基于ZigBee技術(shù)的輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉 捷, 戴 睿, 馬 枚, 楊俊杰

(1.國網(wǎng)四川省電力公司 信息通信公司,四川 成都 610054;2.上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院,上海 200090)

超特高壓遠距離輸電線路多經(jīng)過山區(qū)、埡口、湖泊、高山分水嶺等運行環(huán)境惡劣的地區(qū),極易導(dǎo)致線路覆冰,引起線路跳閘、斷線甚至倒塔等故障,嚴(yán)重影響人民的正常生產(chǎn)和生活.

目前,國內(nèi)外對輸電線路覆冰監(jiān)測已有一些研究成果.[1-4]華南理工大學(xué)的陽林等人基于稱重法實現(xiàn)了輸電線路等值覆冰厚度監(jiān)測；[2]西安工程大學(xué)的黃新波等人基于三塔兩檔模型實現(xiàn)了覆冰監(jiān)測；[3]杭州海康雷鳥的徐青松等人基于導(dǎo)線溫度-傾角法實現(xiàn)了覆冰監(jiān)測.[4]但以上研究都只是根據(jù)當(dāng)前的覆冰厚度判斷覆冰狀態(tài),并沒有考慮覆冰的變化趨勢,對覆冰狀況的評價不夠客觀.另外，監(jiān)測設(shè)備長期工作在野外高壓強電磁環(huán)境,如何降低設(shè)備功耗和增強通信可靠性也是當(dāng)前研究的關(guān)鍵問題.

為了克服現(xiàn)有覆冰在線監(jiān)測終端的不足,本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)和模糊專家系統(tǒng)的輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了低成本、低功耗、自組織的輸電線路覆冰在線監(jiān)測,通信穩(wěn)定可靠、誤碼率低,模糊專家系統(tǒng)評估結(jié)果對電力運行人員除冰融冰具有一定的指導(dǎo)意義.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了克服山區(qū)GPRS信號較弱且不穩(wěn)定的問題,將監(jiān)測終端分為監(jiān)測終端主機(簡稱“監(jiān)測主機”)和監(jiān)測終端從機(簡稱“監(jiān)測從機”)兩部分,以便于按照各自特點進行相應(yīng)布置和安裝.覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由覆冰在線監(jiān)測主機、覆冰在線監(jiān)測從機和輸電線路覆冰狀態(tài)遠程在線監(jiān)控中心(簡稱“遠程監(jiān)控中心”)3部分組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

監(jiān)測終端采用稱重法進行覆冰厚度監(jiān)測,主要通過拉力傳感器、二維傾角傳感器、二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器、大氣溫濕度傳感器等設(shè)備采集輸電線路的狀態(tài)信息和氣象信息,先采用多源傳感器信息融合方法定性分析覆冰情況,若之前監(jiān)測無覆冰,則當(dāng)氣象信息滿足溫度低于0 ℃，濕度大于80%，風(fēng)速大于1 m/s時進行定量計算,否則判定無覆冰；若已監(jiān)測到有覆冰,則直接通過覆冰厚度計算模型[2]定量計算線路等值覆冰厚度.

監(jiān)測從機由監(jiān)測從機1和監(jiān)測從機2兩部分組成,通過傳感器采集相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù),為減小甚至消除不均勻風(fēng)載荷對采集數(shù)據(jù)的影響,對采集監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理.[5]監(jiān)測從機1負(fù)責(zé)通過拉力傳感器采集絕緣子串軸向拉力,通過二維傾角傳感器采集絕緣子串偏斜角及傾斜角;監(jiān)測從機2負(fù)責(zé)通過超聲波一體化傳感器采集風(fēng)速、風(fēng)向及大氣溫濕度等氣象信息.

監(jiān)控主機負(fù)責(zé)接收監(jiān)測從機數(shù)據(jù),并根據(jù)等值覆冰厚度計算模型計算線路等值覆冰厚度及相關(guān)的狀態(tài)和氣象信息,并將計算結(jié)果發(fā)送給遠程監(jiān)控中心.此外,監(jiān)控主機還負(fù)責(zé)接收和處理遠程監(jiān)控中心的設(shè)置與查詢命令.

遠程監(jiān)控中心負(fù)責(zé)接收并處理各監(jiān)測主機數(shù)據(jù),并根據(jù)輸電線路覆冰狀態(tài)信息管理與決策子系統(tǒng)對各監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，對覆冰狀態(tài)進行綜合評估；[6-7]然后根據(jù)數(shù)據(jù)融合結(jié)果給出相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線等可視化信息,根據(jù)覆冰狀態(tài)評估結(jié)果給出相應(yīng)的決策和建議,以實現(xiàn)遠程智能監(jiān)控輸電線路覆冰狀態(tài)的目的.

在每個被監(jiān)測的直線桿塔上安裝1個監(jiān)測主機和2個監(jiān)測從機.遠程監(jiān)控中心作為GPRS通信網(wǎng)絡(luò)的GPRS主節(jié)點,監(jiān)控主機既作為GPRS通信網(wǎng)絡(luò)的GPRS從節(jié)點也作為ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點,監(jiān)測從機作為ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點.GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)都為星型結(jié)構(gòu),ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)點對點的短距離無線通信,GPRS通信網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)點對點的遠距離無線通信.監(jiān)測從機1適合安裝在靠近拉力傳感器和傾角傳感器的位置,監(jiān)測從機2適合安裝在滿足監(jiān)測要求的風(fēng)資源相對比較穩(wěn)定的位置,監(jiān)測主機適合安裝在GPRS信號較強且穩(wěn)定的位置.

2 覆冰監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 監(jiān)測主機設(shè)計

監(jiān)測主機主要由CC2530控制單元、GPRS單元和供電單元3部分組成,其主要結(jié)構(gòu)見圖2.

CC2530控制單元主要通過ZigBee接收和處理各監(jiān)測從機的數(shù)據(jù),并對各監(jiān)測從機進行相應(yīng)的控制和設(shè)置,通過RS232與GPRS單元通信.GPRS單元主要負(fù)責(zé)接收遠程監(jiān)控中心的設(shè)置或查詢命令,發(fā)送監(jiān)測狀態(tài)信息.供電單元負(fù)責(zé)為監(jiān)測主機提供相應(yīng)電源,主要由太陽能電池板、蓄電池和電源管理電路組成,電源管理電路可對監(jiān)測主機電源進行智能化的綜合管理.當(dāng)太陽光照充足時,太陽能電池板為監(jiān)測主機供電并將多余能源存儲到蓄電池中,當(dāng)太陽光照不足時或晚間,可通過蓄電池放電的方式為監(jiān)測主機提供電源.

圖2 監(jiān)測主機結(jié)構(gòu)示意

2.2 監(jiān)測從機設(shè)計

監(jiān)測從機主要由傳感器單元、CC2530控制單元、TTL-RS485單元和供電單元4部分組成,監(jiān)測從機1和監(jiān)測從機2的主要結(jié)構(gòu)分別如圖3和圖4所示.

圖3 監(jiān)測從機1結(jié)構(gòu)示意

圖4 監(jiān)測從機2結(jié)構(gòu)示意

傳感器單元負(fù)責(zé)采集相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù),由于傳感器采用RS485通信,TTL-RS485單元負(fù)責(zé)傳感器與CC2530控制單元之間的通信方式的轉(zhuǎn)換,CC2530控制單元負(fù)責(zé)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,并將處理結(jié)果通過ZigBee發(fā)送給監(jiān)測主機,還可以通過ZigBee方式接收監(jiān)測主機對監(jiān)測從機的設(shè)置或查詢命令.

3 覆冰監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)測主從機軟件編程基于Z-Stack協(xié)議棧,監(jiān)測主機與監(jiān)測從機的啟動過程和網(wǎng)絡(luò)初始化步驟都相同,不同點在于編譯時的配置文件不同.監(jiān)測主機作為ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點,上電后執(zhí)行新建ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序;而監(jiān)測從機作為ZigBee終端節(jié)點,上電后執(zhí)行申請加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序.

ZigBee節(jié)點上電后首先進行系統(tǒng)初始化,再執(zhí)行基于優(yōu)先級輪詢?nèi)蝿?wù)的操作系統(tǒng)(Operating System Abstraction Layer，OSAL).[8]系統(tǒng)初始化主要包括關(guān)中斷、板上硬件初始化、電源檢測、IO口初始化、硬件抽象層驅(qū)動初始化、非易失性存儲器初始化、數(shù)據(jù)鏈路層初始化,以及分配外部地址和操作系統(tǒng)初始化、開中斷和看門狗初始化等.任務(wù)調(diào)度事件處理函數(shù)主要包括數(shù)據(jù)鏈路層任務(wù)事件處理、網(wǎng)絡(luò)層任務(wù)事件處理、硬件層任務(wù)事件處理、應(yīng)用支持子層任務(wù)事件處理、應(yīng)用任務(wù)事件處理等.而應(yīng)用任務(wù)事件處理函數(shù)主要負(fù)責(zé)處理用戶自定義應(yīng)用對象相關(guān)的事件,主要包括系統(tǒng)消息事件、允許綁定時間事件、綁定時間事件、進入事件和用戶事件,其中用戶事件包含用戶自定義的事件.

3.1 監(jiān)測主機用戶事件流程

監(jiān)測主機不僅處理監(jiān)測從機的數(shù)據(jù),還作為GPRS從節(jié)點和ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和控制轉(zhuǎn)換等功能.因此，監(jiān)測主機用戶事件主要由等值覆冰厚度計算等數(shù)據(jù)處理、控制GPRS單元與遠程監(jiān)控中心通信、與監(jiān)測從機ZigBee通信3部分組成,其流程如圖5所示.

監(jiān)測主機上電初始化后開始建立ZigBee網(wǎng)絡(luò),當(dāng)監(jiān)測主機接收完兩個監(jiān)測從機的數(shù)據(jù)(如拉力數(shù)據(jù)、傾角數(shù)據(jù)、大氣風(fēng)速風(fēng)向及大氣溫濕度數(shù)據(jù))后,根據(jù)等值覆冰厚度計算模型進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,得到輸電線路大小檔距內(nèi)導(dǎo)線等值覆冰厚度,并將等值覆冰厚度、綜合懸掛載荷、不均衡張力差、絕緣子串偏斜角、風(fēng)偏角、大氣溫濕度、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速,以及10 min的平均風(fēng)速和平均風(fēng)向等輸電線路狀態(tài)信息和氣象信息,通過GPRS無線通信方式發(fā)送到遠程監(jiān)控中心,當(dāng)接收到遠程監(jiān)控中心發(fā)送的設(shè)置或查詢等命令時,對該命令進行預(yù)處理并發(fā)送給相應(yīng)的監(jiān)測從機.

圖5 監(jiān)測主機軟件流程

3.2 監(jiān)測從機用戶事件流程

監(jiān)測從機通過RS485串行總線采集各傳感器數(shù)據(jù),經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理后通過ZigBee發(fā)送給監(jiān)測主機,因此監(jiān)測從機用戶事件主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集、采集數(shù)據(jù)預(yù)處理、ZigBee通信和休眠模式設(shè)置4部分,其流程如圖6所示.

監(jiān)測從機上電初始化后申請加入ZigBee網(wǎng)絡(luò),采集傳感器數(shù)據(jù)并進行預(yù)處理.監(jiān)測從機1控制拉力傳感器采集絕緣子串軸向拉力，通過二維傾角傳感器采集絕緣子串偏斜角及傾斜角,預(yù)處理后得到穩(wěn)態(tài)風(fēng)載荷下導(dǎo)線的綜合懸掛載荷、絕緣子串偏斜角及傾斜角；監(jiān)測從機2控制超聲波一體化傳感器采集風(fēng)速風(fēng)向和大氣溫濕度,預(yù)處理后得到大氣溫濕度、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速,以及10 min的平均風(fēng)速和平均風(fēng)向等氣象信息.監(jiān)測從機將相應(yīng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送到監(jiān)測主機,當(dāng)接收到監(jiān)測主機發(fā)送的設(shè)置或查詢等命令時,對該命令進行處理,處理完成后進入休眠模式,降低系統(tǒng)功耗,休眠結(jié)束后開始下一采集周期.

圖6 監(jiān)測從機軟件流程

3.3 遠程監(jiān)控中心設(shè)計

遠程監(jiān)控中心綜合等值覆冰厚度、微氣象參數(shù)以及覆冰持續(xù)時間等參量,建立模糊專家系統(tǒng)，以綜合評估架空輸電線路的覆冰狀態(tài).評估線路覆冰狀態(tài)的特征量分別為大氣相對濕度、大氣溫度、大氣溫度差、覆冰持續(xù)時間和等值覆冰厚度.將大氣溫度和大氣相對濕度作為線路是否構(gòu)成覆冰的判斷條件,將大氣溫度差、等值覆冰厚度和覆冰持續(xù)時間作為評估線路覆冰嚴(yán)重程度的評估特征量.對評估變量進行模糊化,采用Mamdani最小運算規(guī)則計算模糊關(guān)系,模糊推理結(jié)果的反模糊化采用重心法計算線路覆冰狀態(tài),給出線路覆冰狀態(tài)的綜合評估結(jié)果(即無覆冰、輕度覆冰、嚴(yán)重覆冰).[6]無覆冰狀態(tài)是指線路正常無覆冰,環(huán)境不構(gòu)成覆冰形成條件，對線路無任何安全威脅；輕度覆冰狀態(tài)是指線路發(fā)生了稍微嚴(yán)重的覆冰,提醒運行人員注意覆冰的發(fā)展趨勢；嚴(yán)重覆冰是指線路的安全運行受到威脅,需要采取一定措施防止覆冰趨勢的進一步發(fā)展.

4 系統(tǒng)測試

為了全面檢驗系統(tǒng)的功能和性能,在實驗室環(huán)境下測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能和性能,并根據(jù)相關(guān)實際掛網(wǎng)運行的歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和性能評估.設(shè)置監(jiān)測從機以15 min為一個采集周期,實驗室測試數(shù)據(jù)如表1所示.遠程監(jiān)控中心軟件顯示如圖7所示.

表1 實驗室測試數(shù)據(jù)

圖7 遠程監(jiān)控中心軟件顯示界面

由表1和圖7a可知,系統(tǒng)可較好地完成數(shù)據(jù)采集功能,采集數(shù)據(jù)誤差與傳感器自身采集的數(shù)據(jù)誤差相當(dāng).由圖7b可知,系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，并可視化顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果.此外,監(jiān)測主機、監(jiān)測從機及遠程監(jiān)控中心的ZigBee無線通信系統(tǒng)和GPRS無線通信系統(tǒng)通信正常,幾乎無通信失敗的情況,誤碼率約為0.1%,可以滿足系統(tǒng)的通信要求.

5 結(jié) 論

(1) 基于ZigBee技術(shù)和模糊專家系統(tǒng)構(gòu)建了一種低成本、低功耗、自組織的輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)功能完整、性能良好,采集性能主要取決于傳感器自身的采集性能;

(2) 充分結(jié)合并利用了ZigBee短距離無線通信和GPRS長距離無線通信的優(yōu)點,通信穩(wěn)定可靠、誤碼率低;

(3) 將監(jiān)測終端分為監(jiān)測主機和監(jiān)測從機,以便于傳感器的信息采集和安裝;

(4) 模糊專家系統(tǒng)可客觀地綜合評估覆冰狀態(tài),其評估結(jié)果可以為電力運行人員及時融冰和除冰提供一定的參考.

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