基于阿里云平臺的輸電線路弧垂監(jiān)控系統(tǒng)

李捍平 徐健 叢赟 李小炳

（國網(wǎng)浙江省電力公司舟山建設(shè)分公司 浙江省舟山市 316000）

1 引言

目前，在輸電線路建設(shè)中架線施工是關(guān)鍵的工序之一，而電線高度檢測裝備則是張力架線施工的關(guān)鍵設(shè)備，架空輸電線路的弧垂高度以及位置安全施工的重要指標(biāo)之一，此外，輸電線路的受力負(fù)荷和施工環(huán)境條件都會造成弧垂高度的改變。一方面，弧垂高度過低會造成重大安全事故，尤其是在交叉跨越、人煙密集和大跨越地段，另一方面，高度過高則會使電線承受過大的張力，同時給施工帶來諸多難度。

基于上述需求，相關(guān)人員進(jìn)行了深入研究，國內(nèi)外電力科研及運行單位對架空輸電線路弧垂在線監(jiān)測和牽張機(jī)牽引力自動控制的研究已進(jìn)行了多年，提出了實際有效的監(jiān)測方法，但仍然存在下述主要問題：

（1）目前方法的測量過程較為繁瑣，且由于傳感器檢測裝置的缺陷和測量結(jié)果數(shù)據(jù)的處理較為復(fù)雜，導(dǎo)致弧垂結(jié)果精度較低往往無法達(dá)到較高的精度；

（2）現(xiàn)有方法僅僅考慮了弧垂高度的測量，忽略了弧垂定位的測量，這會導(dǎo)致安全隱患的發(fā)生；

（3）沒有通過實時在線檢測牽引繩的牽引力和架空輸電線路的弧垂高度、弧垂定位等數(shù)據(jù)來可靠地控制牽張機(jī)工作在安全狀態(tài)，容易造成安全事故。

2 基于UWB技術(shù)的弧垂測量原理

UWB測距方法分為接收信號強度法（RSSI）和到達(dá)時間法（TOA）兩種，其中，RSSI精度低，僅限于粗糙測距，本論文將采用精度較高的TOA，TOA又包括雙程測距（TWR）和單程測距（OWR），TWR適用于監(jiān)測裝置間沒有公共時鐘的情況，而OWR在監(jiān)測裝置間有公共時鐘的情況下使用。

OWR的測距原理是由基于UWB波的傳輸時間差來決定，假設(shè)A為參考監(jiān)測裝置，B為目標(biāo)監(jiān)測裝置，現(xiàn)測量A、B監(jiān)測裝置之間的距離。在測距前對監(jiān)測裝置A、B進(jìn)行同步檢測和同步調(diào)整，監(jiān)測裝置A在T0時刻發(fā)送信號給監(jiān)測裝置B，監(jiān)測裝置B在T1時刻收到信號，則監(jiān)測裝置A、B間的距離dAB可以由下式得到：

式中c為UWB的傳播速度，TAB為UWB 波在A、B之間的傳播時間，TAB可由下列公式求得：

基于UWB波之OWR測距技術(shù)的電力線弧垂測量原理如圖1所示，y為架空輸電線路弧垂距離地面的垂直高度，x為架空輸電線路弧垂距離固定UWB測距裝置A之間的平行地面距離，也就是弧垂的定位距離，c為固定UWB測距裝置A和固定UWB測距裝置B之間的距離，a為垂點和固定UWB測距裝置A之間的距離，b為垂點和固定UWB測距裝置B之間的距離，θ1為垂點和固定UWB測距裝置A連線對地面形成的夾角，θ2為垂點和固定UWB測距裝置B連線對地面形成的夾角。

電力線弧垂定位和弧垂高度可按如下方程組求得：

圖1：基于UWB波的電力線弧垂測量示意圖

圖2：基于UWB波的電力線弧垂測量裝置結(jié)構(gòu)圖

3 基于UWB技術(shù)弧垂測量系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

為實現(xiàn)上述測量原理，論文設(shè)計了如圖2所示的弧垂在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括UWB滑動測距模塊（1）、UWB固定測距模塊（2）、牽引力測量模塊（3）、顯示模塊（4）、語音模塊（5）、制動模塊（6）、控制主系統(tǒng)（7）和電源模塊（8）。其中，模塊（8）分別向模塊（4）、模塊（5）、模塊（6）、模塊（7）連接供電；模塊（7）分別和模塊（1）、模塊（2）、模塊（3）連接并雙向傳輸數(shù)據(jù)；模塊（7）分別連接模塊（4）、模塊（5）、模塊（6）并向這些模塊單向傳輸控制命令和控制數(shù)據(jù)。

控制主系統(tǒng)與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器通過無線連接，并在控制主系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有GPS模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)處理模塊和無線電路模塊，GPS模塊用于定位施工人員的地理位置信息并向平臺服務(wù)器傳輸該位置信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲模塊存有牽張機(jī)安全工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)處理模塊用于通過所述牽引力測量模塊（3）計算牽引繩的牽引力大小，數(shù)據(jù)處理模塊還用于通過所述UWB滑動測距模塊（1）和UWB固定測距模塊（2）計算架空輸電線路的弧垂高度和弧垂定位，數(shù)據(jù)處理模塊還用于實時比對牽張機(jī)的當(dāng)前時刻工作狀態(tài)從而通過制動模塊（6）調(diào)節(jié)牽張機(jī)的下一時刻工作在安全狀態(tài)，無線電路模塊用于連接模塊（1）、模塊（2）和模塊（3）實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。

圖3：基于阿里云平臺的電力線弧垂物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)截圖

UWB滑動測距模塊（1）和UWB固定測距模塊（2）是基于UWB原理的相同測距電路單元，包括UWB信號接受電路、UWB信號發(fā)射電路、無線電路和供電干電池。

牽引力測量模塊（3）包括基于金屬應(yīng)變片的電橋測量電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和供電干電池，金屬應(yīng)變片粘貼在連接電線的牽引繩一端，牽引力的大小改變帶動牽引繩端和應(yīng)變片一起發(fā)生相同程度的形變，電橋測量電路將應(yīng)變片的形變轉(zhuǎn)換為電橋輸出電壓大小的改變，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將電橋輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)并傳給控制主系統(tǒng)（7）。

顯示模塊（4）基于LCD顯示原理，實時顯示弧垂高度、弧垂定位和牽張機(jī)工作狀態(tài)等信息數(shù)據(jù)。語音模塊（5）為語音輸出揚聲器電路。制動模塊（6）包括電子開關(guān)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，電子開關(guān)接受控制主系統(tǒng)（7）的輸出控制命令并執(zhí)行相應(yīng)的動作，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路接受控制主系統(tǒng)（7）的輸出控制數(shù)據(jù)并相應(yīng)地改變牽張機(jī)的下一時刻工作狀態(tài)。

4 基于UWB電力線弧垂測量的阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的實現(xiàn)

阿里云物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是阿里巴巴集團(tuán)推出的專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺，提供云管邊端等基礎(chǔ)產(chǎn)品接入及技術(shù)賦能、行業(yè)解決方案合作與實施、軟硬件銷售、營銷推廣、需求對接等快速商業(yè)變現(xiàn)通道，全方位對接物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)上億商機(jī)。物聯(lián)網(wǎng)平臺提供安全可靠的設(shè)備連接通信能力，支持設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云，規(guī)則引擎流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和云端數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備端。此外，也提供方便快捷的設(shè)備管理能力，支持物模型定義，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲，和遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控、運維。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺為設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力，向下連接海量設(shè)備，支撐設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云；向上提供云端API，服務(wù)端通過調(diào)用云端API將指令下發(fā)至設(shè)備端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。物聯(lián)網(wǎng)平臺也提供了其他增值能力，如設(shè)備管理、規(guī)則引擎、數(shù)據(jù)分析、邊緣計算等，為各類IoT場景和行業(yè)開發(fā)者賦能。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的創(chuàng)建具體包括三步：物聯(lián)網(wǎng)平臺登入、創(chuàng)建產(chǎn)品、設(shè)備、Topic類， MQTT.fx安裝及操作和上行消息、下行消息、消息內(nèi)容查詢。其中每一步阿里云官方都有詳細(xì)的指導(dǎo)文檔和示例。論文創(chuàng)建的電力線弧垂阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的截圖如圖3所示，該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)和本地電力線弧垂測量裝置實時的數(shù)據(jù)上傳、預(yù)警高度值下發(fā)以及物聯(lián)網(wǎng)端對本地測量裝置聲光報警器的開關(guān)控制，經(jīng)過12小時的連續(xù)不間斷測試和為期兩個月的使用測試，沒有任何故障發(fā)生，性能穩(wěn)定。