4G和短報文通信在輸電線路巡檢中的應用研究

朱偉華, 宋 宇, 王中寶, 李 可

(吉林電子信息職業技術學院, 吉林 吉林 132021)

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4G和短報文通信在輸電線路巡檢中的應用研究

朱偉華, 宋 宇, 王中寶, 李 可

(吉林電子信息職業技術學院, 吉林 吉林 132021)

為了擺脫我國定位系統主要依賴于國外的局面,設計了一種基于北斗定位技術的輸電線路巡檢系統。以Linux操作系統為平臺,利用高速率的4G和北斗定位系統所特有的短報文相結合的通信方式。該系統可為巡檢人員提供精確定位、導航、路徑規劃及路徑回放等功能。經過多次測試,該系統穩定、可靠,抗電磁干擾能力強。

智能電網； 電力線巡檢； 北斗導航定位； 4G； 短報文通信

北斗導航定位系統是我國自主研發、自主運行的全球衛星定位系統,該系統采用主動式雙向測距二維導航,地面中心控制系統解算,供用戶三維定位數據,北斗衛星具有雙重功能，即定位功能和短報文通信功能,其中短報文功能是北斗系統所獨有的[1-4]。北斗衛星定位系統由空間段、地面段和用戶段3部分組成,空間段包括靜止軌道衛星和非靜止軌道衛星,地面段包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站,用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端[5-8]。北斗定位系統三維定位精度為10 m,測速精度為0.2 m/s,授時精度為10 ns。截至到2016年3月30日,我國已成功發射22顆北斗導航衛星,該系統已成功應用于電力系統中的同步授時、測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災及公共安全等諸多領域[9-11]。

輸電線路是我國電力系統的重要組成部分,對人們的日常生活和工業生產有著重要意義。但是,我國地形復雜,輸電線路經常會受到污穢、地震、強風、洪水、滑坡、雷擊、沉陷等各種潛在危害。目前,電力線巡檢行業采用的導航定位系統多為GPS(global positioning system)衛星導航定位系統,然而,GPS導航定位系統存在著復雜地形定位精度較低、抗干擾能力差，以及其由美國軍方控制對我國本土電網企業形成潛在的安全隱患等弊端。鑒于此,本文設計一種基于北斗定位技術的輸電線路巡檢系統,以嵌入式Linux操作系統為平臺,信號強時采用4G無線通信,信號弱時采用短報文通信,實現人員精確定位、導航、路徑規劃、電網管理部門實時調度監控及路徑回放等功能。

1 電力線巡檢系統的總體設計

基于北斗定位技術的輸電線路巡檢系統主要由巡視手持終端(personal digital assistant,PDA)、無線通信模塊、電力調度遠程監控中心3部分構成,系統整體框架圖見圖1。手持終端PDA主要包含高精度的北斗定位系統、ARM主控制器模塊及相應的外圍電路；無線通信模塊主要包括4G無線通信模塊和北斗衛星所特有的短報文通信模塊；電力調度遠程監控中心主要包括服務器、地理信息系統(geographic information system,GIS)電子地圖以及結構化查詢語言(structured query language,SQL)數據庫等。

圖1 電力線巡檢系統整體框架圖

該系統的工作機制:電力部門利用高精度的北斗定位系統對巡檢人員進行實時定位,巡檢人員發現電力線路存在故障時,及時上報電力調度中心,同時定位信息也存儲在PDA上。當電力線路在移動通信質量較好的區域時,將巡檢信息通過4G網絡發送到國家電網遠程監控中心,否則通過北斗短報文裝置以短報文的方式與監控中心建立通信聯系。監控中心同樣可以通過4G網絡或短消息向巡視人員發送調度指令。該電力線巡檢系統采用4G通信網絡與北斗短報文相結合的通信方式,有效地解決了通信盲點問題。巡視完畢后電力調度遠程監控中心會對上述信息分析和評估,并生成各類統計分析報表,以作為巡檢考核的依據。

2 手持終端硬件設計

2.1 手持終端硬件結構

電力線巡檢系統手持終端主要包括GIS電子地圖、ARM控制模塊、北斗衛星定位模塊、4G無線通信模塊、短報文通信模塊、電源模塊及外圍電路,各個模塊之間采用串口(UART)連接,硬件結構框圖見圖2。

圖2 手持終端硬件結構框圖

2.2 北斗定位模塊

北斗衛星定位模塊采用麥宏科技設計的UM220-III N。UM220-III N采用片上SoC(system on chip)芯片,該芯片具有雙系統、多頻率、高性能、低成本、低功耗等優勢,能夠同時支持BD2 B1/GPS L1兩個頻點。可以在低功耗的情況下提供很高的靈敏度,電路見圖3。

圖3 北斗定位模塊電路

2.3 ARM控制模塊

S5PV210集成了ARM Cortex-A8內核,是一個32位的低成本、低功耗的高性能處理器。S5PV210采用64位內部總線架構,包括許多功能強大的硬件加速器,如運動視頻處理、顯示控制和縮放等。集成多種格式的編解碼器,支持MPEG-1/2/4,H.263和H.264的編解碼。

2.4 電源模塊

EUP3412是同步電流模式降壓DC/DC轉換器,具備驅動1.5 A負載能力,并能夠進行負載調節。其工作特性:輸入電壓范圍2.7～5.5 V,最小輸出電壓為0.7 V；效率高達96%；1.5 MHz恒定開關頻率；具有短路保護和熱保護。

系統中利用EUP3412芯片完成5 V電壓到3.3 V電壓的轉換,電路圖見圖4輸出電壓計算公式為

(1)

2.5 串行接口電路

通用異步發送接收器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART),利用全雙工方式傳輸串行數據。傳輸過程中以位為最小單位,分為開始位、數據位、校驗位(可選)和停止位。雙方在發送數據之前,需約定傳輸速率(波特率)及傳輸格式等。

S5PV210支持發送與接收隊列為串行數據提供緩沖區,并可選擇查詢或中斷方式完成數據的發送與接收。UART使用TTL標準邏輯電平表示數據,即高電平為1,低電平為0。為了與PC端連接、方便系統調試,利用MAX3232將TTL電平轉換為RS-232邏輯電平,電平轉換電路見圖5。

3 軟件設計

電力線巡檢系統軟件設計流程主要包括基于Linux的驅動程序設計和應用軟件程序設計,該軟件設計的流程圖見圖6,系統中信息的獲取都是采用中斷的方式,主程序只需要直接處理采集后的信息。

圖5 電平轉換電路

圖6 電力線巡檢系統軟件設計流程圖

北斗導航定位模塊的軟件設計主要由定位數據的接收、處理程序和發送程序構成。定位信息的獲取采用中斷方式,將定位信息保存在Buffer緩沖器中,發送數據幀$BDRMC到ARM微處理器模塊,其中幀$BDRMC有固定的格式規范,自動截取有用的數據信息幀并通過串口數據通信。接收北斗位置信息的調用函數為DWORD WINAPI receiveBEIDOUProc(),用來分析北斗定位信息的函數為DWORD WINAPI analyseBEIDOUProc()。

手持終端PDA采用分塊思想,用Strcat()函數將捕獲到的巡檢信息進行打包處理,如果手持終端設定在輸電線路附近通信信號較弱時,將巡檢信息編碼成北斗短信格式送到北斗導航定位模塊進行發送,其短信指令格式如圖7所示。地面中心站接收到通信申請信號后,經脫密和再加密后加入持續廣播的出站廣播電文中,經北斗衛星廣播傳送給遠程調度中心。

圖7 北斗短報文格式

短信指令中的字符與數字用ASCII碼表示,漢字用GB2312碼表示,電文的內容不能超過128個字節。

電力調度遠程監控中心分為數據庫系統、遠程服務器和電力線監控系統3部分。該系統采用Microsoft SQL Server 2008實現數據庫的開發,允許電力調度人員存儲、檢索、處理和保護數據安全。遠程服務器主要實現通信功能和數據庫操作功能,利用套接字技術(Socket)來實現服務器與巡檢人員手持終端通信連接；遠程服務器通過activeX數據對象(activeX data objects,ADO)實現對數據庫的訪問,遠程服務器通過對數據庫的訪問操作,實現對定位信息、巡檢人員信息、狀態信息、命令信息等數據的添加、保存、提取和刪除。電力線監控系統分為GIS功能模塊和數據管理模塊。該系統采用百度地圖API(application programming interface)構建GIS(geographic information system)功能模塊,利用API編程方式通過setURL()函數調用現有的地圖服務網站數據庫里的信息和功能,只需編寫少量的JavaScript腳本,就能實現地圖嵌入到該系統中,降低了開發的難度；電力線監控系統的數據管理模塊實現電力調度人員登錄、信息修改、信息查詢、路徑回放等功能。

4 系統測試及分析

4.1 4G撥號上網測試

E1750完成設備模式轉換后,可以利用pppd命令通過已完成的配置文件進行撥號上網,在終端中輸入命令pppd call wcdma &即可實現4G撥號上網,在提示撥號成功后,利用ping命令測試網絡連通性。4G網絡連通性測試界面如圖8所示,表明監測終端連接網絡成功。

圖8 4G網絡連通測試界面

4.2 數據傳輸測試

電力線巡檢手持終端PDA根據遠程監控中心反饋的丟包率適當調節數據包之間的發送時間間隔。當丟包率過大時,適當增加時間間隔,反之減小。表1反映了丟包率與反饋次數、發送時間間隔之間的關系(以下數據是500次測試的平均值,每個數據包大小為512 B)。

表1 丟包率測試表

4.3 系統測試結果

為了驗證本文設計的手持終端在定位精度上的優勢,選取某輸電線路附近的5個測量點,測量點的選取不是任意的,必須能夠同時被北斗和GPS對應的GIS(地理信息系統)顯示。為了消除和削弱衛星鐘差、電離層、對流層對測距的影響及衛星星歷誤差,測試中采用同步測量法,即2臺手持終端在同一時段內觀測衛星,手持終端到輸電鐵塔的中心位置為實際測量值。定位精度對比見表2。從表2中可以看出,本文設計的手持終端的定位精度高于GPS定位精度,平均提高了6.79%,由于定位精度反映了測量結果與實際位置的符合程度,因此采用本文提出的北斗PDA定位更準確,可降低人工搜索電力線故障點的時間。

表2 定位精度對比 m

基于北斗定位技術的電力線巡檢系統的遠程監控中心利用百度地圖API接口構建GIS功能模塊,接收到的位置信息(如經緯度)通過串口進行調試。選擇吉林市某輸電鐵塔(糧油乙線64號)附近進行測試,手持終端波特率選用115 200 bit/s,通過串口助手顯示的數據幀為$BDRMC,110924.000,A,4332.303711,N,12529.796341,E,0.442,166.571。經緯度信息為:43.8461110000,126.8220190000,即北緯43°50′15.55″,東經126°48′34.91″。經過多次測試表明，該電力巡檢系統設計方案正確可行,系統穩定可靠,電力調度遠程監控中心界面能夠實時顯示巡檢人員的位置信息(如經緯度信息)并在GIS電子地圖上顯示,延時誤差基本上是在1～2 s之間,數據傳輸的誤碼率低于1.2%。該系統可以為巡檢人員進行導航、路徑規劃、定位以及歷史記錄查詢等功能。路徑規劃見圖9。

圖9 電力線巡檢系統測試路徑

5 結語

基于北斗定位技術的電力線巡檢系統以Linux操作系統為平臺,采用我國獨立自主研發的高精度北斗定位系統,擺脫了定位系統依賴于國外的局面,提高了通信安全的高效性,無線傳輸采用北斗短報文和高速率的4G兩種相結合的通信方式。經過多次測試該系統,系統穩定,可靠性強,抗干擾性強,延時較小。該系統的研制和推廣,將會提高電力部門巡檢的效率,具有廣闊的應用前景。

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Research on application of 4G technology and a short message to power transmission line inspection

Zhu Weihua, Song Yu, Wang Zhongbao, Li Ke

(Jilin Technology School of Electronic Information,Jilin 132021,China)

To get rid of the situation that the positioning system is mainly dependent on foreign countries, this paper designs the power lines inspection system based on Beidou positioning technology, taking the Linux operating system as a platform, a short message and 4G are used as wireless communication mode. The system can provide precise positioning, navigation, route planning and route playback for inspection personnel. After this system is tested, the system is stable and reliable, and has the better performance to against electromagnetic interference.

smart grid; power line inspection; Beidou navigation and positioning; 4G; short message communication

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.023

2016-05-11 修改日期：2016-07-11

2016吉林省教育廳十三五科技項目(吉教科合字【2016】第108號)；吉林市科技發展計劃資助項目(2015334004)

朱偉華(1976—)，男，吉林省吉林市，碩士，副教授，研究方向為嵌入式技術及無線電通信技術.

E-mail：348938280@qq.com

TM726

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1002-4956(2016)11-0094-05