輸電線路狀態(tài)監(jiān)視通信網(wǎng)絡(luò)及工作電源設(shè)計(jì)

龐帥 潘瀟

摘要：本文主要闡述輸電線路的狀態(tài)監(jiān)視通信網(wǎng)絡(luò)及工作電源的設(shè)計(jì)，采用GPRS、ZigBee數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)在線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)，來保證輸電線路供電的可靠性與穩(wěn)定性。選擇太陽能電池板作為應(yīng)用的線路監(jiān)視分機(jī)電源，充分實(shí)現(xiàn)了供電電源的高效率與低能耗，為線路監(jiān)視分機(jī)電源提供了可靠保障。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)視 ?網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視 ?工作電源 ?太陽能電池 ?控制器

Design of Transmission Line Condition Monitoring Communication Network and Working Power Supply

PANG Shuai? PAN Xiao

（State Grid Huainan Panji District Power Supply Company， Huainan， Anhui Province， 232082 China）

Abstract： This paper mainly expounds the design of transmission line condition monitoring communication network and working power supply. GPRS and ZigBee data technology are used to design online network monitoring system to ensure the reliability and stability of power supply for transmission lines. The solar panel is selected as the applied line monitoring extension power supply， which fully realizes the high efficiency and low energy consumption of the power supply， and provides a reliable guarantee for the line monitoring extension power supply.

Key Words： Online monitoring; Network monitoring; Work power; Solar battery; Controller

隨著生產(chǎn)力水平以及科技水平的不斷提升，在電力系統(tǒng)中線監(jiān)視系統(tǒng)的要求標(biāo)準(zhǔn)也隨之提升，為使國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平得以提升，電力輸電線路的在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是極其重要的。因此，利用輸電線路在線監(jiān)視系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)返回，加以分析判斷，可以有效提高安全隱患發(fā)現(xiàn)率，進(jìn)而保障電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。

1 輸電線路狀態(tài)監(jiān)視通信網(wǎng)絡(luò)

1.1輸電線路在線監(jiān)視技術(shù)

類比于直接安裝在線路設(shè)備上的測量系統(tǒng)，輸電線路在線監(jiān)視技術(shù)可以實(shí)時(shí)記錄設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特性量。條件監(jiān)視和基于狀態(tài)維護(hù)的實(shí)現(xiàn)在電力系統(tǒng)中是很重要的，而在線監(jiān)視技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基于條件的維護(hù)的基礎(chǔ) ^[1-3]。

1.2 在線監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成

輸電線路在線監(jiān)視技術(shù)的整個(gè)系統(tǒng)由5個(gè)部分組成，包括網(wǎng)省公司監(jiān)視中心、地市局監(jiān)視中心、線路監(jiān)視分機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)視信息。輸電線路周圍的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨一系列數(shù)據(jù)的采集依賴于線路監(jiān)視裝置實(shí)時(shí)收集輸電線路的接地線、塔、絕緣子等實(shí)時(shí)信息。這些采集的數(shù)據(jù)利用通信模塊如3G/ CDMA/ GPRS/ GSM向地方局的監(jiān)視中心進(jìn)行發(fā)送。監(jiān)視中心對輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷的方法為：使用專家軟件和各種修正理論模型，比較現(xiàn)場操作和測試結(jié)果，并給出傳輸線操作狀態(tài)的結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可以有效預(yù)防事故發(fā)生。輸電線路的在線監(jiān)視技術(shù)主要應(yīng)用于對輸電傳輸設(shè)備的現(xiàn)場監(jiān)視，其監(jiān)視數(shù)據(jù)的傳輸主要利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或聯(lián)通通信網(wǎng)絡(luò)，故而在監(jiān)控中心設(shè)置擴(kuò)展的遠(yuǎn)程參數(shù)十分有必要。在非信號的區(qū)域中，可以采用近距離無線通信，通過移動(dòng)通信和聯(lián)通通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行長距離數(shù)據(jù)傳輸。

1.3 通信設(shè)計(jì)

線監(jiān)視系統(tǒng)中的通信網(wǎng)設(shè)計(jì)是線路監(jiān)視擴(kuò)展極為重要的部分，是與監(jiān)視中心交互連接的橋接器，直接影響取得終端的調(diào)試、功能和普遍性。通信模塊結(jié)合GPR網(wǎng)絡(luò)和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)場傳輸路徑的數(shù)據(jù)傳輸^[4-8]。

1.3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸電線路的傳感器配備因監(jiān)控條件和線路類型的不同而大不相同。主要的特征表現(xiàn)為：監(jiān)視參數(shù)多種多樣，監(jiān)視點(diǎn)的分布聚集在塔桿之上，呈現(xiàn)一定的區(qū)域分布，順著傳輸線路呈現(xiàn)出一種線性分布或網(wǎng)格狀分布。因此，高靈活性和可擴(kuò)展性需要在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得以體現(xiàn)出來。

圖1顯示出了基于ZigBee技術(shù)和GPRS的功率傳送線集成在線監(jiān)視系統(tǒng)的拓?fù)?。功率傳送線集成在線監(jiān)視系統(tǒng)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)模塊、子站系統(tǒng)和主站系統(tǒng)。

輸電線路周圍的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向，以及高電壓輸電線路的導(dǎo)體張力、傾斜度等數(shù)據(jù)的獲取依賴于設(shè)置在輸電線路塔上各類不同的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊。這些采集的數(shù)據(jù)由用于數(shù)據(jù)融合和處理的特定網(wǎng)絡(luò)建立的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將它們發(fā)送到子站系統(tǒng)，然后子站系統(tǒng)訪問GPRS公共網(wǎng)，并向主站系統(tǒng)發(fā)送監(jiān)視數(shù)據(jù)。主站系統(tǒng)根據(jù)從子站系統(tǒng)發(fā)送的監(jiān)視數(shù)據(jù)使用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算導(dǎo)體覆冰厚度和舞動(dòng)情況，將塔附近的各類氣象數(shù)據(jù)、塔周圍的視頻數(shù)據(jù)以及導(dǎo)線狀況用表格和圖片相結(jié)合的形式呈現(xiàn)，以便提供運(yùn)營和維護(hù)輸電線路的決策基礎(chǔ)。

1.3.2 子站系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2和圖3顯示出了變電站系統(tǒng)的監(jiān)視主機(jī)和監(jiān)視終端傳感器節(jié)點(diǎn)模塊的硬件設(shè)計(jì)原理。MC 9S12XS 128選擇作為監(jiān)視終端的主處理器的監(jiān)視主機(jī)、MC9S12G128，以及作為RF收發(fā)機(jī)芯片子系統(tǒng)的MC1313作為核心處理器。監(jiān)視主機(jī)由5個(gè)部分組成：主控制單元、無線通信模塊、圖像控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及電源模塊。各模塊可采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，靈活設(shè)定，并根據(jù)監(jiān)視要求進(jìn)行擴(kuò)展。為了便于操作、維護(hù)、安裝、調(diào)試，采用插件結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立功能的監(jiān)視模塊采用插件集成模式，可以獨(dú)立進(jìn)行安裝。監(jiān)視終端的硬件主要包括各類數(shù)據(jù)采集模塊：張力、傾斜角、氣象學(xué)、ZigBee/GPRS通信模塊。

1.3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主站軟件安裝在監(jiān)視中心的PC側(cè)。啟動(dòng)后，首先需要對監(jiān)視子站及監(jiān)視終端的參數(shù)進(jìn)行有效的配置，隨后對主站的IP地址和主站的接收端口進(jìn)行設(shè)定。一旦數(shù)據(jù)到達(dá)主站監(jiān)視接收端口，便立即查找數(shù)據(jù)消息的子站的信息，并與記錄在母站的子站匹配，待成功匹配后分析并處理信息;否則系統(tǒng)將判定數(shù)據(jù)不是從子站發(fā)來，會(huì)直接丟棄數(shù)據(jù)。在消息分析處理的過程中，需要對子站與主站的時(shí)間一致性進(jìn)行判定，在出現(xiàn)時(shí)間不一致情況下則需要時(shí)間的同步處理。

在監(jiān)視站被啟動(dòng)后，首先讀取包括主站的IP端口號、來電號碼、來電時(shí)間、主周期時(shí)間、來電頻率等的設(shè)定信息，打開GPRS通信模塊以連接主站。通信模塊包括中國聯(lián)通3G通信模塊和中國移動(dòng)2G通信模塊。在偏遠(yuǎn)地區(qū)聯(lián)通3G信號弱而無法成功連接時(shí)，為保證子站與主站的連接，子站可以自動(dòng)切換到移動(dòng)2G通信模塊以便連接完成。在成功連接之后，氣象采集端達(dá)到主周期、覆冰采集端達(dá)到主周期后會(huì)存儲(chǔ)并上傳獲取的數(shù)據(jù)至主站，然后發(fā)出命令使得每個(gè)采集端進(jìn)入低功耗模式。

線路監(jiān)視裝置定期收集輸電線路導(dǎo)體、塔、絕緣子等設(shè)備信息，完成周圍各類環(huán)境信息的收集，如溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨等。監(jiān)視中心利用3G/ CDMA/ GPRS/ GSM通信模塊獲取接收這些數(shù)據(jù)。如圖1至圖3所示為監(jiān)視裝置的工作流程。在打開監(jiān)視擴(kuò)展之后，讀取包括最初連接的傳感器節(jié)點(diǎn)的16位地址、數(shù)據(jù)發(fā)送調(diào)度、獲取調(diào)度等的設(shè)定信息，然后將驅(qū)動(dòng)MCU、MC1313設(shè)為低功率動(dòng)作模式。程序的主循環(huán)為每隔10s讀出時(shí)間信息，比較數(shù)據(jù)采集時(shí)間配置和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間配置，定期進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)采集的分支處理。系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成循環(huán)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并且程序可以根據(jù)存儲(chǔ)光標(biāo)對數(shù)據(jù)進(jìn)行直接存儲(chǔ)或訪問。為降低公網(wǎng)通信模塊的耗電，設(shè)計(jì)出程序開關(guān)可以將整個(gè)系統(tǒng)的功耗大大降低 ^[9-10]。

2 太陽能電池供電系統(tǒng)穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組件的供電利用太陽能電池板，配備的太陽能蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)電源為6V。實(shí)際負(fù)載大小決定太陽能板的功率和太陽能蓄電池的容量。

輸出是兩組的直流穩(wěn)壓電源：第一組為+5V，100mA的正常供應(yīng)（連續(xù)）輸出，24h以內(nèi)的平均電流根據(jù)實(shí)際負(fù)載要求是20mA;第二組為斷續(xù)供電12V，500mA輸出，根據(jù)實(shí)際負(fù)載要求最大電流為350mA，供電時(shí)間3min，斷電時(shí)間1～3h（可根據(jù)特定要求改變）。

為使電源安全可靠工作同時(shí)盡可能降低本身的功耗，設(shè)計(jì)電路采用了電池充、放電保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，采用降壓/升壓兩種DC/DC電壓穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)輸出請求，用于過電壓保護(hù)的壓敏電阻為R1和R2;電池充電和放電保護(hù)開關(guān)為Vd1、Vt1、Vt2，控制電路部分的實(shí)現(xiàn)通過比較檢測控制器IT1;間歇的電源控制開關(guān)為VT3、VT4，自監(jiān)視單元的CPU發(fā)出控制信號;系統(tǒng)所需提供的間斷供電12V和、500mA電源，由MAX639和其他外圍電路構(gòu)成的高效率的降壓DC/DC（6V/12V）轉(zhuǎn)換電路IT2提供。

3 結(jié)語

國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司率先應(yīng)用了輸電線路在線監(jiān)視技術(shù)，一些監(jiān)視系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于部分省市的電力公司的部分電壓等級設(shè)備，并且展現(xiàn)出良好的效果。但是，早期開發(fā)產(chǎn)品的應(yīng)用還沒有解決幾個(gè)技術(shù)上和客觀上的問題，阻礙了能夠在一定程度上改善電力網(wǎng)安全運(yùn)行的新技術(shù)的普及和應(yīng)用。只有確定可真實(shí)靈敏反映設(shè)備狀態(tài)的檢測參數(shù)，選取應(yīng)用技術(shù)成熟牢靠線監(jiān)視系統(tǒng)，才能持續(xù)監(jiān)視和評估輸電設(shè)備的運(yùn)行狀況，從而促進(jìn)開發(fā)與應(yīng)用日益成熟的線監(jiān)視技術(shù)，使得輸電線路的在線監(jiān)視與診斷技術(shù)成為防止大規(guī)模停電的第一防御系統(tǒng)重要舉措。

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