楊揚(yáng)

（中國石油大學(xué)勝利學(xué)院機(jī)械與控制工程學(xué)院，山東 東營 257061）

勝利油田電網(wǎng)架設(shè)特殊，電力線路多根據(jù)地下油藏走向架設(shè)，具有輸送離長、覆蓋范圍廣，暴露在曠野、沿海地區(qū)，遠(yuǎn)離交通干線等特點(diǎn)，受到天氣、環(huán)境和人為因素的影響，導(dǎo)致電網(wǎng)事故頻發(fā)，而電網(wǎng)事故往往造成油井停運(yùn)，影響油田產(chǎn)量。所以輸電線路一旦發(fā)生故障，就需要及時判斷故障類型及位置，從而進(jìn)行故障排除或線路維護(hù)。常規(guī)的巡檢手段檢查周期長，并且油田輸電線路通常地處偏遠(yuǎn)，給線路的維護(hù)帶來很大的困難，所以故障一旦發(fā)生無法第一時間發(fā)現(xiàn)隱患，同時受到各類技術(shù)及條件的限制，輸電線路上的實(shí)時信息也無法實(shí)時傳輸至控制中心。同時，隨著信息化的建設(shè)，輸電線路的狀態(tài)檢測也由原來的人工巡檢逐步轉(zhuǎn)入到在線狀態(tài)監(jiān)測，大量的檢測設(shè)備同時投入使用，對產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)進(jìn)行收集和處理、實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測，并利用這些數(shù)據(jù)保障輸電線路安全可靠運(yùn)輸，對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定和安全方面有著重要的意義，因此研究基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸電線路綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的。

針對輸電線路覆冰、大風(fēng)、雷擊等外力破壞因素對輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行造成的影響，國內(nèi)目前多采用建立各類工況環(huán)境信息模型，從多種數(shù)據(jù)融合分析的角度開展輸電線路多種環(huán)境信息模型的研究[1-2]；以提高輸電線路安全性和可靠性為目的，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、線路臺賬信息、走廊內(nèi)地質(zhì)信息等，構(gòu)建以故障隱患、運(yùn)行特征和氣象條件為基礎(chǔ)的輸電線路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警決策模型，并在工程應(yīng)用中采取防治措施[3]?；跓o線互聯(lián)網(wǎng)輸電線路工程現(xiàn)場監(jiān)控終端包括CPU及與其相連接的無線通訊模塊、GPS定位模塊、拍照模塊、存儲模塊、系統(tǒng)內(nèi)存、觸摸模塊、顯示模塊和供電模塊等[4]。

選擇適用于油田高壓輸電線路的多類檢測傳感器，并與勝利油田供電公司合作，開發(fā)一套針對110 kV輸電線路27 km 90基桿塔的在線監(jiān)測系統(tǒng)，對線路進(jìn)行24 h實(shí)時監(jiān)控。該系統(tǒng)利用傳感器技術(shù)、電源管理技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r、快速、準(zhǔn)確地將圖像和數(shù)據(jù)傳回到監(jiān)控中心。分布式的架構(gòu)體系建立靈活、開放、穩(wěn)定、可靠的輸電線路智能化監(jiān)測平臺，可以數(shù)字化、可視化地對輸電線路運(yùn)行狀態(tài)信息。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

針對油田某110 kV輸電線路鐵塔設(shè)計并開發(fā)一套在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用STM32F103RCT6單片機(jī)及與其控制的外設(shè)對鐵塔狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。GPRS用于實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和定位，STM32F103RCT6用于獲取傳感器檢測的數(shù)據(jù)，再通過GPRS模塊與另一塊連接網(wǎng)關(guān)的GPRS模塊進(jìn)行通信并通過TCP/IP協(xié)議上傳至服務(wù)器中，以此實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸保存至服務(wù)器中。此時，工作人員可以通過客戶端軟件隨時查看數(shù)據(jù)，其中，GPRS功能可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)故障時快速準(zhǔn)確地定位鐵塔位置，從而確定鐵塔號，方便后續(xù)人工檢修或者進(jìn)行其他事故處理方案，其總體整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能預(yù)警裝置整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器的選擇

通過分析油田高壓輸電線路多發(fā)事故類型，判斷在線監(jiān)測系統(tǒng)所需采集的數(shù)據(jù)類型，選擇多種傳感器，主要分三類：①微氣象監(jiān)測模塊：主要采集風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓強(qiáng)、環(huán)境溫濕度；②傾角監(jiān)測模塊：采用十軸陀螺儀姿態(tài)傳感器，測量鐵塔的傾斜角；③圖像采集模塊：通過攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)或視頻。

2.1.1 加速度傳感器

系統(tǒng)采用的是十軸陀螺儀姿態(tài)傳感器，用來測量鐵塔的傾斜角，如圖2所示，把加速度傳感器固定在鐵塔水平面上，當(dāng)輸電線鐵塔姿態(tài)改變時，加速度傳感器的敏感軸隨之轉(zhuǎn)動一定的角度，由于重力的作用，敏感軸上的加速度會發(fā)生改變，從而測得鐵塔的傾斜角。

圖2 加速度傳感器

2.1.2 微氣象傳感器

系統(tǒng)采用的風(fēng)速風(fēng)向變送器由風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、傳感器支架組成。該組件由3個或3個以上的風(fēng)杯、轉(zhuǎn)軸、機(jī)身組成，每兩個相鄰的風(fēng)杯都會呈現(xiàn)出對等的夾角。這種風(fēng)速傳感器是利用風(fēng)吹動風(fēng)杯會產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)速的原理設(shè)計的，可連續(xù)監(jiān)測電塔的周圍風(fēng)速、風(fēng)量（風(fēng)量=風(fēng)速×橫截面積）大小，能夠?qū)﹄娝闹車L(fēng)速風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時顯示[5]。風(fēng)向傳感器是一種測量風(fēng)的水平方向的氣象儀器，可測量室外環(huán)境中的近地風(fēng)向[6]。通常風(fēng)向傳感器大多采用風(fēng)向標(biāo)，當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)向標(biāo)尾部的尾翼時，風(fēng)向標(biāo)的箭頭所指方向就是風(fēng)吹過來的方向。圖3是風(fēng)速、風(fēng)向傳感器。

圖3 風(fēng)速傳感器和風(fēng)向標(biāo)

監(jiān)測環(huán)境溫濕度及大氣壓強(qiáng)的傳感器如下：溫度傳感器為熱敏電阻，阻值隨溫度的增加而降低，測量范圍是-40～80℃；濕度傳感器原理為水蒸氣吸附在感濕膜上，原件上的電阻率和電阻值都會發(fā)生變化，由此可以測量導(dǎo)線濕度，量程是0% RH～100% RH；壓力傳感器是以空氣壓力為傳導(dǎo)對象，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)控制的控制感應(yīng)器，它能夠根據(jù)壓力的大小不斷變換電阻大小，從而改變電路中的電流的大小，然后會發(fā)出不同的電信號，實(shí)現(xiàn)大氣壓強(qiáng)的測量，量程是0～120 kPa，工作溫度為-20～+60℃，三者均由直流電壓10～30 V供電。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)攝像頭

項(xiàng)目采用成品?？低晹z像頭DS-2CD3T25 FD-15SGLE型，其支持移動、聯(lián)通、電信4GSIM卡，進(jìn)行4G傳輸，理論上速度可達(dá)到100 Mb/s[7-8]。結(jié)合3D降噪、背光補(bǔ)償技術(shù)，大幅度提升了逆光環(huán)境的圖像質(zhì)量，畫質(zhì)更清晰，ICR紅外濾片式日夜轉(zhuǎn)換，可進(jìn)行圖像清晰的晚間視頻監(jiān)控、IP67級防水防塵設(shè)計，理想工作溫度范圍在-30～60℃之間，濕度小于95%（無凝結(jié)），在外界環(huán)境中可應(yīng)對風(fēng)吹日曬和雨雪天氣，設(shè)備具有音頻輸出接口，安裝外部音頻設(shè)備，若攝像環(huán)境中監(jiān)測到有人為破壞線路運(yùn)行，可通過遠(yuǎn)程呼叫、喊話的方式，阻止破壞者的行為[9]。圖4為攝像頭采集畫面。

圖4 攝像頭采集畫面

利用上述傳感器和攝像頭可以實(shí)時采集傳輸線路區(qū)域檢測位置的狀態(tài)信息，建立多傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線狀態(tài)在線監(jiān)測（導(dǎo)線的懸垂、舞動等應(yīng)力變化引起的桿塔自身的震動、傾斜角），風(fēng)向風(fēng)速傳感器、溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線微氣象監(jiān)測（線路局部氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等），并通過優(yōu)化各類傳感器，實(shí)現(xiàn)對線路的實(shí)時數(shù)據(jù)采集。需要采集的數(shù)據(jù)類型如表1所示。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)無線傳輸設(shè)計

把傳感器和監(jiān)控攝像采集的數(shù)據(jù)傳遞到電力系統(tǒng)中，利用無線傳輸把搜集到的實(shí)時信息準(zhǔn)確無誤地傳輸?shù)诫娏?nèi)網(wǎng)。電力無線寬帶、無線公共通訊網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(wǎng)等不同類型的通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)感知層和應(yīng)用層之間的信息傳遞、路由和控制功能[10-12]。

2.2.1 GPM模塊設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)采用GSM模塊實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送、語音通話、GPRS通信等功能，利用GSM模塊將GPS位置和STM32F103RCT6單片機(jī)獲取傳感器檢測的數(shù)據(jù)通過2G網(wǎng)絡(luò)、TCP/IP協(xié)議上傳至服務(wù)器中，可以隨時在服務(wù)器指定的數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，并顯示在圖形界面中。其中GPRS模塊采用安信可A9開發(fā)板[9]，該開發(fā)板是基于安信可A9G GPRS/GSM模塊的多功能開發(fā)板，可以用來驗(yàn)證A9模塊的基礎(chǔ)通信功能和外設(shè)功能。該模塊具備基礎(chǔ)的電話/短信、GPRS聯(lián)網(wǎng)通信的功能，裝載了鋰電池充電管理、麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器接口、USB通信接口、多個用戶按鍵/LED、TF卡槽、加速度傳感器、SPI接口、I2C2接口、ADC接口等，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、車載、電力環(huán)境檢測等領(lǐng)域。根據(jù)開發(fā)板進(jìn)行外圍電路設(shè)計，使用場效應(yīng)管進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)I/O可控制的復(fù)位電路和電源管理。

表1 輸電線路故障智能預(yù)警裝置所需要采集的數(shù)據(jù)類型

2.2.2 RS485通信設(shè)計

測量風(fēng)速、風(fēng)向的傳感器通過485通信模塊傳送給單片機(jī)，因此需要485串口轉(zhuǎn)換器，將RS485通信轉(zhuǎn)換為串口輸出，實(shí)現(xiàn)TTL信號與RS485信號的互傳。RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般是兩線制，多采用屏蔽雙絞線傳輸。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中，一般采用的是主從通信方式，即一個主機(jī)帶多個從機(jī)，圖5為無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計框圖。

2.3 系統(tǒng)電源模塊設(shè)計

線路在線監(jiān)測系統(tǒng)對微氣象、導(dǎo)線狀態(tài)等多類傳感器和攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之后，由監(jiān)測控制器進(jìn)行控制，以上功能模塊集成到PCB電路板中，該系統(tǒng)控制電路的PCB板除包括通信模塊、GPRS模塊、電壓采集模塊外，還由顯示模塊和電源模塊等組成。該系統(tǒng)電源由太陽能電池板發(fā)電，鋰電池作為電量的存儲媒介，將多余的電量進(jìn)行儲存，保證設(shè)備的連續(xù)運(yùn)作，ADC轉(zhuǎn)換電路監(jiān)測剩余電量，傳感器數(shù)據(jù)通過485通信穩(wěn)定傳輸至單片機(jī)進(jìn)行處理，GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、累積和顯示。

圖5 無線傳輸系統(tǒng)框圖

由于太陽能電池板對天氣的變化非常敏感，當(dāng)光線強(qiáng)度變化很大時，太陽能電池板輸出功率波動也非常大，若直接使用光伏板給電池充電，就會對電池產(chǎn)生損害。如圖6所示，利用PWM太陽能控制器對光伏板輸入的功率進(jìn)行控制，使得在給電池充電時能夠達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，減少對電池的損害，使用降壓芯片得到單片機(jī)正常工作的額定電壓。

圖6 太陽能供電系統(tǒng)

太陽能電池板發(fā)電后經(jīng)過PWM自調(diào)節(jié)太陽能充電模塊，針對太陽能輸出功率不平衡問題進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，自調(diào)節(jié)太陽能充電模塊包括太陽能電池板接口、蓄電池接口、負(fù)載接口，可以起到穩(wěn)定輸出電壓，保護(hù)電池充放電穩(wěn)定，防止電路故障及放電電流過大等功能，其負(fù)載輸出接口電壓可跟隨蓄電池輸出電壓進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。隨著電池放電，電池電壓會逐漸下降，為此采用多路電池并聯(lián)的方式提高蓄電池容量達(dá)到放電時間長而電壓下降少的方案。由于攝像頭、揚(yáng)聲器傳感器等負(fù)載工作電壓較寬，額定工作電壓范圍為9～12 V，而傳感器工作電流較小且需要實(shí)時監(jiān)測，因此將模塊負(fù)載輸出電壓直接加在傳感器電源，保證傳感器工作。由于攝像頭與音響因功耗過高，使用時可進(jìn)行遠(yuǎn)程鏈接打開，無需實(shí)時工作，因此工作電源通過繼電控制工作。整套系統(tǒng)中電路板的工作電源由自調(diào)節(jié)太陽能充電模塊負(fù)載輸出接口電壓經(jīng)過降壓穩(wěn)壓電路，將輸出的12.6 V降壓為4 V供給GSM模塊，再通過降壓芯片將4 V轉(zhuǎn)為3.3 V單片機(jī)工作電壓，電路中瞬態(tài)抑制二極管TVS起到了防止峰值電壓電流的作用。

由于太陽能電池板發(fā)電會受到天氣變化的影響，若處在陰雨時節(jié)太陽能光照嚴(yán)重不足，為了便于觀察電量的剩余情況，需要對電池進(jìn)行電量監(jiān)測，實(shí)時掌握設(shè)備運(yùn)作情況。根據(jù)電池電量不同、電壓不同的原理實(shí)現(xiàn)電量檢測，電量監(jiān)測方法是在電路中加了兩個分壓電阻，然后使用單片機(jī)對電壓進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換。根據(jù)電壓大小監(jiān)測電池電量剩余和預(yù)估在太陽能電池板無法工作時設(shè)備剩余的運(yùn)行時間。設(shè)備中鋰電池采用三串四并的方式，一節(jié)鋰電池的標(biāo)稱充滿電壓為4.2 V，三節(jié)串聯(lián)后充滿電壓可達(dá)12.6 V。

按照整體電路圖制作的控制電路板，將所有利用到的模塊集成在電路板上，具有體積小、安裝方便、重量輕、無線傳感網(wǎng)絡(luò)功耗低、自組織網(wǎng)絡(luò)、無線實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。經(jīng)過測試，控制板根據(jù)程序設(shè)計，隨著指令能夠完成連接互聯(lián)網(wǎng)、參數(shù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)發(fā)送、LED顯示、工作狀態(tài)監(jiān)測等功能，說明控制電路板可以實(shí)現(xiàn)電塔狀態(tài)監(jiān)測的要求。

3 系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)測平臺為多用戶B/S結(jié)構(gòu)的電力線路智能巡檢管理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用ThinkPHP企業(yè)應(yīng)用技術(shù)框架，采用分層模塊化功能設(shè)計，使系統(tǒng)具有良好的能力性。系統(tǒng)分電力線路智能巡檢管理和智能硬件檢測系統(tǒng)。后臺管理系統(tǒng)完全采用PHP語音進(jìn)行開發(fā)，具有跨平臺特性，可以安裝部署到Windows Server（2008及以上）、Linux操作系統(tǒng)[10-12]。

系統(tǒng)平臺采用的Hibernate ORM數(shù)據(jù)映射模型，可部署到Oracle、SqlServer等大型數(shù)據(jù)庫，也可部署到PostgreSQL、MySQL等開源數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用服務(wù)器采用APache作為PHP應(yīng)用部署容器。ActiveMq消息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時推送，增強(qiáng)消息的實(shí)時性、可靠性，降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并提高與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的交互能力，輕松實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)平臺整合。管理平臺采用流行的前端WEB組件Bootstrap、EasyUi構(gòu)建，界面美觀大方，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)管理功能[13-15]。

3.1 平臺組成及關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)主要由以下幾部分組成：ThinkPHP企業(yè)框架作為系統(tǒng)平臺的基本框架，對其他組件進(jìn)行整合和管理；MVC三層控制模型使得系統(tǒng)平臺分層結(jié)構(gòu)清晰易于擴(kuò)展；Security安全框架分角色、分單位對用戶訪問權(quán)限進(jìn)行控制，不同用戶配置不同角色，訪問不同的系統(tǒng)功能；ActiveMq消息中間件進(jìn)行實(shí)時消息推送，如缺陷通知和實(shí)時定位；BootStrap風(fēng)格前端設(shè)計界面采用流行前端風(fēng)格展示；Hibernate數(shù)據(jù)庫ORM用于數(shù)據(jù)庫與JAVA對象數(shù)據(jù)的關(guān)系映射；Quartz定時任務(wù)執(zhí)行框架用于周期性定時任務(wù)的執(zhí)行；Amcharts、Echarts圖表組件，用于靈活展示巡檢數(shù)據(jù)[16]。

3.2 后臺管理系統(tǒng)

如圖7所示，安裝完成后，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)符合要求，實(shí)時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括一個氣象監(jiān)測站、GPRS傳輸模塊、控制中心。其中，低功耗的無線傳感器網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能夠在高壓塔架周圍實(shí)現(xiàn)一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采集環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、日照、鐵塔狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并通過每個塔架上的GPRS節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)回傳至控制中心。該設(shè)備準(zhǔn)備在勝利油田電力公司開始進(jìn)行長期測試以驗(yàn)證是否達(dá)到要求，并且控制板保留的拓展性可以保證后續(xù)的其他需求在UI界面能看到實(shí)時更新的傳感器數(shù)據(jù)，并且加速度傳感器根據(jù)實(shí)時回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行了圖像繪制，能夠使用戶直觀地感受到鐵塔的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)論

針對油田高壓輸電線路具有運(yùn)送距離長、覆蓋區(qū)域廣，容易受天然環(huán)境及成分的影響較多等特點(diǎn)，而采用人工巡視耗費(fèi)大量人力、物力，無法實(shí)時監(jiān)測，攝像監(jiān)控又存在數(shù)據(jù)量大、利用率低的問題，致使線路的運(yùn)作維護(hù)工作存在較大的困難。項(xiàng)目設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)選取STM32F103RCT6單片機(jī)及其控制外設(shè)，配合多傳感器和攝像頭對鐵塔實(shí)時狀態(tài)參數(shù)（環(huán)境溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓強(qiáng)的檢測及高壓線路鐵塔振幅、經(jīng)緯度）進(jìn)行監(jiān)測，通過GPRS模塊通信并使用TCP/IP協(xié)議上傳至服務(wù)器，同時設(shè)計基于網(wǎng)絡(luò)的多用戶B/S結(jié)構(gòu)的電力線路后臺管理系統(tǒng)，該后臺采用ThinkPHP企業(yè)應(yīng)用技術(shù)框架，分層模塊化功能設(shè)計，采用第三方百度Echarts加載服務(wù)器溫濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)向、風(fēng)速、振幅數(shù)據(jù)，通過圖表直觀的展示出來，便于用戶隨時查看線路實(shí)時數(shù)據(jù)。

圖7 后臺界面顯示圖