一種基于電力網(wǎng)架服務(wù)全民的微觀氣象監(jiān)測系統(tǒng)

國網(wǎng)莆田供電公司 姚鐘武 徐麗紅 林忠喜

1 系統(tǒng)搭建的背景

眾所周知，電網(wǎng)企業(yè)在電力調(diào)度、施工作業(yè)、防風(fēng)減災(zāi)等多個領(lǐng)域都需要依賴實時而精準的氣象數(shù)據(jù)。然而，目前的天氣預(yù)報只是對城市的天氣情況進行籠統(tǒng)預(yù)測，這個預(yù)測無法精確到各個具體地點。而且，天氣預(yù)報只是事先預(yù)測，并不對任何地點真實發(fā)生的天氣情況做實時監(jiān)測匯報?，F(xiàn)今，電力系統(tǒng)各項工作對精確氣象信息的需求在不斷提高，我們亟需一套足夠精確且實時的氣象監(jiān)測系統(tǒng)，能使我們對所關(guān)注的任何地點的天氣信息觸手可得，并為我們提供精準且實時的天氣服務(wù)（包括但不限于監(jiān)測、記錄、提示、嵌入）。

2 系統(tǒng)概述

ZigBee 具有功耗低、距離短、無線傳輸速率低等優(yōu)點,產(chǎn)品設(shè)置也愈發(fā)成熟。此外，GPRS 還可以遠程傳輸，在有信號地方，可以使用GPRS 進行傳輸，GPRS 也適用于以較低的數(shù)據(jù)傳輸成本傳輸少量數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)主要結(jié)合兩種無線技術(shù)，設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣象監(jiān)測系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣象監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包括氣象監(jiān)測主機軟件、無線傳輸網(wǎng)關(guān)與ZigBee 路由三個部分，氣象監(jiān)測合同氣象監(jiān)測計算機軟件作為系統(tǒng)核心，同時具備數(shù)據(jù)存儲及顯示功能。ZigBee 無線網(wǎng)關(guān)路由器負責(zé)維護整個無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。氣象監(jiān)測節(jié)點大多在較為偏僻的位置，所配備的氣象傳感器也較為多樣，主要工作為氣象數(shù)據(jù)采集，且由上位機進行控制。

3 系統(tǒng)基于電力平臺的優(yōu)勢

巧合的是，在捕捉到電網(wǎng)企業(yè)對天氣數(shù)據(jù)具有強烈需求的同時，我們發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)在搭建微觀氣象監(jiān)測系統(tǒng)中具有獨特且巨大的優(yōu)勢。通過基于電力設(shè)施搭建系統(tǒng)可充分利用電力系統(tǒng)設(shè)施獨有的幾大內(nèi)在價值，大大降低建設(shè)成本。

一是露天優(yōu)勢。戶外電力網(wǎng)絡(luò)設(shè)施直接面對風(fēng)吹雨淋等氣候征象，具備采集降雨、風(fēng)力風(fēng)向、氣溫等多種氣象信息的先天優(yōu)勢。

二是信號優(yōu)勢。電力桿塔等設(shè)施所在地?zé)o線通信信號強，信號傳輸順暢。在經(jīng)歷了配網(wǎng)智能化之后，電力設(shè)施上已廣泛布設(shè)了足夠多的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，且電力的通信網(wǎng)絡(luò)具有足夠多的信息承載余量，這樣就完全免去了一般氣象站建設(shè)中的通信設(shè)施搭建及流量費用。

三是供電優(yōu)勢。配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)施如電線桿塔、配電站房本身具備強大的供電能力，氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備圍繞其搭載，取電方便。而常規(guī)氣象站建設(shè)中一個很大的問題就是供電設(shè)施的搭建，若是野外氣象站，往往采用太陽能板供電方案。特點是價格昂貴、維護麻煩、壽命短、供電不穩(wěn)定，電力網(wǎng)架服務(wù)全民的微觀氣象監(jiān)測分布如圖1所示。

圖1 電力網(wǎng)架服務(wù)全民的微觀氣象監(jiān)測分布

四是場地優(yōu)勢。電力系統(tǒng)擁有非常龐大且分布廣泛的各種電力硬件，可為微觀氣象監(jiān)測系統(tǒng)的搭提供免費且寶貴的占地資源。

4 氣象監(jiān)測節(jié)點硬件設(shè)計

氣象監(jiān)測節(jié)點由STM32F103ZET 單片機、ZigBee 外圍設(shè)備、存儲芯片、氣象采集傳感器等組成，利用各種傳感器采集風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓等氣象要素。該節(jié)點由普通鉛酸電池和太陽能電池板供電。Usart2主芯片STM32直接連接到ZigBee UART 終端設(shè)備。串行通信中使用的波特率為115200，數(shù)據(jù)位為8位，中斷位為1位，不使用校驗和位。氣象監(jiān)測節(jié)點通過ZigBee 終端設(shè)備模塊連接到ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)。為了加快開發(fā)速度，直接使用成熟的ZigBee 模塊。基于IEEE802的嵌入式ZigBee 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。15.4/Zigbee技術(shù)符合IEEE 802.15.4無線傳輸功能。ZigBee 模塊可以通過制造商提供的配置軟件配置ZigBee 終端設(shè)備、路由器及設(shè)備協(xié)調(diào)器。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是由ZigBee 模塊組成的網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點容量可達65000，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲，如傳輸網(wǎng)絡(luò)、點對多點傳輸網(wǎng)絡(luò)等。數(shù)據(jù)傳輸方式多種多樣?？梢酝ㄟ^配置目標(biāo)地址或廣播數(shù)據(jù)來路由數(shù)據(jù),支持三種數(shù)據(jù)傳輸模式：ini 和透明傳輸。在透明傳輸模式下，ZigBee 終端設(shè)備進入網(wǎng)絡(luò)后，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee 模塊，并通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付康牡刂返脑O(shè)備。通過無線通信從ZigBee 終端接收的數(shù)據(jù)通過串口輸出。氣象監(jiān)測節(jié)點中的ZigBee 模塊配置為ZigBee 終端設(shè)備，采用透明傳輸方式，可以接收任何節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進行傳送處理。

5 系統(tǒng)的構(gòu)造

如圖2所示，本微觀氣象監(jiān)測系統(tǒng)包括：氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備（圖中標(biāo)注為1），安裝于電力網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點（包括但不限于電力桿塔、配電站房等，圖中標(biāo)注為200），用于采集天氣信息，以上天氣信息包括但不限于降水、風(fēng)力風(fēng)向、氣溫等天氣信息；通信設(shè)施（圖中標(biāo)注為2），安裝于配電網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點，通信設(shè)施與氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備信號連接；服務(wù)器（圖中標(biāo)注為3），與各個節(jié)點的通信設(shè)施信號連接，服務(wù)器可以時間為軸記錄各個節(jié)點的天氣信息，個人終端（圖中標(biāo)注為100）與服務(wù)器信號連接并可接收或讀取服務(wù)器傳來的天氣信息。通過氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通信設(shè)施、服務(wù)器及個人終端環(huán)環(huán)相扣，節(jié)點之間有機結(jié)合，產(chǎn)生矩陣效應(yīng)，形成完整鏈條，最終構(gòu)成一種基于電力服務(wù)全民的微觀氣象監(jiān)測系統(tǒng)，以下簡稱系統(tǒng)。

圖2 微觀氣象監(jiān)測系統(tǒng)

6 系統(tǒng)的用途

6.1 指導(dǎo)施工

系統(tǒng)可用于電力施工及搶修，為電力工人提供智能的、實時的、準確的現(xiàn)場氣象情況支撐，提升現(xiàn)場電力工作的工作效率和安全系數(shù)。電力作業(yè)普遍對現(xiàn)場的天氣情況有較高要求，比如安規(guī)規(guī)定多項電力工作的現(xiàn)場風(fēng)力不得大于5級。本系統(tǒng)可通過手機實時查看工作地點的天氣情況，并可通過設(shè)置，向工作人員發(fā)出多種定制化提示。

6.2 抗風(fēng)減災(zāi)

系統(tǒng)可用于抗風(fēng)減災(zāi)，精準監(jiān)控過境臺風(fēng)微觀形態(tài)，減少臺風(fēng)對電力系統(tǒng)的破壞，減少電力系統(tǒng)經(jīng)濟損失，保障抗風(fēng)搶險人員生命安全。福建地處東南沿海，常年遭遇臺風(fēng)。如何做好臺風(fēng)監(jiān)測是電力系統(tǒng)的一項重要課題。本系統(tǒng)通過在分布廣泛的電力桿塔上或配電站房上布局風(fēng)力風(fēng)向等氣象監(jiān)測儀，以點成面，形成臺風(fēng)監(jiān)測矩陣，像一臺顯示器一樣，將臺風(fēng)的準確形態(tài)刻畫出來，成為電力系統(tǒng)抵御臺風(fēng)的一項利器。電力網(wǎng)架服務(wù)全民的微觀氣象監(jiān)測流程如圖3所示。

圖3 電力網(wǎng)架服務(wù)全民的微觀氣象監(jiān)測流程

6.3 水電調(diào)度

系統(tǒng)可服務(wù)于電力系統(tǒng)水電站調(diào)度。水力發(fā)電是經(jīng)濟性高的清潔能源，準確預(yù)測水電站的發(fā)電能力可減少對水力資源的浪費，提升并網(wǎng)電能的經(jīng)濟效益。本系統(tǒng)可通過讀取水電站所在地及水電站上游流域相關(guān)的降水監(jiān)測節(jié)點矩陣的數(shù)據(jù)，準確預(yù)測水電站上游的徑流量，從而對水電站的發(fā)電能力做到精準把控。（注釋：徑流量與降水、地質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)是定量，而降水是變量，所以只要降水?dāng)?shù)據(jù)足夠精確就可以通過不斷迭代的算法，使得對徑流量的預(yù)測足夠準確。而之前的水電站僅依賴籠統(tǒng)的降水?dāng)?shù)據(jù)，根本無法滿足準確預(yù)測的要求。）

6.4 森林火災(zāi)

2020年3月31日，四川大涼山專業(yè)打火隊接到任務(wù)，21名隊員在一名當(dāng)?shù)叵驅(qū)У膸ьI(lǐng)下，義無反顧地沖向火海?？捎譀]想到，風(fēng)向突變，22個人被大火包圍。就在人們盼望著他們平安歸來的時候，傳來的卻是一個痛心的消息：19名年輕的救火英雄犧牲。本微觀氣象監(jiān)測系統(tǒng)可布局于經(jīng)常發(fā)生山火的林區(qū)，為消防員滅火時提供實時準確的微觀風(fēng)力風(fēng)向圖，即使風(fēng)向突變，也可帶領(lǐng)消防員及時走出危險的下風(fēng)區(qū)。

6.5 雷電定位

雷電對電力系統(tǒng)的危害普遍且多發(fā)，對雷擊點的定位是個全社會的命題（比如，雷擊電力設(shè)施引發(fā)故障時若能準確定位雷擊點將大大縮短搶修時長），而尋找雷擊點卻是一個極大的難題。微觀氣象監(jiān)測系統(tǒng)可通過聲光捕捉比較法，多節(jié)點響應(yīng)，精確定位雷電，可使對雷擊點的定位精度達到相當(dāng)高的級別。

6.6 服務(wù)全民

系統(tǒng)所采集并記錄到的降雨、風(fēng)力風(fēng)向、氣溫等天氣大數(shù)據(jù)可廣泛應(yīng)用于居民生活生產(chǎn)各行各業(yè)。天氣情況與人們的日常生活息息相關(guān)，每個人每天都有查看某個特定地點實時天氣狀況的需求再做決策，我們都迫切需要知道目標(biāo)地點的天氣情況?，F(xiàn)今基本人手一部手機，然而目前沒有任何一款手機端應(yīng)用能滿足上述需求。本系統(tǒng)一旦建立完成，即可服務(wù)所在城市每位市民的日常所需，為每位市民提供其所要知道的任何地點的準確且實時的天氣信息。

例如，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要關(guān)注天氣情況。本系統(tǒng)所得各地點的天氣情況大數(shù)據(jù)日積月累，積少成多。該大數(shù)據(jù)對農(nóng)民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策及農(nóng)業(yè)科研人員分析研究至關(guān)重要。再例如，行車導(dǎo)航公司若接入讀取本系統(tǒng)天氣數(shù)據(jù)，即可收到不同地點的各自的實時的天氣狀況，為司機在行車途中提供精準天氣導(dǎo)航，比如避開暴雨路徑，避開狂風(fēng)地帶。又或者天氣情況會影響消費者消費習(xí)慣，精準的天氣大數(shù)據(jù)可提供給當(dāng)?shù)厣虡I(yè)調(diào)研機構(gòu)分析使用。每個市民可以選擇一個自己最關(guān)注的地點實時獲取該地點的天氣信息并享受相關(guān)定制服務(wù)（比定制可讓自己手機收到“該地點下雨”或“該地點雨停”的提示），這個地點可以是自己的家，也可以是你上班的地點，也可使是你家的農(nóng)田等等。當(dāng)然用戶也可以選擇獲取全市任何地點的準確天氣信息。對于企事業(yè)單位，比如商業(yè)調(diào)研公司，可購買該城市所有地點全部采集器累積下來的一整年的天氣大數(shù)據(jù)原始資料，用于非常廣泛的科研或商業(yè)用途。

所以，本系統(tǒng)搭建后的用戶需求將異常強烈且廣泛?；诒鞠到y(tǒng)出誕生出一款全民熱捧的互聯(lián)網(wǎng)APP 產(chǎn)品。

7 意義與價值

國家在呼吁創(chuàng)新，電力系統(tǒng)在大力倡導(dǎo)提質(zhì)增效，本系統(tǒng)是對提質(zhì)增效的一次極佳響應(yīng)。通過創(chuàng)造性的構(gòu)思，挖掘出電力硬件的潛在價值，對內(nèi)產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益，對外產(chǎn)生重大社會價值。系統(tǒng)為全社會提供了一種從未有過又每日皆需、每人皆需的原始大數(shù)據(jù)。原始大數(shù)據(jù)的社會效益是巨大的，其社會效益是一級一級傳導(dǎo)并不斷累積的且無法用具體數(shù)值估量的。類似電能，電能是社會運轉(zhuǎn)的源動力，每一度電有價，但每一度電對社會的貢獻是無價的。且在ZigBee 與GPRS 無線通信技術(shù)不斷發(fā)展前提下，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣象監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)過測試，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣象監(jiān)測系統(tǒng)中的節(jié)點可形成網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)可以方便、高效地管理多個氣象監(jiān)測節(jié)點，有效地獲取和處理氣象數(shù)據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，該系統(tǒng)實用價值高，可操作性強。