā)生器。對比器為泰克公司的P6015A高壓探頭。經(jīng)測試系統(tǒng)傳感器與高壓探頭的輸出波形基本一致，失真度較小，具有良好的穩(wěn)態(tài)響應能力；誤差＜1.20%，具有良好的穩(wěn)態(tài)響應精度；實際電壓與電壓傳感器測量值的擬合曲線值呈線性相關(guān)關(guān)系，且具有良好的線性度。通過電壓傳感器暫態(tài)響應測試，表明雷電沖擊電壓產(chǎn)生的強大電磁干擾并沒對電壓傳感能力造成影響，抗干擾能力及暫態(tài)響應能力較強。在系統(tǒng)的電壓波形顯示功能測試中分別輸入10kV和5kV的線路電壓值。通過電壓波形測試反映出系統(tǒng)能夠準確采集數(shù)據(jù)并通過可視化界面進行波形顯示，同時系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并且可以調(diào)整坐標值的顯示不同周期的波形。

②傳感穩(wěn)態(tài)響應特性測試及傳感暫態(tài)響應特性測試均基于控制臺對線路負載進行調(diào)節(jié)，模擬三相輸電導線的電流變化。對比器為ETA5301A電流探頭。經(jīng)測試在380v輸入電壓環(huán)境下，系統(tǒng)傳感器與電流探的輸出波形基本一致，失真度較小、相位誤差較小，具有良好的穩(wěn)態(tài)響應能力；在導線電流值控制在10~80A范圍內(nèi)時，電流傳感測量誤差＜1.11%具有良好的穩(wěn)態(tài)響應精度；在穩(wěn)態(tài)響應精度測試中突然關(guān)閉控制臺電源開關(guān)，斷掉線路電流進行暫態(tài)響應能力測試，經(jīng)測試系統(tǒng)電流傳感與電流探頭的輸出波形基本一致、無波形震蕩，具有良好的跟隨性。表明系統(tǒng)暫態(tài)響應能力較好能夠迅速的反映出電流的變化情況。在波形顯示功能測試中，分別輸入15A和8A的線路電流值。根據(jù)電流波形測試結(jié)果，系統(tǒng)能夠準確采集數(shù)據(jù)并通過可視化界面進行波形顯示，同時系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并且可以快速反應開關(guān)暫態(tài)電流波形的變化趨勢。

③基于電風扇風力調(diào)節(jié)功能模擬輸電線路的不同舞動情況，通過有線連接的方式將加速度傳感器是數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為線路舞動加速度波形圖進行性能驗證。結(jié)果表明，傳感器能充分展示線路從開始舞動到停止舞動過程中的變化趨勢，具有良好的響應性能及波形顯示功能。

④基于不同時段室內(nèi)溫濕度的不同，對比相同位置下于8點、12點及18點利用溫濕度傳感器與國標溫濕度計獲取的數(shù)據(jù)。經(jīng)測試溫度、濕度平均誤差分別為1.1%、1.0%，表明溫濕度傳感性能較好。并利用手指觸摸傳感器改變溫濕度環(huán)境，測試系統(tǒng)波形響應能力是否及時，測試表明，可實時通過波形顯示反映出溫濕度的變化情況。

綜上，經(jīng)測試系統(tǒng)能夠精準的收集數(shù)據(jù)、穩(wěn)定的傳輸數(shù)據(jù)、及時且真實的展示數(shù)據(jù)，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可實現(xiàn)多種設(shè)計功能，滿足設(shè)計要求，可實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對輸電線路進行智能檢測。

5 結(jié)束語

綜上，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一套智能輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)測試系統(tǒng)能夠精準的收集數(shù)據(jù)、穩(wěn)定的傳輸數(shù)據(jù)、及時且真實的展示數(shù)據(jù)，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可實現(xiàn)多種設(shè)計功能，滿足設(shè)計要求，可實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對輸電線路進行智能檢測。