基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸電桿塔運維監(jiān)測系統(tǒng)新型設(shè)計與應(yīng)用

國網(wǎng)山東省電力公司青島公司 魏 振 王政國

NB-IoT（基于寬帶蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的新型窄帶智能物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)）是指運用3GPPT的技術(shù)標準而設(shè)計實施的窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)技術(shù)，它主要指的是一種面向用于長距離、低功耗速率、低功耗、多頻段終端終點業(yè)務(wù)的窄帶智能應(yīng)用設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)技術(shù)，系統(tǒng)的通信功耗低、成本低、連接網(wǎng)絡(luò)能力強、覆蓋區(qū)域能力強等這是它的NB-IoT 主要技術(shù)優(yōu)勢，特別是最適合面向遠距離、多節(jié)點終端業(yè)務(wù)智能應(yīng)用設(shè)備的窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)技術(shù)。NB-IoT 主要是低功耗速率窄帶高寬度窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，采用的端接口到點終端系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)。

隨著目前物聯(lián)網(wǎng)在移動通信行業(yè)發(fā)展中的廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)了一種人與物之間的移動通信無線連接。2016年6月，該相關(guān)應(yīng)用技術(shù)標準的三個版本核心內(nèi)容已經(jīng)基本編寫工作完成，并正式開始對外公開發(fā)布了3GPP LTE R13版本，形成了推動我國基于NBIoT 的第一套應(yīng)用技術(shù)標準使用信息系統(tǒng)技術(shù)標準安全管理體系與技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全管理體系架構(gòu)，這樣就有效地地促使了推動我國形成NB-IoT 技術(shù)應(yīng)用信息系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)信息技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)生態(tài)安全鏈條的健康發(fā)展，有利于有效推動我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)向乃至全國更多不同技術(shù)行業(yè)和各領(lǐng)域應(yīng)用進行更加規(guī)范化的推廣與廣泛規(guī)范使用[1]。

在輸電桿塔傾斜度監(jiān)測系統(tǒng)的領(lǐng)域上，前人們大多數(shù)用ZigBee 組網(wǎng)技術(shù)、GSM 模塊或GPRS 模塊與上位機軟件來達成遠程監(jiān)測的目的。而泛在電力物聯(lián)網(wǎng)也得到快速的發(fā)展，把物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到電力領(lǐng)域上，可以極大的減少經(jīng)濟損失，能很大程度上提高對電力的利用率[2]。RIFD 通信技術(shù)和NB-IoT 技術(shù)無論在功耗上、傳輸距離上、成本上都比原有的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)占有絕對的優(yōu)勢，所以本系統(tǒng)在基于低功耗廣域網(wǎng)的基礎(chǔ)上與傾斜傳感器MPU6050相結(jié)合，完成了對輸電桿塔狀態(tài)的遠程實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

系統(tǒng)的設(shè)計是本著提高目標系統(tǒng)的簡單性、經(jīng)濟性、適應(yīng)性、完整性、一致性、靈活性、可靠性、系統(tǒng)的運行效率和安全性為基本原則，并適用于中型、大型的多點實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)區(qū)域化監(jiān)控、自由化檢索、智能化管理等基本功能[3]。系統(tǒng)設(shè)計的原則來源主要分為以下三個方面。

相對復(fù)雜的氣象環(huán)境。由于輸電桿塔監(jiān)測系統(tǒng)安裝在室外環(huán)境，更多的是安裝在野外環(huán)境，受氣象條件因素的影響非常大，所以，必須保證系統(tǒng)在各種復(fù)雜的氣象條件下依然能夠正常運行并且數(shù)據(jù)準確。

相對復(fù)雜的地理環(huán)境。野外的輸電桿塔一般都處在高山、河流附近和較空曠的地理位置，有些特殊的地理位置會對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸有著干擾性，比如森林樹木茂盛和高山巖石較多。所以，就必須保證系統(tǒng)的無線傳輸硬件有著很強的抗干擾性，能夠使數(shù)據(jù)實時的、準確的傳輸下去。

材料以及成本。在中國，輸電桿塔的數(shù)量龐大，所以本實驗在設(shè)計之初就想到了低成本的基本原則，本實驗中選用的主控芯片、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、傳感器模塊、電源模塊都屬于低成本，并且使用壽命極長，功能特性也足以應(yīng)對本系統(tǒng)的應(yīng)用，極大的滿足了系統(tǒng)設(shè)計的初衷。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)有關(guān)部門的大量統(tǒng)計的輸電桿塔傾斜事故可以知道，地理位置處于野外、采空區(qū)、高山等極差地理環(huán)境的輸電桿塔非常容易造成電力事故，如傾斜、倒折、平移等。常年發(fā)生的電力事故會經(jīng)常性影響輸電系統(tǒng)的正常運行，因此輸電桿塔在線實時監(jiān)測系統(tǒng)滿足的一些參數(shù)就顯得尤為重要，如切斜參數(shù)要精準、數(shù)據(jù)傳輸要穩(wěn)定、在線監(jiān)控要實時等。并且，現(xiàn)有的線路檢修和巡檢會浪費大量的人力物力，特別是對有一些存在安全隱患的桿塔不能及時發(fā)現(xiàn)，所以還要保證能夠快速的確定所發(fā)生事故輸電桿塔所在地，及時派人檢修。只有達到這些，才能從最根本上解決偏遠山區(qū)的輸電桿塔線路安全運行與快速檢修的難題。本文為了更大程度上解決以上的難題，設(shè)計了一種基于低功耗廣域網(wǎng)的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。其中無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)NB-IoT 技術(shù)與RIFD 組網(wǎng)技術(shù)在通信距離和速率上可以完美的勝任，傾斜傳感器MPU6050數(shù)據(jù)測量精準并且不易失幀，每個節(jié)點都具有單獨的測量模塊設(shè)備。

1.3 系統(tǒng)的功能

眾所周知，輸電線路是一個很大的系統(tǒng)，牽扯到的輸電桿塔更是數(shù)不勝數(shù)。所以本輸電桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)具有強大且穩(wěn)定的分析、統(tǒng)計以及顯示功能，最重要的是能夠直觀明了的給出輸電桿塔實時狀態(tài)的報警通知。然后結(jié)合管理人員通過云平臺數(shù)據(jù)信息進行分析處理，最后對檢修人員下達命令，及時對事故或者隱患進行解決，保證輸電線路的穩(wěn)定運行。本系統(tǒng)以電力物聯(lián)網(wǎng)為核心，以輸電桿塔傾斜度為主要監(jiān)測參數(shù)，搭建了一整套監(jiān)測系統(tǒng)。通過RIFD 技術(shù)，可以完美的解決野外等偏遠地區(qū)沒有網(wǎng)絡(luò)的問題。并且系統(tǒng)中可以自由添加傳感器，如風(fēng)向、風(fēng)速傳感器等，在傳感器方面可以按照需要添加。除此之外，系統(tǒng)還有如下幾點功能：

系統(tǒng)采用太陽能電池板與鋰電池相結(jié)合的供電方式，并且通過軟件設(shè)計使系統(tǒng)更加低功耗，在運行方面可以得到極大的保證；本系統(tǒng)可以延伸至多個子節(jié)點，可以完成對大區(qū)域輸電桿塔傾斜狀態(tài)的在線遠程監(jiān)控，這樣可以解決平常人工巡檢無法到達或者相對困難位置的窘境；系統(tǒng)穩(wěn)定性強。在學(xué)校范圍內(nèi)進行多次試驗，系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)能力強，并且具有較強的抗干擾能力；通過NB-IoT 模塊將數(shù)據(jù)上傳云平臺后，登錄賬號可以在云平臺設(shè)置相應(yīng)的報警觸發(fā)值，報警通知等?？梢允馆旊姉U塔運行人員更加方便處理、節(jié)約時間、減少損失等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傾斜傳感器

MPU6050本系統(tǒng)監(jiān)測對象對輸電桿塔的傾斜度參數(shù)，而此參數(shù)是衡量輸電桿塔狀態(tài)的重要因素，因此一定要保障數(shù)據(jù)的可靠性、穩(wěn)定性和準確性。本系統(tǒng)采用型號為MPU6050的三軸加速度傳感器。傾斜角度傳感器MPU6050為目前全球業(yè)內(nèi)首例整合性6軸高速運動圖像處理系統(tǒng)組件，相較于多數(shù)的組件解決方案，免除了傳統(tǒng)組合六軸陀螺儀與六軸加速器運動時間與轉(zhuǎn)軸之差的巨大問題，減少了大量的組件封裝占用空間，大約在4×4×0.9mm，在國際業(yè)界認為是極具革命性的產(chǎn)品尺寸，并且成本低廉。

MPU6050的快速剎車制動角度與行駛速度狀態(tài)感應(yīng)條件檢測器的條件感應(yīng)范圍分別為±250、±500、±1000與±2000°/sec（DPS），可準確性地實時追蹤快速與慢速車輛剎車時的動作。并且還在每個MPU6050模塊內(nèi)部分別設(shè)有一條自帶直流穩(wěn)壓電源控制線路，可以兼容3.3V 或5V 的嵌入式系統(tǒng)。支持多個MPU 的倉庫代碼源碼DMPU 倉庫是一個官方自動調(diào)制解調(diào)器檢測算法資源倉庫，配合卡爾曼自動濾波器調(diào)制解調(diào)的算法，能夠在各種沒有動態(tài)姿勢測量值的環(huán)境下準確性地檢測各個輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài)測量值的狀態(tài)，姿態(tài)測量值在當(dāng)前測量時的準確精度范圍可以直接達到0.01度。其中DMP 是InvenSense MPU（運動處理器）設(shè)備獨有的硬件特性，它可以通過傳感器數(shù)值計算四元數(shù)，執(zhí)行設(shè)備校準。DMP 映像（固件）存儲在MPU 的非永久性存儲器上，需要在每次芯片上電時更新到DMP 內(nèi)，以使能此功能。

2.2 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)模塊

本產(chǎn)品系統(tǒng)目前采用的模塊是上海穩(wěn)恒電子科技有限公司公司生產(chǎn)的產(chǎn)品型號名稱為N-WHNB73的一種NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)模塊，總的來說，本產(chǎn)品系統(tǒng)目前使用的這種NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)模塊主要因為具有以下四種基本優(yōu)勢：

廣覆蓋。較傳統(tǒng)的GPRS 等無線網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)模塊將能夠提供經(jīng)過改進之后的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和增益，達到了164dBm，比傳統(tǒng)現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)增強20dB，覆蓋面積可以擴大約100倍。

基本具備同時支持我國海量無線設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接的覆蓋能力。比傳統(tǒng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以提高50-100倍的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備數(shù)量，NB-IoT 的一個超大扇形連接區(qū)域就能夠同時支持10萬個設(shè)備連接，滿足大量設(shè)備聯(lián)網(wǎng)要求。并且它還支持低網(wǎng)絡(luò)延時的高敏感度和易于優(yōu)化的無線網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)，抗干擾能力極強。

低功耗。在一套完整的檢測系統(tǒng)中，NB-IoT 模塊負責(zé)向云平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，處于極其重要的地位。NBIoT 模塊在工作狀態(tài)時，最大發(fā)射電流為302mA，最大接收電流為64.5mA?？臻e狀態(tài)時為4.3mA，休眠狀態(tài)僅5μA。所以用在終端上的NB-IoT 終端模塊的平均待機時間大大提高了達到了10年之久。

待機成本低。本產(chǎn)品系統(tǒng)所用的終端NB-IoT終端模塊待機成本平均不足5美元，在網(wǎng)絡(luò)連接方面可以直接復(fù)用現(xiàn)有的移動通信基站設(shè)備，相比需要重新建網(wǎng)的無線通信模塊，更加節(jié)省成本。

2.3 云平臺

在完成子節(jié)點和主節(jié)點各部分軟件設(shè)計之后，需要進行注冊云平臺，修改云平臺中的相應(yīng)協(xié)議和參數(shù)，保證與系統(tǒng)軟硬件能夠進行數(shù)據(jù)交互。首先在一個云計算平臺中需要添加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備型號信息，通信協(xié)議可以選擇Modbusrtu，Modbusr 這是一種串行通信協(xié)議，非常容易用來進行系統(tǒng)部署和日常維護，目前已經(jīng)存在很多使用于通信串口、以太網(wǎng)以及其他能夠支持各種互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的連接網(wǎng)絡(luò)的最新版本，通?？梢杂脕順?gòu)建連接網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的采集與處理監(jiān)測器并控制到云系統(tǒng)中。

3 系統(tǒng)的功能測試與應(yīng)用

在輸電桿塔傾斜度監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計完成后，應(yīng)對系統(tǒng)進行功能性測試，主要包括RFID 模塊點對點通信測試、RFID 模塊多跳組網(wǎng)通信測試、NB-IoT 模塊實時數(shù)據(jù)上傳測試與報警功能測試。整個輸電桿塔傾斜度監(jiān)測系統(tǒng)共具有三個節(jié)點，兩個子節(jié)點與一個主節(jié)點，均是制作的模擬輸電桿塔。系統(tǒng)測試采用的機制是整體位于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，長期處于室外運行。

3.1 點對點通信測試

在整個監(jiān)測系統(tǒng)運行前，首先進行RFID 點對點通信測試。RFID 點對點通信可靠、穩(wěn)定是整個系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。將兩個子節(jié)點放置在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，子節(jié)點1固定設(shè)置在南區(qū)體育館附近，子節(jié)點2設(shè)置在電氣與信息學(xué)院附近，兩節(jié)點直線距離大約為750m，兩個節(jié)點均包含有RFID 通信模塊。子節(jié)點1南區(qū)體育館發(fā)送測試信息，子節(jié)點2連接電腦，用串口調(diào)試助手等待接收信息并打印。若綠燈呈規(guī)律性閃亮，則說明子節(jié)點2接收數(shù)據(jù)成功。在通過反復(fù)進行測試，實驗結(jié)果表明，在校園內(nèi)樹木、教學(xué)樓等地況極其復(fù)雜的環(huán)境下RFID 的點對點通信距離約為1km。在此范圍內(nèi)數(shù)據(jù)可以可靠傳輸。

3.2 實時數(shù)據(jù)上傳測試

多跳通信測試后，開始進行數(shù)據(jù)實時上傳云平臺測試。將子節(jié)點1、子節(jié)點2和主節(jié)點長時間放置在相應(yīng)的位置，整體位置處于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)。數(shù)據(jù)上傳云平臺后可以通過移動端和電腦端觀看實時數(shù)據(jù)，電腦端需要賬號登錄所注冊云平臺，移動端可以通過微信小程序、短信、郵箱來實時查看。如果任何節(jié)點（模擬輸電桿塔）出現(xiàn)傾斜或倒塌，云平臺會通過電腦端和手機端發(fā)送報警通知。我們選定時間為2019年7月28日來作為實驗數(shù)據(jù)測試。

3.3 報警功能測試

報警測試中還是選取子節(jié)點1作為對象。本實驗中，我選定的數(shù)據(jù)參數(shù)是繞X 軸旋轉(zhuǎn)的pitch，初步設(shè)定觸發(fā)值為1.5，如果模擬桿塔在晃動傾斜中此參數(shù)超出預(yù)定的觸發(fā)值，則會有報警通知。當(dāng)桿塔恢復(fù)原狀時，也會提示用戶桿塔恢復(fù)正常。在設(shè)定觸發(fā)值時，可以在三個參數(shù)里面設(shè)定多個，此實驗只設(shè)定一個觸發(fā)值，方便測試報警功能。移動端可以通過郵箱，短信和微信公眾號獲取報警信息，電腦端云平臺也可以獲取報警信息。