電力桿塔傾角和沉降狀態(tài)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：電力桿塔傾斜、沉降導(dǎo)致輸電線路、通信網(wǎng)絡(luò)中斷的事故日益增多。電力桿塔傾角和沉降狀態(tài)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)桿塔狀態(tài)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)4G通信上傳等功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)桿塔故障，對(duì)降低停電、通信中斷的風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。論文提出了一種基于ARM微處理器開發(fā)的用于監(jiān)測(cè)電力桿塔傾角和沉降狀態(tài)的系統(tǒng)，對(duì)涉及的硬件、軟件進(jìn)行了詳細(xì)介紹。測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，且設(shè)備使用太陽能板加蓄電池組合供電，實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：電力桿塔監(jiān)測(cè)；4G通信；嵌入式；太陽能板；組網(wǎng)；輸電線路

中圖分類號(hào)：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）04-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.011

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)用電設(shè)備、通信設(shè)備的依賴性不斷增強(qiáng)。在電力系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋率不斷提升的同時(shí)，電力系統(tǒng)和通信設(shè)備由于所處地理位置等原因，遭受到了自然和人為因素造成的諸如輸電桿塔[1-2]、

通信線路桿塔傾斜甚至倒塌等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致輸電和通信中斷事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行，更影響正常的生產(chǎn)和生活。在線路發(fā)生故障后必須及時(shí)找出故障點(diǎn)并予以清除，可通過巡線人員沿輸電線路的桿塔逐級(jí)查找并解除故障。但由于桿塔所處位置偏僻、分布廣泛和數(shù)量眾多，導(dǎo)致采用人工巡檢的方式造成日常檢查和排故工作量繁重，且耗時(shí)耗力，效率低下。同時(shí)，可能因不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障桿塔而釀成大規(guī)模的停電、通信中斷等事故。因此，相關(guān)部門急需穩(wěn)定可靠的智能儀器來解決這一難題。

文獻(xiàn)[3]利用特征點(diǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)，提出了一種智能提取電力桿塔關(guān)鍵點(diǎn)的方法，能簡(jiǎn)化對(duì)桿塔模型的預(yù)測(cè)過程。文獻(xiàn)[4]提出一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的電力桿塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]提出了一種使用無人機(jī)對(duì)電力桿塔進(jìn)行遙感測(cè)量的檢測(cè)技術(shù)。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了電力桿塔檢測(cè)的服務(wù)器端軟件系統(tǒng)，并給出了軟件集成的姿態(tài)測(cè)量和振動(dòng)噪聲去除方法。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于GPRS和太陽能供電的桿塔實(shí)時(shí)姿態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲得了平滑的優(yōu)化數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[8]分析了電路線路運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)信息的總量，并給出了一種多傳感器的大數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]給出了一種通過高精度GPS定位、測(cè)斜傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器和雨量計(jì)綜合實(shí)現(xiàn)對(duì)電力桿塔傾斜情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1為電力桿塔傾角和沉降狀態(tài)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)硬件組成結(jié)構(gòu)，主要包括：嵌入式MCU（STM32F103）、4G模塊[10]、LCD顯示、按鍵、電源等部分。

1.1 電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)供電使用3 W/10 V光伏板與3.7 V/10 000 mA·h鋰電池組合供電，充電電路采用電壓跟隨性BUCK降壓電路。后級(jí)電源部分的3.3 V DC/DC方案采用如圖2所示電路，使用AAT1153為所有器件供電，利用大電容確保RF電源放大器正常使用，承載強(qiáng)電壓降的峰值電流。在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)弱的情況下可以給4G通信發(fā)射器提供良好的瞬間電流，防止因?yàn)殡妷旱鋵?dǎo)致的系統(tǒng)欠壓或者處理器端口重枚舉。

1.2 傳感器設(shè)計(jì)

沉降傳感器使用氣壓型傳感器BMP280，其為壓阻式壓力傳感器，具有精度高、線性強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定和魯棒性高等特點(diǎn)，電磁兼容優(yōu)異，連接方便。

傾角傳感器使用基于MEMS技術(shù)的高性能三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。它包含三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)，三軸電子羅盤等運(yùn)動(dòng)傳感器。通過集成各種高性能傳感器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)核心算法引擎，結(jié)合高動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波融合算法，提供高精度、高動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)娜S姿態(tài)角度，可對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活配置。

1.3 通信部分設(shè)計(jì)

考慮到使用環(huán)境開闊，系統(tǒng)采用高效的ISM頻段射頻SX1278擴(kuò)頻芯片實(shí)現(xiàn)本地組網(wǎng)，工作頻段為410～

441 MHz，步進(jìn)信道頻率為1 MHz，共計(jì)32個(gè)信道，可通過設(shè)定AT指令實(shí)現(xiàn)在線修改串口速率、發(fā)射功率、空中速率、工作模式等參數(shù)。

數(shù)據(jù)也會(huì)通過4G通信上傳服務(wù)器，通信芯片選擇ME3630-C3BC-MP01，可以提供最大50 Mb/s上行速率和150 Mb/s下行速率，支持分集接收。ME3630-C3BC-MP01支持PAP、CHAP、PPP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和GNSS，Remote wakeup功能，SMS、GNSS支持FoTA空中升級(jí)。電路設(shè)計(jì)如圖3

所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，會(huì)先執(zhí)行初始化程序，依次初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO、UART、AT24C02和氣壓計(jì)BMP，然后等待4G模塊和無線通信模塊初始化。陀螺儀和氣壓計(jì)初始化后，會(huì)自動(dòng)讀取AT24C02中的初始數(shù)據(jù)，如果沒有初始數(shù)據(jù)記錄，系統(tǒng)會(huì)對(duì)當(dāng)前初始姿態(tài)持續(xù)進(jìn)行分析，濾除振動(dòng)雜波后認(rèn)定當(dāng)前姿態(tài)為初始位置和角度，并將位置數(shù)據(jù)存入AT24C02，防止掉電丟失。若上電時(shí)位置為非正確初始位置，可按校準(zhǔn)按鍵重新執(zhí)行初始位置檢測(cè)。主循環(huán)中會(huì)周期性進(jìn)行角度計(jì)算，高度換算，并實(shí)時(shí)檢測(cè)上傳沉降值，沉降值超限后會(huì)進(jìn)行中斷報(bào)警，中斷服務(wù)函數(shù)發(fā)送UART通信數(shù)據(jù)至4G模塊，通過短信報(bào)告，流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)所有應(yīng)用功能進(jìn)行了測(cè)試，包括對(duì)電力桿塔沉降值、傾斜角度、傾斜方向進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無線本地組網(wǎng)測(cè)試，4G網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)測(cè)試，沉降傾斜值超限短信報(bào)警及參數(shù)配置修改測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示，其中4G數(shù)據(jù)傳輸部分見表1所列。

4 結(jié) 語

論文基于嵌入式開發(fā)平臺(tái)開發(fā)了一套應(yīng)用于電力桿塔傾角和沉降狀態(tài)的組網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)并制作系統(tǒng)電源、傳感器、通信電路等硬件的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)初始化，參數(shù)顯示上報(bào)、超限報(bào)警等功能，并對(duì)所有功能進(jìn)行了測(cè)試，可為電力桿塔傾角和沉降狀態(tài)的組網(wǎng)監(jiān)測(cè)提供良好的平臺(tái)。

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收稿日期：2023-04-04 修回日期：2023-05-17

作者簡(jiǎn)介：江星華（1982—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。

萬 東（1982—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。