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(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430072）

0 前言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)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(luò)系統(tǒng)中，輸電桿塔是其非常關(guān)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(gè)電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。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(tái)風(fēng)、暴雨、暴雪、冰雹、大風(fēng)、沙塵、龍卷風(fēng)等自然災(zāi)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(duì)輸電線路桿塔的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全天候監(jiān)控，來保障電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)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(diǎn)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(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行、運(yùn)營(yíng)管理、綜合服務(wù)、新業(yè)務(wù)新模式發(fā)展提供充分有效的數(shù)據(jù)支持。

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

目前輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)裝置還存在較大的問題。第一，設(shè)備可靠性相對(duì)較差[4]；第二，設(shè)備實(shí)用性有待提高。在實(shí)際運(yùn)行中，由于計(jì)算模型不同，得到的結(jié)果也存在不同程度的偏差，嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤報(bào)；第三，設(shè)備集成度不高，往往一整套監(jiān)測(cè)裝置體積較大，給施工安裝和日常運(yùn)維造成一定的困難。

針對(duì)以上問題，本文基于傳感器選型、布點(diǎn)原則、數(shù)據(jù)通信三方面內(nèi)容進(jìn)行了輸電桿塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)的災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)對(duì)輸電桿塔振動(dòng)，傾斜狀況全天候24 小時(shí)不間斷的精確監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)概述

圖2 輸電線路微氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在傳感器技術(shù)方面，選用高性能傳感器對(duì)輸電桿塔的傾斜，振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并作為輸電桿塔狀態(tài)預(yù)警的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)泛在電力物聯(lián)在線監(jiān)測(cè)的智能感知功能。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將感知設(shè)備與通信設(shè)備對(duì)接實(shí)現(xiàn)智能物聯(lián)化，依托廣泛的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廣域物聯(lián)，使用數(shù)據(jù)采集主機(jī)通過移動(dòng)4G 網(wǎng)絡(luò)以SOCKET 透?jìng)魍ㄐ拧CP 協(xié)議向部署的服務(wù)器主動(dòng)上發(fā)由傾角傳感器和振動(dòng)傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)程監(jiān)控端利用JavaScript 搭建出輸電線路預(yù)防系統(tǒng)平臺(tái)，把輸電桿塔傾斜，振動(dòng)數(shù)據(jù)通過曲線形式進(jìn)行不間斷顯示、存儲(chǔ)，方便技術(shù)人員對(duì)輸電桿塔運(yùn)行狀況進(jìn)行分析研究。

基于上述技術(shù)路線方案，制定出圖2 所示的輸電線路微氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)。傾角傳感器與振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)傾斜和振動(dòng)物理量的智能感知，數(shù)據(jù)采集主機(jī)采集傳感器信號(hào)，并通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的輸電線路桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集主機(jī)解析，把傾角、振動(dòng)傳感器所測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器后臺(tái)。通過基于JavaScript搭建出輸電線路微氣象預(yù)防系統(tǒng)平臺(tái)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以曲線形式進(jìn)行展示。

2.1 設(shè)備選型

搭建輸電線路桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備包括傾角傳感器、振動(dòng)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(cè)是通過傾斜傳感器來實(shí)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(dāng)傾斜傳感器表面殼體與地球重心方向產(chǎn)生傾角時(shí)，在重力作用的影響下，擺錘M 會(huì)試圖保持在鉛垂方向，因此會(huì)相對(duì)于殼體擺動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)角度[5]。如果利用某種傳播元件將這個(gè)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(yīng)變量，轉(zhuǎn)換成電量輸出，則實(shí)現(xiàn)了傾斜角的電測(cè)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(dāng)受到外界干擾因素作用時(shí)，傾角傳感器的X 軸，Y 軸和Z 軸就會(huì)產(chǎn)生偏離角度。正是通過后臺(tái)觀測(cè)傳回來的傾角數(shù)據(jù)，來判斷輸電桿塔的實(shí)際傾斜狀況。

2.1.2 振動(dòng)傳感器

本文選用的振動(dòng)傳感器為壓電加速度計(jì)。它的原理是利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受到振動(dòng)的時(shí)候，質(zhì)量體對(duì)壓電元件產(chǎn)生的力也會(huì)因此發(fā)生改變。當(dāng)壓電加速度計(jì)的固有頻率大于被測(cè)量物體的振動(dòng)頻率時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生的力的變化也就與被測(cè)量物體的加速度成正比[6]。如圖4 所示，當(dāng)振動(dòng)傳感器任意軸受力時(shí)，都將產(chǎn)生一個(gè)此方向的加速度。正是通過后方觀測(cè)這些由振動(dòng)受力產(chǎn)生的加速度的數(shù)值，可以判斷輸電桿塔的實(shí)際振動(dòng)狀況。

圖4 振動(dòng)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(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，內(nèi)置工業(yè)級(jí)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(dòng)4G/5G 網(wǎng)絡(luò)以SOCKET 透?jìng)魍ㄐ拧CP 協(xié)議向部署的服務(wù)器主動(dòng)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(diǎn)，可提供8 路模擬量，4 路開關(guān)量信號(hào)采集，4 路繼電器輸出，狀態(tài)觸發(fā)報(bào)警的功能。

2.1.4 太陽能板

由于每套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件的總功消耗為155 mA@DC12 V，逆變器的轉(zhuǎn)換效率為90%，每日有效日照時(shí)間為5 小時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)24 小時(shí)不間斷工作，本文選用的為100 W 的太陽能板，同時(shí)考慮到設(shè)備的實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性，在特殊地形和極端條件下對(duì)桿塔運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用太陽能電池板+ 鋰電池蓄電的光儲(chǔ)供電方式。太陽能板與鋰電池共同接入光儲(chǔ)控制器，光儲(chǔ)控制器對(duì)鋰電池的充放電進(jìn)行控制。光儲(chǔ)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(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行供電。

2.2 總體設(shè)計(jì)

在選定的傳感器與采集主板的基礎(chǔ)上，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集架構(gòu)和輸電線路上的傳感器布點(diǎn)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。如圖5 所示，每個(gè)桿塔上安裝傾角傳感器、振動(dòng)傳感器各四個(gè)。由于每個(gè)采集主板支持最大八路模擬量采集，且考慮后續(xù)擴(kuò)建及冗余備用設(shè)計(jì)。故每個(gè)桿塔配置采集主板四套。其對(duì)應(yīng)的采集架構(gòu)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(hào)、兩套六路振動(dòng)信號(hào)。#3 采集主板采集兩套思路傾角信號(hào)，其余為空置。#4 作為備用硬件全部空置。其中，X 軸方向?yàn)轫樠泳€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(cè)系統(tǒng)采集架構(gòu)

圖6 輸電線路微氣象預(yù)防系統(tǒng)布點(diǎn)方式

由于桿塔最容易受力傾斜和振動(dòng)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(dòng)的桿塔塔臂處安裝振動(dòng)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(dòng)傳感器對(duì)輸電桿塔的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電桿塔傾斜及振動(dòng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警、防護(hù)，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(diǎn)如圖6 所示。綠點(diǎn)代表著四個(gè)傾角傳感器在實(shí)際桿塔所固定的位置，藍(lán)點(diǎn)代表著四個(gè)振動(dòng)傳感器在實(shí)際桿塔所固定的位置。8 個(gè)傳感器由太陽能電池板+ 鋰電池蓄電方式進(jìn)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(zhǔn)的反應(yīng)桿塔運(yùn)行狀態(tài)，傳感器安裝位置盡可能處于桿塔塔臂處，且成對(duì)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(shè)備與通信設(shè)備對(duì)接的功能則需要軟件系統(tǒng)來完成。

圖7 軟件監(jiān)測(cè)終端的主程序流程圖

如圖7 所示，軟件監(jiān)控終端主要負(fù)責(zé)對(duì)輸電桿塔傾斜，振動(dòng)狀態(tài)的信息采集和上報(bào)。設(shè)備初始化后，給定入網(wǎng)信號(hào)，開始采集輸電桿塔傾斜，振動(dòng)數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，通過調(diào)試完畢后的數(shù)據(jù)采集主機(jī)，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)監(jiān)控中心，利用JavaScript 建立的輸電線路預(yù)防平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的高效管理和分析。

如圖8 所示，對(duì)數(shù)據(jù)采集主機(jī)進(jìn)行通信調(diào)試，通過移動(dòng)4G 網(wǎng)絡(luò)以SOCKET 透?jìng)魍ㄐ?、TCP協(xié)議向部署的服務(wù)器主動(dòng)上發(fā)由傾角傳感器和振動(dòng)傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)的全天候不間斷監(jiān)控。

1）數(shù)據(jù)采集主機(jī)配置調(diào)試

由圖8(a) 可知，將串口設(shè)置調(diào)整為計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別的串口號(hào)，本文串口設(shè)置為COM4，波特率設(shè)置為9600，數(shù)據(jù)設(shè)置為8，停止位設(shè)置為N，校驗(yàn)位設(shè)置為1，采集主板采用TCP Client 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

每次數(shù)據(jù)報(bào)文中，包含有以FF0*開頭的采集主板識(shí)別碼，以實(shí)現(xiàn)與具體安裝、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的功能對(duì)應(yīng)[8]。在采集主板識(shí)別碼后是固定的64 03 30 報(bào)文前綴，其后則是采集到的數(shù)據(jù)。在后臺(tái)監(jiān)控端的設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行解碼設(shè)計(jì)。

圖8 數(shù)據(jù)采集主機(jī)通信調(diào)試

2）SOCKET 通信調(diào)試

由圖8(b) 可知，SOCKET 就是對(duì)TCP/IP協(xié)議的封裝，它可以讓整個(gè)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(jī)系統(tǒng)快速應(yīng)用TCP/IP協(xié)議棧，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。

3）服務(wù)器端解析到數(shù)據(jù)

由圖8(c) 可知，上方界面為服務(wù)器從各個(gè)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_(tái)上，就可實(shí)現(xiàn)直觀的觀測(cè)各個(gè)時(shí)刻桿塔運(yùn)行狀態(tài)的功能。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

圖9 系統(tǒng)機(jī)箱設(shè)計(jì)安裝圖

如圖9 所示，分別將四個(gè)采集主機(jī)和2 個(gè)鋰電池放進(jìn)主機(jī)外箱里，通過鋰電池和外接的太陽能板對(duì)其進(jìn)行不間斷供電。最后通過負(fù)載、電池、太陽能的順序進(jìn)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(shí)四個(gè)傾角傳感器和四個(gè)振動(dòng)傳感器固定到桿塔的塔臂上，基于JavaScript 搭建出輸電線路預(yù)防系統(tǒng)平臺(tái)，將傾角和振動(dòng)傳感器測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過曲線形式在平臺(tái)上進(jìn)行顯示。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等其他電子技術(shù)對(duì)輸電桿塔進(jìn)行有效實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。本文設(shè)計(jì)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(dòng)檢測(cè)中，系統(tǒng)選用壓電加速計(jì)傳感器，當(dāng)任意軸受到振動(dòng)或者受力時(shí)，都將產(chǎn)生一個(gè)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(cè)，將傾角量轉(zhuǎn)換成電量輸出，則實(shí)現(xiàn)了傾斜角的電測(cè)量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中項(xiàng)目選用低功耗、穩(wěn)定性高的數(shù)據(jù)采集器構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)再通過移動(dòng)4G 網(wǎng)絡(luò)以SOCKET 透?jìng)魍ㄐ拧CP 協(xié)議向部署的服務(wù)器主動(dòng)上發(fā)由傾角傳感器和振動(dòng)傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù),在檢測(cè)軟件上可實(shí)時(shí)顯示桿塔狀態(tài)。經(jīng)過實(shí)地檢測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且精度高。