鄭 威，湯榮生

（云南三環(huán)中化化肥有限公司，云南 昆明 650113）

0 引 言

目前，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)監(jiān)控方法主要是基于物理上的設(shè)備檢測(cè)和分析技術(shù)，存在一定的局限性。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求越來越高，需要尋找一種更加高效便捷的方法監(jiān)控電力系統(tǒng)[1]。無線通信技術(shù)能夠在這方面發(fā)揮重要作用，因此文章旨在針對(duì)現(xiàn)有的無線通信技術(shù)提出一種新型輸電線監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。該平臺(tái)將先進(jìn)的傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)相結(jié)合，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路和進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供有力支持。

1 無線通信網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于無線通信技術(shù)的輸電線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖1 所示，主要由傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和控制模塊組成。其中：傳輸模塊負(fù)責(zé)傳輸傳感器采集的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊用于分析和處理傳感器采集的數(shù)據(jù)；控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器組網(wǎng)、監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)以及報(bào)警等多種功能。具體來說，傳輸模塊采用ZigBee 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可以將傳感器中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器端，并進(jìn)行進(jìn)一步的處理與分析。在數(shù)據(jù)處理模塊中，采用Python 編程語(yǔ)言開發(fā)相應(yīng)的算法模型，能夠有效提取傳感器上獲取的信息，并將其轉(zhuǎn)化為易于理解的形式呈現(xiàn)給用戶。同時(shí)，該模塊加入了一些安全防護(hù)措施，如加密通信、防火墻等?？刂颇K是整個(gè)系統(tǒng)的核心，可以通過Web 界面方式實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)工作原理

無線通信技術(shù)的輸電線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以實(shí)時(shí)獲取輸電線路上的各種數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、溫度等，并通過無線傳輸方式將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器進(jìn)行分析和處理[2-3]。用戶通過手機(jī)Web 界面，選擇要監(jiān)測(cè)的輸電線路節(jié)點(diǎn)及其相關(guān)參數(shù)。云端服務(wù)器會(huì)自動(dòng)生成一組序列號(hào)，并將它們分配給對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)傳感器收到序列號(hào)后，開始收集和轉(zhuǎn)換物理量的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以ZigBee 協(xié)議的形式發(fā)送回云端服務(wù)器。云端服務(wù)器會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、過濾和分析處理，輸出結(jié)果再返回給用戶查看[4]。

1.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

無線通信網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以通過對(duì)輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析來提高電網(wǎng)的安全性和可靠性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要解決一系列技術(shù)難題。該系統(tǒng)的主要技術(shù)包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線傳輸模塊、云計(jì)算服務(wù)以及數(shù)據(jù)處理算法等方面。在無線傳感器節(jié)點(diǎn)方面，采用光纖陀螺儀進(jìn)行方向檢測(cè)，微型溫度計(jì)測(cè)量溫度變化等，以保證傳感器精度高、穩(wěn)定性好[5]。同時(shí)，采用ZigBee 協(xié)議作為無線傳輸模塊的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，可以確保信號(hào)傳輸?shù)母咝屎偷凸男浴Ｔ谠朴?jì)算服務(wù)方面，采用云端存儲(chǔ)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以便于快速分析和處理大量數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理算法方面，采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，通過分析歷史數(shù)據(jù)和建立預(yù)測(cè)模型，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，并采取相應(yīng)的措施。

2 無線通信網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

無線通信網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)主要包括主控單元、傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集模塊。其中，主控單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)控制各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，接收并處理傳回的數(shù)據(jù)。平臺(tái)采用ZigBee 協(xié)議作為傳輸協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。傳感器節(jié)點(diǎn)即每個(gè)傳感器設(shè)備，通過ZigBee 協(xié)議與主控單元進(jìn)行雙向通信。平臺(tái)使用了多種類型的傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路各種參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些傳感器包括溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器等，其工作原理各不相同。數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控單元，采用SD 卡存儲(chǔ)方式保存采集的數(shù)據(jù)。此外，為了提高系統(tǒng)的健壯性和可擴(kuò)展性，平臺(tái)硬件部分加入了一些備用器件和功能模塊。例如：電源管理模塊可以自動(dòng)切換供電源；報(bào)警模塊可以發(fā)出警報(bào)信號(hào)，提醒操作人員注意故障情況等。

2.2 主控單元

無線通信網(wǎng)絡(luò)輸電線監(jiān)測(cè)平臺(tái)主控單元的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、信號(hào)處理、電源管理以及控制器管理等。數(shù)據(jù)采集模塊以20 kHz 的采樣頻率采集電流、電壓值，同時(shí)可以采集多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸模塊采用ZigBee 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有低功耗和高可靠性的特點(diǎn)。信號(hào)處理模塊主要用于對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和濾波處理。電源管理模塊負(fù)責(zé)電池電壓檢測(cè)和充電狀態(tài)監(jiān)控?？刂破鞴芾砟K用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制和調(diào)度。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性，采用雙模單頻切換的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。具體來說，當(dāng)接收方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)射機(jī)會(huì)將信道切換到單模模式下，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸；在沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，發(fā)射機(jī)則切換至多模模式，以節(jié)省能量并延長(zhǎng)電池壽命。此外，主控單元加入了一些安全防護(hù)措施，如加密算法和防偽碼驗(yàn)證機(jī)制等，以確保系統(tǒng)的安全性和完整性。

2.3 信號(hào)采集與傳輸模塊

無線通信網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)信號(hào)采集與傳輸模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，并將其發(fā)送到控制中心或云端服務(wù)器上進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。信號(hào)采集與傳輸模塊包括接收機(jī)和發(fā)射機(jī)2 個(gè)部分。接收機(jī)主要用于接收傳感器的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過ZigBee 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)則用于向傳感器發(fā)送命令，同時(shí)接收從控制中心或者云端服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。為了保證信號(hào)采集與傳輸模塊的工作穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)過程中特別注重信道選擇和頻帶的選擇等問題。對(duì)于信道選擇問題，選擇2.4 GHz ISM band 作為傳輸頻率范圍，并利用多路復(fù)用技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)頻帶問題，采用窄帶調(diào)制方式減小干擾的影響，同時(shí)提高系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，信號(hào)采集與傳輸模塊加入了一些額外功能，如故障檢測(cè)和自診斷功能等，可以幫助用戶更好地管理和維護(hù)設(shè)備狀態(tài)，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3 無線通信網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹

無線通信網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件采用基于Android 的操作系統(tǒng)來構(gòu)建。該系統(tǒng)采用Java 語(yǔ)言進(jìn)行編程和開發(fā)，并使用Android SDK 提供的應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API）實(shí)現(xiàn)各種功能，同時(shí)使用了一些第三方庫(kù)如Retrofit、OkHttp 等來提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。為了保證系統(tǒng)的可靠性，整個(gè)系統(tǒng)采用冗余備份機(jī)制。當(dāng)一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，其他設(shè)備會(huì)自動(dòng)切換到備用狀態(tài)，以確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。此外，每個(gè)設(shè)備上安裝了防火墻和入侵檢測(cè)程序，以防止外部攻擊對(duì)系統(tǒng)造成負(fù)面影響。軟件開發(fā)過程中注重界面設(shè)計(jì)與用戶體驗(yàn)，通過不斷優(yōu)化和改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)易于操作且美觀的用戶界面，也為不同類型的終端提供了不同的應(yīng)用版本，以便滿足不同的需求。例如：對(duì)于移動(dòng)端的應(yīng)用程序，可以提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制功能；對(duì)于桌面端的應(yīng)用程序，則更加強(qiáng)調(diào)報(bào)表生成和歷史記錄查詢等能力。

3.2 軟件架構(gòu)

無線通信技術(shù)的輸電線監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及用戶界面4 個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)中的重要部分，負(fù)責(zé)接收傳感器的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸。因此，采用ZigBee 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。該協(xié)議具有低功耗和長(zhǎng)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性需求。數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分析處理，需要考慮數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，以保證最終結(jié)果的正確性和可靠性。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于保存采集的數(shù)據(jù)，以便后續(xù)使用或查詢。為了提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊使用了數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具來維護(hù)數(shù)據(jù)。用戶界面模塊是整個(gè)系統(tǒng)的接口部分，通過圖形化界面向用戶展示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和采集的數(shù)據(jù)情況。整個(gè)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)注重各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)性和集成度，確保系統(tǒng)的整體性能穩(wěn)定可靠。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

在無線通信技術(shù)的輸電線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。該模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和傳輸，并將其發(fā)送到服務(wù)器端進(jìn)行處理與分析。采用ZigBee 協(xié)議作為數(shù)據(jù)采集模塊的標(biāo)準(zhǔn)化接口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)高效率、低功耗的采集和傳輸。數(shù)據(jù)采集模塊主要包括以下3 個(gè)方面：一是基于ZigBee 協(xié)議的硬件設(shè)備選擇；二是基于ZigBee 協(xié)議的軟件開發(fā)流程；三是對(duì)于數(shù)據(jù)采集過程中存在的問題及解決方案的研究。對(duì)于硬件設(shè)備的選擇而言，采用TelitHE 9510-Q16A ZigBee模塊作為數(shù)據(jù)采集的核心部件。該模塊具有高速度、穩(wěn)定以及可靠的特點(diǎn)，能夠滿足高精度、大容量的數(shù)據(jù)采集需求。針對(duì)數(shù)據(jù)采集過程，采用MATLAB/Simulink 相結(jié)合的方式完成軟件開發(fā)工作。通過這種方式可以快速搭建完整的數(shù)據(jù)采集模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。為了解決數(shù)據(jù)采集過程中可能出現(xiàn)的一些問題，如信號(hào)干擾、數(shù)據(jù)丟失等問題，該模塊還進(jìn)行了相應(yīng)的算法優(yōu)化和故障排除措施設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等內(nèi)容。

3.4 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

無線通信技術(shù)的輸電線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以實(shí)時(shí)采集和傳輸輸電線路上的各種參數(shù)信息，包括電壓、電流以及溫度等。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需要對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，因此采用ZigBee 協(xié)議來構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)。通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以將傳感器的信息發(fā)送到控制中心，并從控制中心接收其他設(shè)備的狀態(tài)信息，同時(shí)使用了一些特殊算法來提高信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。例如：在數(shù)據(jù)采集過程中加入濾波器和抗干擾措施，以減少噪聲的影響；使用壓縮編碼方法減小數(shù)據(jù)的大小和縮減傳輸時(shí)間；采用多層安全機(jī)制保護(hù)系統(tǒng)的安全性。此外，數(shù)據(jù)處理模塊中引入了一些新功能，如數(shù)據(jù)分析工具，可以用于對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘和分析，從而發(fā)現(xiàn)潛在的問題或異常情況。數(shù)據(jù)處理模塊也為用戶提供了一些可視化界面，以便用戶能夠更加直觀地了解系統(tǒng)狀態(tài)和運(yùn)行狀況。

4 結(jié) 論

文章旨在構(gòu)建一個(gè)基于無線通信技術(shù)的輸電線監(jiān)測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、傳輸模塊以及監(jiān)控中心模塊，在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供有力保障。為了更好地滿足用戶需求，合理設(shè)計(jì)該平臺(tái)的硬件和軟件，有效提高了其穩(wěn)定性和可靠性，有助于推動(dòng)電力行業(yè)朝著數(shù)字化方向發(fā)展。