張運(yùn)周，李 明

（廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

0 引言

由于我國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)電力需求量的不斷增加，電力供不應(yīng)求的矛盾日益突出。解決矛盾的方式有很多種，其中提高輸電線路的可靠性是一種經(jīng)濟(jì)和快捷的方式。輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)輸電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控，是輸電線路穩(wěn)定、安全運(yùn)行的保證，能夠提高輸電線路的可靠性[1]。

輸電線路振動(dòng)、風(fēng)偏、桿塔傾斜及氣象在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括微風(fēng)振動(dòng)、風(fēng)偏、桿塔傾斜和氣象4 個(gè)子系統(tǒng)以及后臺(tái)專家分析軟件系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)線路導(dǎo)線振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率、導(dǎo)線和絕緣子風(fēng)偏角、桿塔傾斜角及現(xiàn)場(chǎng)氣象參數(shù)等運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接收、顯示、在線分析和決策，為輸電線路生產(chǎn)管理和運(yùn)行維護(hù)提供統(tǒng)一的數(shù)字化管理平臺(tái)，為全面、準(zhǔn)確地分析與評(píng)估輸電線路安全運(yùn)行狀態(tài)提供實(shí)時(shí)有效的數(shù)據(jù)依據(jù)和科學(xué)保證。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

輸電線路振動(dòng)、風(fēng)偏、桿塔傾斜及氣象在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著合理、實(shí)用、可行、可靠的原則，為了使系統(tǒng)擴(kuò)容方便、標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、功能全面，采用當(dāng)今先進(jìn)、成熟的技術(shù)設(shè)備，力求軟硬件系統(tǒng)具備最高的性能價(jià)格比。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具體要求如下：

（1）設(shè)計(jì)目標(biāo)：系統(tǒng)應(yīng)在任何時(shí)候能對(duì)輸電線路振動(dòng)、風(fēng)偏、桿塔傾斜及氣象等數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)了解線路的運(yùn)行情況；

（2）通訊方式：系統(tǒng)應(yīng)能兼容3G EVDO/WCDMA 通訊網(wǎng)絡(luò)，只要有3G EVDO/WCDMA 信號(hào)的地方均可使用，不用自建和維護(hù)通訊網(wǎng)絡(luò)，通訊距離不受限制；

（3）供電方式：采用太陽(yáng)能及蓄電池電源供電；

（4）數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)可以采集現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線公網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并作出分析判斷；

（5）系統(tǒng)安裝：系統(tǒng)應(yīng)能不停電即可安裝，安裝地點(diǎn)靈活方便，裝置拆卸方便，在該測(cè)點(diǎn)不需要監(jiān)控時(shí)可自行安裝到其他監(jiān)控點(diǎn)；

（6）抗高、低溫：系統(tǒng)自身能在低溫條件下工作；

（7）電磁兼容：系統(tǒng)安裝在線路塔基上，可以抗電磁干擾，電磁兼容強(qiáng)；

（8）防雷設(shè)計(jì)：室外設(shè)備要具有防雷設(shè)計(jì)；

（9）防水防腐：室外設(shè)備要具有防水防腐蝕設(shè)計(jì)。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體方案

整個(gè)系統(tǒng)由主站、子站、各種監(jiān)測(cè)儀以及電源系統(tǒng)組成。

在輸電線路導(dǎo)線上安裝振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀測(cè)量導(dǎo)線振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率，在絕緣子串和耐張塔跳線中間位置安裝風(fēng)偏監(jiān)測(cè)儀測(cè)量絕緣子及導(dǎo)線風(fēng)偏角，在桿塔上安裝桿塔傾斜監(jiān)測(cè)儀和氣象觀測(cè)裝置測(cè)量桿塔傾斜角及現(xiàn)場(chǎng)氣象參數(shù)，然后將這些測(cè)量的線路運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)由監(jiān)測(cè)儀通過(guò)通信電纜或433 M/Zigbee 無(wú)線通信方式傳送到安裝在桿塔上的子站，再由子站通過(guò)GPRS 或者3G 方式將數(shù)據(jù)傳送到主站系統(tǒng)。

主站系統(tǒng)遵循先進(jìn)、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、高效的原則，基于開(kāi)放性結(jié)構(gòu)，充分滿足系統(tǒng)的維護(hù)、擴(kuò)容和升級(jí)等方面的要求，支持第三方標(biāo)準(zhǔn)模型插件。在數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)滿足數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性要求，保證信息、分析結(jié)果的正確性。系統(tǒng)平臺(tái)充分考慮系統(tǒng)安全的要求，遵循電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)的要求，并提供詳細(xì)的操作、運(yùn)行日志，以便于發(fā)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的安全隱患。

子站是安裝于塔上的一種采集單元，由主控制單元、通信單元、電源控制單元、機(jī)箱構(gòu)成。子站主控制單元主要由數(shù)個(gè)功能模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，根據(jù)監(jiān)測(cè)需求可以靈活配置及擴(kuò)展。子站單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 子站單元的結(jié)構(gòu)圖

子站通信單元主要由子站與監(jiān)測(cè)儀、子站與主站通信兩部分組成，其中子站與監(jiān)測(cè)儀通信采用通信電纜或433 M/Zigbee無(wú)線通信方式[2]；子站與主站通信采用公網(wǎng)（GSM/GPRS/CDMA/3G）或者電力專網(wǎng)（OPGW 復(fù)合光纜配合WIFI/MESH 技術(shù)）。

子站電源控制單元采用太陽(yáng)能+蓄電池方式，具有以下功能：對(duì)電源電壓監(jiān)測(cè)功能；低電壓保護(hù)功能；過(guò)電流保護(hù)功能；自動(dòng)休眠的功能；具有智能電源管理功能。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

3 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)解決方案

輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的子站與主站之間的通信主要采用目前先進(jìn)的3G 無(wú)線公網(wǎng)。在3G 未覆蓋區(qū)域，可以用GSM/GPRS 或者電力專網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

3G無(wú)線公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是第三代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)，包括TD-SCDMA、W-CDMA、CDMA2000[3]。目前在南方一般采用中國(guó)電信的CDMA2000（3G-EVDO）網(wǎng)絡(luò)，在北方一般采用中國(guó)聯(lián)通的WCDMA 網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)是一項(xiàng)全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以為在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集、傳輸、儲(chǔ)存和處理功能，具有傳輸距離遠(yuǎn)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)需鋪設(shè)電纜、投資成本低等優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)傳輸原理如圖3 所示。在移動(dòng)3G 信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)，充分利用3G 公共網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)中心對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸；在無(wú)移動(dòng)信號(hào)覆蓋區(qū)域外，可以借助無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)，通過(guò)無(wú)線與無(wú)線的接力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 數(shù)據(jù)傳輸原理圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的關(guān)鍵技術(shù)

（1）低功耗及新能源應(yīng)用技術(shù)

由于監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在野外桿塔或者導(dǎo)線上，并需要對(duì)線路狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)年24 小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)，所以設(shè)備供電是一個(gè)難題。目前主要有以下幾種方法。

一是使用高能鋰電池，但實(shí)際上由于鋰電池既不耐高溫也不耐低溫，故鋰電池在野外惡劣條件下的使用時(shí)間不長(zhǎng)，不能滿足輸電線路設(shè)備長(zhǎng)期無(wú)故障工作要求。

二是以太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充的供電方式，采用微處理器對(duì)電池特性進(jìn)行檢測(cè)，按照蓄電池充放電特性曲線進(jìn)行充電控制。桿塔傾斜監(jiān)測(cè)儀、氣象觀測(cè)裝置和子站系統(tǒng)采用這種方式供電。

由于安裝在輸電線路野外現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)裝置沒(méi)有可供使用的交流電源，為此必須借助能量收集技術(shù)，開(kāi)發(fā)獨(dú)立的供電裝置。目前在高壓輸電線路監(jiān)控項(xiàng)目主要利用太陽(yáng)能電源裝置，以此解決監(jiān)測(cè)裝置的供電問(wèn)題。

太陽(yáng)能電源由太陽(yáng)能電池板、蓄電池及充放電控制器。充放電控制器的功能是將太陽(yáng)能電池板供給的電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電壓，給監(jiān)測(cè)裝置供電，并給蓄電池充電，完成電能的存儲(chǔ)。在夜晚無(wú)法供給太陽(yáng)能或陰天等氣候情況太陽(yáng)能供給不足時(shí)由蓄電池繼續(xù)給監(jiān)測(cè)裝置供電。

三是高壓線路的導(dǎo)線取能方式，這種高壓導(dǎo)線感應(yīng)取電的方式，給安裝在線路導(dǎo)線上的在線監(jiān)測(cè)儀供電，使用起來(lái)非常方便。振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀和風(fēng)偏監(jiān)測(cè)儀采用這種方式供電。

（2）無(wú)線通信及抗干擾技術(shù)

監(jiān)測(cè)設(shè)備處于野外強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境中，工作條件惡劣，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力要求較高，尤其是對(duì)通信鏈路信道的可靠性要求更高。

采用具有狀態(tài)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)重連功能的底層通信模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)線路異常中斷，立即從信道路由表中查找新的鏈路進(jìn)行自動(dòng)重連，提高了遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的可靠性和靈活性。系統(tǒng)應(yīng)用底層通訊模塊開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信軟件，完成數(shù)據(jù)自動(dòng)通信功能。

在高電壓、大電流的強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境中，以微電子線路為主體的微處理器、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)等監(jiān)測(cè)裝置常受到強(qiáng)電磁輻射、雷電沖擊、高頻噪聲和諧波干擾等，引起系統(tǒng)可靠性降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作，甚至“死機(jī)”。為解決抗干擾問(wèn)題，系統(tǒng)在硬件和軟件方面采用了相應(yīng)措施。

在硬件方面，除少數(shù)傳感器外，數(shù)據(jù)采集單元都置于完全屏蔽的屏蔽盒中。傳感器的輸入接口，采取防滲、防串?dāng)_等措施，確保接口的可靠性；采用屏蔽盒內(nèi)多層隔離的方法，防止大信號(hào)串入燒壞核心電路；采用冗余設(shè)計(jì)，確保單個(gè)傳感器失效時(shí)，仍能正常工作。

在軟件方面，微處理器軟件除設(shè)置有常用的看門狗、防飛指令外，還設(shè)置有大量的錯(cuò)誤陷阱及標(biāo)志，一旦程序出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)都能采取復(fù)位、自動(dòng)糾錯(cuò)等方式自行維護(hù)，保證軟件正常運(yùn)行。另外，對(duì)于一些重要數(shù)據(jù)和標(biāo)志，設(shè)備還采用多重備份的方式進(jìn)行保護(hù)。

（3）傳感器探測(cè)技術(shù)

傳感器是系統(tǒng)的首要部件，是能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置。傳感器應(yīng)準(zhǔn)確、快速地響應(yīng)被測(cè)量的各種各樣的變動(dòng)，主要通過(guò)其兩個(gè)基本特性——靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來(lái)反映被測(cè)量的這種變動(dòng)性。

系統(tǒng)有微風(fēng)振動(dòng)傳感器、傾角傳感器、桿塔傾斜傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器和雨量傳感器，主要采集振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率、絕緣子及導(dǎo)線風(fēng)偏角、桿塔傾斜角、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度和雨量等數(shù)據(jù)。

（4）信號(hào)處理及診斷技術(shù)

對(duì)傳感器采集信號(hào)進(jìn)行處理分析的目的是抑制干擾和提取信號(hào)特征，其方法可分時(shí)域分析、頻域分析等。

診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是傳感器的精密化和多維化、診斷理論與診斷模型的多元化、診斷技術(shù)的智能化。其中，智能診斷方法有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化計(jì)算和專家系統(tǒng)等；以特征量性質(zhì)的診斷方法有閥值診斷、時(shí)域波形診斷、頻域特征診斷和指紋診斷等。

（5）監(jiān)控中心服務(wù)器軟件管理技術(shù)

控制中心的設(shè)計(jì)相對(duì)于監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)來(lái)講較為簡(jiǎn)單，硬件設(shè)計(jì)少，除了普通微機(jī)（或工作站、工控機(jī)）外，還需要網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備?？刂浦行牡脑O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)主要集中在應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)上，一般是基于Windows 操作系統(tǒng)的。當(dāng)前用于此類軟件開(kāi)始、調(diào)試的工具較多，且功能強(qiáng)大，給控制中心軟件的設(shè)計(jì)帶來(lái)便利。

5 結(jié)論

系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)完成后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，基本上達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)除了本系統(tǒng)涉及到的振動(dòng)、風(fēng)偏、桿塔傾斜及氣象外，還有視頻、覆冰、污穢等等。要做到輸電線路在線數(shù)據(jù)全面監(jiān)控，還有許多工作要做。

［1］岳保梁，田中興.送電線路實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

［2］鄭亞茹，黃曙，王焱.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高壓輸電線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］.廣東電力，2010，23（12）：78-82.

［3］鄧永紅.3G 技術(shù)綜述［J］.有線電視技術(shù)，2004（19）：5-11.