輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程可視監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭步陽(yáng)，盧啟碩

（國(guó)網(wǎng)淮南市潘集區(qū)供電公司，安徽淮南 232082）

0 引言

近年來(lái)大氣環(huán)境的演變，各種極端天氣交替出現(xiàn)，架空輸電線路絕緣子污閃、導(dǎo)線舞動(dòng)、覆蓋冰雪等情況出現(xiàn)愈加頻繁。檢修是為了保障電力設(shè)備安全運(yùn)行，影響著設(shè)備的利用率、事故率、人力、財(cái)力、物力的消耗程度，關(guān)系到電力企業(yè)的效益等問(wèn)題[1]。介紹輸電線路在線監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程可視監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以使管理人員知曉現(xiàn)場(chǎng)情況，預(yù)防事故的發(fā)生。

1 研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介

研究的主要內(nèi)容為輸電線路在線監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程可視監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)通過(guò)使用高性能的攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集，并通過(guò)數(shù)字圖像壓縮技術(shù)對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，再通過(guò)低功耗技術(shù)、GPRS/CDMA 無(wú)線通信技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，在線監(jiān)測(cè)的總體框圖如圖1 所示。

圖1 在線監(jiān)測(cè)的總體框圖

2 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程可視監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MSP430 微控制器

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入式微處理器可以采用TI（德州儀器）的16 位高性能處理器MSP430F14。微控制器還有I/O 的功能，通過(guò)連接的傳感器輸入信號(hào)，便可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以及對(duì)外的輸出控制[（2]圖2）。

圖2 基于MSP430 的無(wú)線監(jiān)控終端基本結(jié)構(gòu)

2.2 圖像采集

2.2.1 圖像傳感器

CCD 傳感器與CMOS 傳感器之間的差距不斷縮小，這兩種傳感器不僅有較高的靈敏度和分辨率，并且有著低成本以及低功耗的優(yōu)點(diǎn)[3]。

2.2.2 圖像壓縮技術(shù)

MPEG-4 采用現(xiàn)代圖像編碼方法，以人的視覺(jué)特性捕捉圖像信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵模瑥奈矬w的輪廓及紋理出發(fā)，支持交互功能[4]。

2.3 無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是在線監(jiān)測(cè)分機(jī)非常重要的部分，直接關(guān)系到采集終端的調(diào)試、功能和通用性[5]。通過(guò)GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)野外輸電線路的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議

采集的視頻頻數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮處理后，一般需要通過(guò)GPRS/CDMA 網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程終端或控制中心，目前主要采用的是TCP 和UDP 兩種協(xié)議。

2.5 在線監(jiān)測(cè)分機(jī)的電源

考錄到在線監(jiān)測(cè)分機(jī)工作環(huán)境特殊，電源采用太陽(yáng)能電池板。

（1）太陽(yáng)能板功率估算[6]。設(shè)負(fù)載的平均功率為PL，電池板光照時(shí)間內(nèi)的平均功率為Wt，光照發(fā)電時(shí)間為Th，電池的效率為ηh，則該電池的平均功率Wt計(jì)算由式（1）、（2）決定：

（2）蓄電池容量計(jì)算。設(shè)標(biāo)稱電壓為UB，與負(fù)載電壓UL相同，容量為P（AAh），綜合效率為ηB，陰雨天最長(zhǎng)時(shí)間為N，則蓄電池的容量計(jì)算由下式?jīng)Q定：

（3）實(shí)例分析。設(shè)某設(shè)備的供電要求為：在24 h 內(nèi)，供電電壓為12 V，負(fù)載的平均功率PL為0.45 W。無(wú)日照時(shí)間做多為一周，有效日照時(shí)間Th為5 h，效率為60%，則電池板和蓄電池容量的選擇如下：

太陽(yáng)能電池的選擇：選12 V 的太陽(yáng)能電池組件，功率Wt為：

實(shí)際可選12 V 組件5～10 W 的太陽(yáng)能電池板。

蓄電池的容量選擇：蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓UB應(yīng)選為12 V。取蓄電池的效率ηB為80%，則蓄電池的容量PA為：

實(shí)際可選12 V 組件12 Ah 的固體蓄電池。

3 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程可視監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安裝在電塔上的監(jiān)測(cè)分機(jī)由太陽(yáng)能蓄電池、高速一體化CCD 攝像機(jī)、編碼壓縮模塊、云臺(tái)、溫濕度、空氣流速等氣象傳感器等部分組成。具體的監(jiān)測(cè)分機(jī)設(shè)計(jì)原理如圖3 所示。

圖3 監(jiān)控分機(jī)原理

3.2 通信模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分機(jī)，其通信部分為基于ARM 和MC55 的串口透明數(shù)據(jù)傳輸模塊。GPRS 模塊和ARM 芯片LPC2131 之間的數(shù)據(jù)通信主要通過(guò)端口TXD0 與TXD1 之間，RXD0 與RXD1之間的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)完成[7]。

3.3 供電電源模塊設(shè)計(jì)

為監(jiān)測(cè)分機(jī)的供電電源原理如圖4 所示。

圖4 在線監(jiān)測(cè)分機(jī)的供電電源原理

3.4 傳感器選擇與設(shè)計(jì)

（1）集成溫濕度傳感器。傳感器采用的是SHT11/SHT71 系列，該傳感器將溫度感測(cè)以及濕度感測(cè)等功能都集成到一個(gè)芯片中，且有很高的精度和可靠性。

（2）風(fēng)速和風(fēng)向傳感器的選擇。風(fēng)速傳感器采用芬蘭Vaisala WAA15 風(fēng)速儀，是低門檻值（0.4 m/s）、測(cè)量的范圍為0～75 m/s的3 杯式光電風(fēng)速傳感器。

（2）風(fēng)向傳感器。采用8 風(fēng)向傳感器，其輸出具有8 個(gè)格雷編碼，能夠測(cè)出東、西、南、北、東南、西南、西北、東北8 個(gè)方向的風(fēng)向。

4 專家軟件的功能概述

輸電線路在線監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程可視監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心，即系統(tǒng)的管理終端是系統(tǒng)的核心。該系統(tǒng)管理終端應(yīng)具有命令發(fā)送、圖像接受和系統(tǒng)管理的功能。以系統(tǒng)專家軟件為例，它可以對(duì)采集的信息進(jìn)行查詢比較，以便于了解設(shè)備周圍環(huán)境狀況，從而預(yù)防事故的發(fā)生。系統(tǒng)監(jiān)視界面如圖5 所示，檢修人員在中心軟件系統(tǒng)便可以查看所有地區(qū)的輸電線路的圖像資料，再結(jié)合周圍氣象環(huán)境得出是否需要去現(xiàn)場(chǎng)巡視。

圖5 監(jiān)控界面

5 結(jié)束語(yǔ)

輸電線路在線遠(yuǎn)程可視監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路周圍氣象環(huán)境的全天候監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析設(shè)備所采集的各種信息，工作人員便可以推斷出是否需要派人去現(xiàn)場(chǎng)巡視。該系統(tǒng)不僅可以減少工作人員的巡視次數(shù)，并且由于可以實(shí)時(shí)檢測(cè)線路運(yùn)行情況，還提高了輸電線路運(yùn)行的安全性。