基于北斗导航的线路巡检数据传输系统设计

刘呈昌，刘 阳，杨世威，程 麒

(国网丹东供电公司，辽宁 丹东 118000)

输电线遍布全国，时常面临着自然环境和人为造成的破坏。如阳光、雨水会加重输电线的老化，导致电流输送不稳甚至发生安全事故。因此，对输电线的日常巡检非常必要。通过日常巡检可以及时发现线路和周围环境存在的安全隐患，采用合适的处理方式及时清除隐患，能够保障用户的稳定使用和电力设备的安全运行[1]。

人工巡检模式不仅效率低而且需要大量人力资源，在人工巡检过程中还容易发生触电危险。目前的线路巡检多采用在铁塔顶端安装检测器的方法检测区域内的输电线路状态，并采用全球定位系统(GPS)来对故障线路进行定位。但是在实际应用中，GPS常因信号不稳导致无法正常通讯，安全性和及时性难以保障，且无法传递巡检数据[2-4]。为了提高线路巡检的工作效率，本文在铁塔的检测器中，设计了以北斗导航技术为基础的线路巡检数据传输系统。

1 基于北斗导航的线路巡检数据传输系统硬件设计

基于北斗导航的线路巡检数据传输系统硬件框架如图1所示，系统由控制模块、传感器模块、北斗模块和电源模块四部分构成，实现巡检器的数据采集和数据传送功能，拓展了传统检测器的通讯方式。

图1 基于北斗导航的线路巡检数据传输系统硬件框架

北斗导航系统主要通过蓝牙、WiFi、GPRS等设备实现不同距离、不同模式的实时无线通迅、数据传输、记录以及监控，使用GPS/GPRS双模定位系统提高了定位的准确率，水平定位精度为0.2 m。传输系统遵循NMEA-D183协议以特定的格式输出数据，同时也接收控制器对北斗模块的控制指令[5]。蓝牙模块型号为SM-A562，若故障线路在检测器10 m范围内，当巡检员到达检测器附近，蓝牙将自动发送信号，引导巡检员到故障线路处。蓝牙可使短距离内的传输效率更高，信号更加稳定[6]。WiFi模块具有4G数据传输、短信传输、智能定位等多种功能，可在网络覆盖区实现信息传递。GPRS模块配合控制器可以实现远距离云端数据传输，使数据传输范围不受限制，实现全球范围内的数据传输。

1.1 控制模块设计

控制模块采用的主控制器是由英国ARM公司生产的ARM920T控制器，该控制器微处理器为32位，采用嵌入式的方法安装在铁塔检测器上，通过ARM+DSP的SOC结构获得实时操控系统，多个系统定时器共同控制芯片的工作，两个I/O接口用于接收传感器模块采集的数据和发送控制指令[7]。

ARM920T控制器具有性能高、功耗低、成本低的优点，处理速度为0.9 MIPS/MHz，具有8 KB高速缓存，控制器在处理数据的同时可存储数据。控制模块是整个系统的核心，负责处理各模块数据，控制系统各个设备[8]。当系统开始运行后，ARM920T控制器会启动程序接收传感器采集的信息，并对信息数据进行预处理，剔除干扰数据，然后根据所得数据进行线路的风险评估，以风险评估为前提，将需要传输的数据传输到北斗模块，再由其将数据传送到指挥中心。控制模块的结构如图2所示。

图2 控制模块结构图

1.2 传感器模块设计

传统的传感器只能收集一种特定的信息，具有局限性。由于影响输电线路运行的因素较多，因此在传感器模块设置了多种传感器用于采集输电线路周围数据，使管理者能更好地掌握线路状态。新增传感器有湿敏传感器、光敏传感器、力敏传感器、红外传感器和霍尔传感器，这些传感器在系统的控制下共同工作，检测输电线路的湿度、光照强度、风速、温度、电流、电压等信息，并将接收到的信息按照一定的规律变成电信号输送至控制器，满足了对信息的采集传输、处理、储存、显示、记录和控制等要求[9]。传感器模块如图3所示。

图3 传感器模块设计

传感器模块通过北斗卫星定位到检测器所在位置的经度和纬度，从卫星定位数据中可以提取关键的经度值和纬度值，然后根据提取的经纬度数据构建输电线路。由于采集到的数据不同，因此对应的输电线位置也不同，通过在北斗导航系统中编写定位程序，就可以得到稳定的定位结果[10]。

在采集的经纬度数据中得到检测器的实际位置和输电线的终点位置后，即可采用周期性计算的数据计算方式，计算、判断检测器是否完成数据采集和数据传输。由于在传统的定位过程中会产生无法避免的误差，因此本文设计的数据传输系统将最大限度地实现零误差[11]。在使用定位检测器时，采用的定位方法为直线拟合法；在定位异常输电线时，采取的定位方法为曲线拟合法。需要特别强调的是，需要定位的检测器和输电线之间的距离不能过大，不然得到的结果会不够精确[12]。

1.3 电源模块设计

电源模块可以持续为以北斗导航技术为基础的线路巡检数据传输系统提供12 V的电压。根据不同设备对电压的需求，电源模块使用变频器将12 V电压转换成各个设备正常工作所需要的电压，以此来维持系统的持续运行[13]。

由于检测器大多位于铁塔的顶端，如果采用手工方式定期更换检测器电池，难度大且存在较大安全隐患，因此在电源模块中设计了太阳能电池板和小型风力发电机为系统供电。实验数据显示，当阳光充足时，每吸收1 h的太阳能可供系统持续工作37 h，考虑到部分地区雨季较长，在没有阳光时，改由小型风力发电机将风能转化为电能持续为电池模块供电[14]。电源模块电路图如图4所示。

综合考虑电源模块类型、使用环境和电量储存额度，选取目前最新研发的变频器应用微电子技术和变频技术，依靠开端内部IGBT以及改变工作电源频率的方式控制电源输出电压，从而为各个设备提供实际所需电压，达到节约电能的目的。变频器实物如图5所示，变频器内部设有过电压、欠电压、电流保护装置，可快速响应各种要求，在系统发生过流、过压、过载时，能对系统进行保护，且内部的操作设备通过变频器能对系统内部设备的工作电压和频率进行转换，为整体系统的工作效率提供保障[15]。

图4 电源模块电路图

图5 变频器示意图

2 基于北斗导航的线路巡检数据传输系统应用程序设计

2.1 基于北斗导航的线路巡检数据传输功能实现

以系统硬件设计为基础，利用ARM920T主控装置对系统设备进行控制。传感器模块在接收到控制指令后，采集所需要的信息并将信息转化为控制器可识别的电信号，由控制器对数据(电信号)进行初步的预处理并根据采集数据进行风险预估，将风险值较高的线路巡检数据传输至北斗模块，北斗模块接收到指令后将线路状态数据和线路定位信息传输回指挥中心，其工作流程如图6所示。指挥中心根据接收的数据判断输电线路的状态，对风险值较高的线路进行人工检修，及时更换达到使用寿命和损坏严重的线路，维持输电线正常的电力输送。

图6 基于北斗导航的线路巡检数据传输功能实现流程

2.2 风险预估功能的实现

为实现线路巡检数据的安全传输，需要进行风险预估。输电线路风险概率是检修输电线路的重要参考指标，也是判断输电线运行状态的一项重要数据。通过多传感技术收集与影响输电线运行状态因素对应的数据，并通过控制器对数据进行预处理，建立输电线的风险模型，从而计算出影响输电线运行状态相应因素的条件概率。影响输电线发生风险的因素用F1～F5 表示，其中：F1表示检测器所在区域的天气情况；F2表示铁塔所处的地理环境；F3表示输电线温度；F4 表示检测器投入运行时间；F5表示检测器的电压等级。初始决定系数见表1，表中A为最后决定属性，表示输电线的运行状态。

对表1中的影响因素进行数据采集，采用风险数据算法对数据进行风险预估计算，即可构建输电线发生风险的概率模型。用ARM920T主控制器计算输电线风险运行影响因素之间的信息，具体如图7所示。通过对该网络模型进行风险预估计算得出初始决定表中每个影响因素的条件概率，并通过概率计算得到输电线的风险运行概率。

表1 初始决定系数表

至此，完成对基于北斗导航的线路巡检数据传输系统的设计。

3 实验验证

3.1 实验目的

为检测基于北斗导航的线路巡检数据传输系统的传输能力，设计对比实验，选择传统数据传输系统和本文所设计的系统，在实验室中对同一输电线数据进行传输，比较它们的传输能力。

3.2 实验参数设置

设置的实验参数见表2。

表2 实验参数

3.3 实验过程

根据上述设定的参数进行实验，选取基于USB3.0接口的高速数据传输系统(系统1)、基于FPGA+W5100的数据传输系统(系统2)和基于北斗导航的线路巡检数据传输系统(设计系统)在相同的外界环境下，对同一检测器进行数据传输，记录实验结果。

3.4 实验结果与分析

1)传输数据量测试，结果如图8所示。

图8 传输数据量对比结果

由图可知，在电网数据大小为2 000 GB时设计的数据传输系统数据传输量为69 GB，而系统1的数据传输量为45 GB，系统2的数据传输量为41 GB；在电网数据大小为12 000 GB时，本文设计的数据传输系统数据传输量为131 GB，而系统1的数据传输量为82 GB，系统2的数据传输量为64 GB。造成差异的原因在于本文所设计系统是以北斗导航技术为基础对数据进行加工处理，在传输过程中降低了损耗，通过对数据不断进行分析计算，进一步提高了数据传输系统的数据传输效率。

随着实验时间的增加，本文设计的系统数据传输量不断增大，数据传输效率远高于传统系统。此种现象形成的原因为本文设计的数据传输技术采取了以北斗导航技术为基础的数据处理和传输方法，技术可靠性高，能够在一定时间内提高系统的整体数据传输量，并提供良好的数据传输环境，为下一次的数据传输进行预处理。而传统数据传输技术对数据传输步骤的处理能力较差，导致数据传输量和传输效率较低。

2)可靠性检测。

为了进一步检验设计的线路巡检数据传输系统的传输能力，进行了多次实验室模拟试验检测系统可靠性，结果见表3。

由表可知，5次检测中本文设计的系统数据传输成功率为100%，系统2的成功率为40%，系统1更低，成功率仅为20%，这是因为实验中系统1和系统2部分数据出现了缺包等误差现象，但是经过北斗导航系统对数据进行处理以及传输后，所有数据的传输成功率都有所提高，由此可见本文设计的系统将出现误差的可能性降到最低，提高了数据传输系统的可靠性，保障了数据传输系统的传输能力。

表3 传输是否成功检测结果

4 结束语

本文在传统数据传输技术的基础上设计了基于北斗导航的线路巡检数据传输系统，该系统的传输效果明显优于传统技术。在输电线路发生严重故障时，可通过该系统将故障数据实时传输到指挥中心，经过指挥中心处理后第一时间通知检修部门检测，从而提高线路巡检的工作效率和质量，延长线路的使用寿命。本文设计的系统在较大程度上减少了不必要因素的干扰，简化了实际操作过程，提升了系统工作性能，减少了数据传输时间，进而提高了数据传输的效率，减少了人力资源浪费，避免了巡检过程中可能发生的意外风险，更促进了北斗导航技术的发展。进一步扩大北斗导航系统的应用市场，能够使北斗导航系统向更具网络化、开放化的道路发展，使其逐渐从向亚太地区提供服务走向为全球提供导航服务。虽然本文设计的系统在数据传输量和可靠性方面得到了有效提升，但是在数据传输精准度方面还有所欠缺，未来将以数据传输精准度为主要研究内容，进一步提升本文设计系统的有效性。