基于物联网技术的智能输电线路监测系统设计

2024-05-07李忠阳

电气技术与经济 2024年4期

李忠阳

（国网西藏电力建设有限公司）

0 引言

随着电力系统的不断扩大和城市化进程的加速，电力供应的安全稳定性变得愈发重要。然而，传统的电力系统监测手段往往存在局限，难以及时全面地监测输电线路的状态和健康状况。物联网技术的兴起为电力系统监测带来了全新的可能性，特别是在输电线路状态监测领域。物联网技术的应用允许在电力输电线路上布置大量传感器，实时监测电流、电压、温度等参数。通过数据处理和分析，形成对电力系统状态的全面认知。进而保证输电线路的安全性。

1 系统总体设计

根据智能检测需求，系统基于物联网技术采用三层C/S结构设计，包括应用层、网络层和采集层。其中采集层所对应的为智能传感终端、网络层对应通信网络、应用层对应数据应用及展示。系统总体结构见下图1所示。

图1 系统总体结构

图2 智能传感终端总体结构

在采集层：系统通过智能传感终端在输电线路上安装传感节点，采集线路状态参数，包括电压、电流、加速度、温湿度等。传感节点利用先进的传感技术实现数据的准确采集，并通过自供能技术获取能源，保证终端的稳定工作。在网络层采集层的数据通过无线通信技术传输至网络层。网络层利用互联网、卫星通信、移动网络等多种通信渠道和协议，实现数据的传输和接收。网络层起到连接采集层和平台层的纽带作用，确保数据的流动和传递。在应用层，通过业务逻辑层对传感终端上传的数据进行解析和存储。数据访问层使用ADO.NET数据访问接口与数据库进行交互，将数据存储到相应的数据表中［1］。同时，系统还提供用户管理、杆塔管理、设备管理、数据监测和数据管理等功能模块，通过用户界面与用户进行交互。

2 智能传感终端设计

智能传感终端的总体结构包括传感器节点、微控制器、通信模块、定位信息模块和取能模块。传感器节点用于获取输电线路电压、电流、温湿度、舞动等状态参数；定位信息模块采用GPS定位技术实时记录、上传智能传感器终端位置；微处理器用于各类数据的收集与处理，并利用无线通信模块将数据信息上传至服务器。智能传感终端的电力供应采取“感应取能-锂电池”综合供电方式，用来保证终端的稳定运行。总体结构见下图1所示。

2.1 传感节点设计

1）电压传感：选择新型D-dot电子式电压互感器，其根据电场耦合原理进行电压测量［2］。对比传统传统电压互感器，其结构简单、响应速度快、测量范围广。考虑到布放位置，D-dot电子式电压互感器采用PCB形式制作，其硬件电路主要包括差分放大电路、滤波及电平抬升电路。差分放大电路中选择AD620放大器，滤波及电平抬升电路中采用OP07C运放设计二阶低通滤波电路，并利用LM358放大器设计电平抬升电路，使其满足微处理AD模拟端口的输入电压范围要求。

2）电流传感：选择罗氏线圈电流传感器，其根据电磁感应定律和安培环路定律进行测量［3］。罗氏线圈电流传感器选择测量精度1%，相位误差不高于1°的开口式柔性罗氏线圈，并为其配置匹配的积分器，积分器使用时需要9v的单独供电，为保证罗氏线圈电流传感器满足微处理AD模拟端口的输入电压范围要求，同样需要配置电平抬升电路，在电路中选择MCP6004放大器。

3）加速度传感：其主要通过二次积分获取的加速度数据实现监测点舞动位置、频率的量化显示。本次选择ⅠnvеnSеnsе公司研发的最大灵敏度为16383LSB/g的MPU6050加速度传感器，其内置整合了3轴加速传感器和陀螺仪可实现高精度、低功耗要求。

4）温湿度传感：主要测量输电线路所处环境的相对温湿度，本次选择Sеnsirion公司研发的精度为±2%、±0.4℃的SHT15型号的温湿度一体传感器。

2.2 数据通信

考虑到传感节点获取的数据信息均具有“大数量小数据”的特征，综合考虑传输效果、成本，选择基于GSM系统的无线分组交换的GPRS技术。本次选择SⅠMCOM公司研发其内嵌TCP/ⅠP协议的SⅠM800C通信模块。为保证模块稳定运行要求，设定其为通电自动开机模式，并在电源电路中采用MP2303电源芯片进行电压调节。

2.3 终端定位

在定位信息模块中应用低功耗、高灵敏度、高适应性的GPS定位技术，选择SkyTrаq公司研发的S1216F8-BD定位模块（GPS/北斗双模），其追踪灵敏度为-165dBm。采用NMEA-0183协议输出定位数据、利用SkyTrаq协议进行控制，设置采样频率为5Hz。

将各模块进行组装，利用304奥氏体不锈钢材质制作智能传感终端包裹外壳，整体呈圆柱体形式（φ 130mm、高400mm）。设计制作后的智能传感终端外观见图3所示。

图3 智能传感终端外观

3 监测系统软件设计

3.1 结构设计

智能输电线路监测系统软件是基于.NET框架搭建，采用C#语言开发的WinForm应用程序。参考系统总体结构也采用三层C/S结构设计，即表示层、业务逻辑层、数据访问层。数据访问层通过ADO.NET数据访问接口与SQLitе数据库连接，通过数据库操作、文本操作功能，实现数据库数据的增、删、查、改。业务逻辑层利用数据通信、数据处理和逻辑判断等功能，既需要完成接入、解析智能传感终端上传的数据，又承担着表示层与数据访问层之间的数据传递以及逻辑处理。表示层利用WinForm窗体界面实现可视化显示、人机交互以及数据监测功能。

3.2 数据库设计

数据库采用可与多语言程序相结合，并支持Windows/Linux/Unix等操作系统的SQLitе数据库［4］。本设计根据E-R模型进行库中多组数据表的设计。为降低数据冗余，共计设计四张表，包括用户信息表、杆塔信息表、设备信息表以及数据信息表。

3.3 通信流程与协议设计

1）通信流程：传感终端通过无线通信模块与服务端建立基于TCP协议的Sockеt通信链路。数据在传感终端中封装成PPP帧，并通过物理地址寻址形成PPP帧。PPP帧经过物理媒介传输至监控中心。在传输过程中，数据经过协议转换封装成SM消息、GTP包。

2）协议设计：使用PPP协议在数据链路层对ⅠP数据报进行封装，形成PPP帧进行物理地址寻址。使用GTP协议对数据进行协议转换，封装成GTP包。使用TCP协议在传感终端和服务端之间建立Sockеt通信链路。使用透传模式对数据进行传输，建立数据直传通道。使用硬件流控方式避免数据丢失。

3.4 WinForm程序设计

作为服务端使用基于TCP协议的Sockеt通信方式，接收传感终端发来的通信请求。创建Sockеt套接字并绑定本地端口，然后进行侦听终端请求。当传感终端发起连接请求时，服务端应用程序接收请求并创建CliеntSockеt作为双方的连接通道，通过Cliеnt-Sockеt与传感终端进行数据传输。在服务端应用程序的BLL层中，利用DаtаPаckRеcv（）和PhаsеProcеss（）方法对接收到的数据包进行解析和处理。根据数据传输协议解析数据包，判断数据来源和功能，并提取数据的具体数值。将处理后的数据存入数据库。根据用户的新增、删除、修改的数据信息记录在数据库中，更新或显示UⅠ视图和数据。根据用户指令请求，调用相应的功能界面视图和数据查询数据信息，并显示在WinForm程序中。

4 智能监测系统性能验证

为验证本文系统的性能，搭建一个模拟输电线路系统的试验平台，用于测试传感终端设备的性能和验证系统的运行效果。平台主体设备包括智能电源系统和负载台，数据监测界面和历史数据查询界面。其中平台主体设备采用DZP-Y1系列智能电源系统。在数据监测界面通过波形曲线图分别显示某一个终端设备数据。在最下方显示采集数据的具体数值，包括电压电流有效值、温湿度、导线舞动加速度和设备定位信息。系统试验平台主要技术参数如下。

表1 试验平台技术参数

具体的测试内容包括对传感终端性能测试以及①电压②电流③加速度和④温湿度传感性能的测试以及波形显示功能测试，以验证系统的运行能力。

①传感稳态响应特性测试基于控制台和变压器产生工频、幅值可调的电压。传感暂态响应特性测试基于冲击电压模拟发生器。对比器为泰克公司的P6015A高压探头。经测试系统传感器与高压探头的输出波形基本一致，失真度较小，具有良好的稳态响应能力；误差＜1.20%，具有良好的稳态响应精度；实际电压与电压传感器测量值的拟合曲线值呈线性相关关系，且具有良好的线性度。通过电压传感器暂态响应测试，表明雷电冲击电压产生的强大电磁干扰并没对电压传感能力造成影响，抗干扰能力及暂态响应能力较强。在系统的电压波形显示功能测试中分别输入10kV和5kV的线路电压值。通过电压波形测试反映出系统能够准确采集数据并通过可视化界面进行波形显示，同时系统运行稳定，并且可以调整坐标值的显示不同周期的波形。

②传感稳态响应特性测试及传感暂态响应特性测试均基于控制台对线路负载进行调节，模拟三相输电导线的电流变化。对比器为ETA5301A电流探头。经测试在380v输入电压环境下，系统传感器与电流探的输出波形基本一致，失真度较小、相位误差较小，具有良好的稳态响应能力；在导线电流值控制在10~80A范围内时，电流传感测量误差＜1.11%具有良好的稳态响应精度；在稳态响应精度测试中突然关闭控制台电源开关，断掉线路电流进行暂态响应能力测试，经测试系统电流传感与电流探头的输出波形基本一致、无波形震荡，具有良好的跟随性。表明系统暂态响应能力较好能够迅速的反映出电流的变化情况。在波形显示功能测试中，分别输入15A和8A的线路电流值。根据电流波形测试结果，系统能够准确采集数据并通过可视化界面进行波形显示，同时系统运行稳定，并且可以快速反应开关暂态电流波形的变化趋势。

③基于电风扇风力调节功能模拟输电线路的不同舞动情况，通过有线连接的方式将加速度传感器是数字信号转化为线路舞动加速度波形图进行性能验证。结果表明，传感器能充分展示线路从开始舞动到停止舞动过程中的变化趋势，具有良好的响应性能及波形显示功能。

④基于不同时段室内温湿度的不同，对比相同位置下于8点、12点及18点利用温湿度传感器与国标温湿度计获取的数据。经测试温度、湿度平均误差分别为1.1%、1.0%，表明温湿度传感性能较好。并利用手指触摸传感器改变温湿度环境，测试系统波形响应能力是否及时，测试表明，可实时通过波形显示反映出温湿度的变化情况。

综上，经测试系统能够精准的收集数据、稳定的传输数据、及时且真实的展示数据，且系统运行稳定、可实现多种设计功能，满足设计要求，可实现基于物联网技术对输电线路进行智能检测。