新型桿塔傾斜在線監測系統設計

陸武軍

(上海市南電力（集團）有限公司，上海 201700)

新型桿塔傾斜在線監測系統設計

陸武軍

(上海市南電力（集團）有限公司，上海 201700)

提出了一種基于ZigBee技術和GPRS技術相結合的輸電線路桿塔傾斜在線監測及預測系統設計方法。本系統基于ZigBee技術和GPRS技術進行本地和遠程數據信息交互，采用太陽能電池板結合蓄電池供電方式，經測試，系統能夠較好的完成桿塔傾斜在線監測和預測功能，性能穩定可靠。

ZigBee技術；GPRS技術；桿塔傾斜；在線監測；預測

隨著國家電網公司智能堅強電網的不斷建設，對輸電線路運行的穩定性和可靠性要求越來越高。然而，近年來南方地區由于一些自然因素和施工不當等人為因素，常常導致輸電線路桿塔傾斜引發倒塔，造成大面積停電事故，嚴重影響了輸電線路的運行可靠性，不僅造成一定經濟損失，還造成嚴重的社會影響。

本文提出一種基于ZigBee技術和GPRS技術相結合的輸電線路桿塔傾斜在線監測及預測系統設計方法，能夠較好的完成桿塔傾斜在線監測和預測功能，對防止輸電線路倒塔具有一定參考價值。

1 系統結構

由于輸電線路桿塔數量眾多，在保障系統功能完整、性能良好的前提下，為降低系統建設成本和運維成本，本系統基于免費的ZigBee本地無線傳感器網絡通信技術和付費的GPRS遠程無線網絡通信技術相結合，主要由在線監測從站、在線監測主站和遠程監控中心三部分組成，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2 系統硬件設計

2.1 在線監測從站硬件設計

在線監測從站硬件系統主要由兩個傾角傳感器、拉力傳感器、控制器、ZigBee本地無線通信單元、TTLRS485電路、低功耗節能控制電路、供電單元、聲光報警單元等部分組成，其主要結構如圖2所示。

圖2 在線監測從站結構

傾角傳感器采用二維傾角傳感器，可同時采集兩個相互垂直方向的角度，可直接輸出數字信號表示的角度值。控制器和ZigBee本地無線通信單元選用TI公司最新ZigBee片上系統CC2530，內嵌一個增強型8051微處理器和高性能RF無線收發器，并選用CC2591功放進行信號的放大處理，配套的Z-Stack協議棧軟件開發平臺應用方便，可加快系統軟件程序開發速度。為增強通信可靠性提高通信抗干擾能力，CC2530與傳感器單元之間通過RS485通信方式進行信息交互，由TTLRS485電路進行通信電平的相互轉換。由于在線監測從站安裝在桿塔頂端，不能有效利用市電等便捷供電方式，因此供電單元采用太陽能電池板結合鐵鋰蓄電池方案，由太陽能電池板、鐵鋰蓄電池和充放電智能控制器組成，當陽光不足時，鐵鋰蓄電池放電通過充放電智能控制器為在線監測從站供電，當陽光充足時，通過充放電智能控制器太陽能電池板。不但可以為在線監測從站供電，而且可以為鐵鋰蓄電池充電。為有效提高供電效率節約供電成本，采用低功耗節能控制電路對傳感器單元、TTL-RS485電路和充放電智能控制器等進行綜合管理。聲光報警單元由LED閃爍警示燈和喇叭語音警示器組成，若桿塔傾斜或不平衡拉力超過一定閾值，聲光報警單元則觸發閃爍警示燈和語音警示器，提醒桿塔附近人員遠離桿塔。

2.2 在線監測主站硬件設計

在線監測主站硬件系統與在線監測從站硬件系統結構相似，主要由風速風向傳感器、控制器、ZigBee本地無線通信單元、GPRS遠程無線通信單元、TTLRS485電路、低功耗節能控制電路和供電單元等部分組成，其主要結構如圖3所示。

圖3 在線監測主站結構

風速風向傳感器負責采集桿塔所在位置的實時大氣風速和風向，為增強風速風向傳感器抗損壞能力，選用超聲波風速風向傳感器，可360°準確檢測風向，最大測量風速可達60m/s，有效保障在16級超強臺風時仍能正常工作，可直接輸出數字信號表示的風向和風速值。GPRS遠程無線通信單元選用SIM900為主控制器，CC2530與GPRS遠程無線通信單元之間通過RS232通信方式進行信息交互。

3 系統軟件設計

在線監測從站和在線監測主站的軟件開發基于Z-Stack協議棧，Z-Stack協議棧主要分為物理層、媒體介質訪問層、網絡層和應用層，其中物理層、媒體介質訪問層、網絡層軟件程序由Z-Stack協議棧固化，無需應用開發者重新編寫，因此只需在應用層進行系統功能和任務的軟件開發即可，大大提高了軟件開發效率。

3.1 在線監測從站工作流程

在線監控從站作為ZigBee無線傳感器網絡通信系統的路由器節點，系統上電后首先進行系統的初始化，然后執行加入無線傳感器網絡通信系統申請程序，再執行應用層程序。在線監控從站定時采集傾角傳感器和拉力傳感器數據，并對采集到的數據進行數據預處理，若桿塔傾斜或不平衡拉力超過一定閾值，聲光報警單元則觸發閃爍警示燈和語音警示器，提醒桿塔附近人員遠離桿塔，防止倒塔注意安全，并將預處理結果上傳給在線監測主站，若在線監測主站對在線監測從站有參數設置命令，則進行相應的參數設置，否則進入休眠狀態以節省能源，在線監測從站工作流程如圖4所示。

圖4 在線監測從站工作流程

3.2 在線監測主站工作流程

在線監控主站作為ZigBee無線傳感器網絡通信系統的協調器節點，系統上電后同樣首先進行系統的初始化，然后執行無線傳感器網絡通信系統建立程序，再執行應用層程序。在線監控主站定時采集風速風向傳感器數據，依次接收各在線監測從站發送的預處理結果，并將所有數據進行打包，通過GPRS遠程無線通信系統將打包數據統一發送給遠程監控中心，若遠程監控中心對在線監測主站有參數設置或查詢命令，則進行相應的參數設置和響應參數查詢命令，并將相應參數設置命令經預處理后發送給相應在線監控從站，在線監控主站時刻運行沒有休眠模式。

3.3 遠程監控中心設計

遠程監控中心主要由GPRS遠程無線通信單元和上位機組成，上位機軟件基于Visual Studio面向對象與可視化程序設計開發。綜合通過GPRS主節點接收到的桿塔傾角、不平衡拉力、風速及風向等參數信息，基于模糊專家系統建立輸電線路桿塔狀態評估模型及預測模型。評估及預測桿塔狀態的特征量主要有桿塔傾斜角、桿塔不平衡拉力、大氣風速及風向的當前值和相應參數的歷史記錄。桿塔狀態綜合評估結果有：無傾斜、輕度傾斜、嚴重傾斜，桿塔狀態綜合預測結果有：無傾斜、將輕度傾斜、將嚴重傾斜。嚴重傾斜和將嚴重傾斜的桿塔信息通過聲光警示或短信方式通知桿塔運維人員，警醒桿塔運維人員及時采取一定措施消除桿塔傾斜隱患，針對輕度傾斜和將輕度傾斜桿塔信息，桿塔運維人員應當密切關注。

4 系統測試

為進一步測試系統功能及性能，在某110kV輸電線路某個耐張段內安裝一整套系統設備，全面測試系統數據采集、數據傳輸和數據處理等功能，并根據采集到的數據進行桿塔傾斜狀態評估及預測。由于桿塔傾斜變化緩慢，設置數據采集周期為1小時，由于風速風向傳感器為同一套，因此所有風速風向測試數據相同，風速為5.8m/s，風向為126°，其他測試數據如表1所示。

表1 系統測試數據

根據桿塔傾斜度極限值1%，傾斜極限角約0.6°，由表1測試數據可知，桿號為17#和18#的桿塔存在傾斜隱患，并且18#桿塔傾斜較嚴重，隱患需要立即優先消除。

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1671-0711（2017）07（上）-0093-03