高壓電塔傾斜數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王越勝，陳 星

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化研究所，浙江杭州310018)

0 引言

高壓電塔發(fā)生倒塌、傾斜等事故時(shí)，使得山區(qū)或高原大風(fēng)地區(qū)通訊不正常。以往，采用直升機(jī)進(jìn)行巡檢，但是耗資大，而且由于航道過(guò)低，容易造成安全事故，巡航繁瑣。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要運(yùn)用在高壓電塔的傾斜安全方面的監(jiān)控，運(yùn)用角度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，GPRS和RF模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和保存。在國(guó)外有些地區(qū)已經(jīng)應(yīng)用的相當(dāng)成熟，而我國(guó)電力系統(tǒng)檢測(cè)安全類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)起步較晚，且客觀條件有限。所以，在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能系統(tǒng)的推進(jìn)中，此類(lèi)產(chǎn)品仍具有很廣泛的市場(chǎng)［1］。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的主要功能為:上位機(jī)數(shù)據(jù)處理、GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸、RF無(wú)線傳輸、傾斜檢測(cè)和自主供電系統(tǒng)。主要運(yùn)用場(chǎng)所為山區(qū)、高原等地?？梢詰?yīng)付大風(fēng)、極端大雪和低溫冰凍等天氣。

1 高壓電塔傾斜數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)工作過(guò)程如圖1所示:按不同的高壓電塔在其上安裝若干個(gè)傾斜傳感器(適當(dāng)?shù)貐^(qū)可以安裝溫度、濕度、風(fēng)力等傳感器)，檢測(cè)傾斜角度，一個(gè)電塔的若干個(gè)傳感器組成無(wú)線局域網(wǎng)，按一定的時(shí)間傳輸給終端。再通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給基地終端。通過(guò)上位機(jī)軟件將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，勾畫(huà)出電塔傾斜及其他參數(shù)，以此數(shù)據(jù)可以做到防護(hù)和定位維修。

圖1 高壓電塔傾斜角報(bào)警系統(tǒng)框圖

1.1 傾斜角傳感器

SCA100T與主控芯片相互連接，采用模擬SPI與單片機(jī)通信。SCA100T是一個(gè)內(nèi)部有兩個(gè)工字梁的硅微機(jī)械傳感器［2］，其中D02的測(cè)量范圍為正負(fù)90°，使用SPI通信。

1.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

UTC-1212SE模塊如圖2所示，是一款比較新穎的RF無(wú)線模塊，傳輸距離有300－900m?？垢蓴_能力強(qiáng)，支持串口通信，不需要再寫(xiě)驅(qū)動(dòng)，支持中斷喚醒功能，功耗低［3］。在節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊之間的傳輸就是用此模塊組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)［4，5］，每個(gè)電塔按不同需求安放RF節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥陔娝撞康腞F無(wú)線終端上，然后經(jīng)過(guò)GPRS［6，7］傳輸給數(shù)據(jù)基站。串口傳輸至PC機(jī)用上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)。

圖2 RF無(wú)線模塊框圖

1.3 太陽(yáng)能、風(fēng)能供電系統(tǒng)

由于本系統(tǒng)運(yùn)用地點(diǎn)基本都是人煙罕至的地方，長(zhǎng)期給系統(tǒng)供電也是一個(gè)比較難解決的事情。該系統(tǒng)使用鋰電池，雖然系統(tǒng)也做到低功耗，但是考慮到能長(zhǎng)期使用，還是加裝了太陽(yáng)能以及風(fēng)能供電系統(tǒng)。在平時(shí)工作時(shí)以太陽(yáng)能和風(fēng)能為主并給電池充滿電量，在無(wú)風(fēng)太陽(yáng)光能量不足的情況下改用電池供電。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 RF數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)計(jì)

從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包采用格式:包頭－包長(zhǎng)－ID－數(shù)據(jù)－校驗(yàn)－包尾。傳送數(shù)據(jù)包括:傳感器數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、電池電壓數(shù)據(jù)、時(shí)間戳數(shù)據(jù)等。主機(jī)發(fā)送命令數(shù)據(jù)包:包頭－ID－命令－命令參數(shù)－校驗(yàn)－包尾。需要實(shí)現(xiàn)的命令功能有以下幾種:校時(shí)、設(shè)定采樣周期、設(shè)定ID。命令數(shù)據(jù)包格式如下:包頭－ID－命令碼－采樣周期－時(shí)間戳－校驗(yàn)－包尾。

2.2 解包過(guò)程

(1)接受到包頭后，先匹配ID，若ID不匹配則解包結(jié)束，丟棄錯(cuò)誤包不做處理，若匹配轉(zhuǎn)至(2)。

(2)讀取命令字段，確定數(shù)據(jù)包長(zhǎng)，讀取完整包，判斷包尾，若包尾不正確則解包結(jié)束，丟棄錯(cuò)誤包不做處理，若包尾正確轉(zhuǎn)至(3)。

(3)進(jìn)行校驗(yàn)和處理，結(jié)果有誤則解包結(jié)束，丟棄錯(cuò)誤包不做處理，若結(jié)果正確轉(zhuǎn)至(4)。

(4)解析命令，解包結(jié)束。

2.3 上位機(jī)軟件的具體實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用C#編寫(xiě)，系統(tǒng)中的串行通信功能使用了 COM控件，由于GPRS通信［8］的數(shù)據(jù)傳輸速度遠(yuǎn)低于電腦的工作速度，故使用COM的事件觸發(fā)方式，提高上位機(jī)的運(yùn)行效率。

上位機(jī)軟件流程如圖3所示。先關(guān)閉通信端口，設(shè)置端口參數(shù):波特率為9.6Kb/s，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為2位，這些參數(shù)必須與下位機(jī)程序里的設(shè)置一致，否則將導(dǎo)致通信失敗。設(shè)置完成以后，打開(kāi)通信端口，一旦上位機(jī)收到響應(yīng)幀，中斷子程序(即接收中斷入口)，至接收數(shù)據(jù)完畢，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，退出中斷。然后通過(guò)標(biāo)志位檢查響應(yīng)幀的命令號(hào)，以及計(jì)算校驗(yàn)碼檢查響應(yīng)幀是否出錯(cuò)。若核對(duì)無(wú)誤，說(shuō)明響應(yīng)幀是完整的，提取其數(shù)據(jù)域部分的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)包解包協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，然后在界面上顯示。

圖3 上位機(jī)軟件流程圖

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與結(jié)果

此實(shí)驗(yàn)在本校附近構(gòu)建模擬高壓電塔測(cè)得數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件接受和現(xiàn)實(shí)正常。抗干擾能力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)幾天測(cè)試，基本都正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以高壓電塔數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)了整套能運(yùn)用于山區(qū)、高原地區(qū)的電塔安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定時(shí)或?qū)崟r(shí)監(jiān)控電塔，使電力系統(tǒng)更加安全。系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，能保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。但是系統(tǒng)在測(cè)量精度上還有所欠缺，一些高溫、低溫嚴(yán)寒地區(qū)的抗干擾能力也還有待提高。

［1］ 朱曉艷.我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)管制治理結(jié)構(gòu)理論與實(shí)證研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005:41－45.

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