輸電線路山火預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)研制范文

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《電力系統(tǒng)保護(hù)與控制雜志》2015年第二十三期

摘要：

近年來頻發(fā)火燒山導(dǎo)致輸電線路跳閘，對(duì)輸電線路安全運(yùn)行造成了很大的影響。針對(duì)輸電線路長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)、山區(qū)公網(wǎng)信號(hào)覆蓋不到位的情況，提出利用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)特性、采用嵌入式技術(shù)和長(zhǎng)鏈狀低功耗路由算法。根據(jù)山火特性，開發(fā)了以山火探測(cè)終端、中繼器以及協(xié)調(diào)器組成的探測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)和基于B/S架構(gòu)與GIS的專家監(jiān)測(cè)軟件構(gòu)成的山火預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)。經(jīng)掛網(wǎng)運(yùn)行數(shù)月后表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確探測(cè)和傳輸火災(zāi)信息，為輸電線路山火預(yù)警提供了一種有效手段。

關(guān)鍵詞：

輸電線路；山火監(jiān)測(cè)；Mesh網(wǎng)絡(luò)；L-MPRP

隨著輸電線路等級(jí)的提高，做好輸電線路的安全保障顯得日益重要。近年來，福建電網(wǎng)因山火導(dǎo)致的輸電線路跳閘事故占總跳閘事故比重逐年上升。同時(shí)，因山火致線路絕緣水平劇烈下降，重合閘成功率較低，停電時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。對(duì)山火提前預(yù)警，對(duì)科學(xué)調(diào)度決策有重要的意義。現(xiàn)如今采用較為廣泛的防山火措施有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，衛(wèi)星遙感，紅外成像等。以上技術(shù)均能在一定區(qū)域內(nèi)捕捉火情并通過GPRS公網(wǎng)傳輸。但是不足在于輸電線路多布于人煙稀少地區(qū)，公網(wǎng)信號(hào)強(qiáng)度低甚至沒有信號(hào)。依賴于單技術(shù)探測(cè)火災(zāi)信息往往容易產(chǎn)生漏報(bào)或誤報(bào)。采用航空或者航天巡護(hù)費(fèi)用高昂且巡視周期間隔長(zhǎng)，無法應(yīng)對(duì)爆發(fā)性山火[2-4]。針對(duì)以上問題，研制了基于無線mesh網(wǎng)絡(luò)的輸電線路山火預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要特點(diǎn)在于結(jié)合輸電線路長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)與無線mesh網(wǎng)絡(luò)，突破了公網(wǎng)信號(hào)覆蓋限制，將輸電線路沿線探測(cè)到的火災(zāi)信息傳送到管理部門，拓展了監(jiān)測(cè)范圍。此外，提出的低功耗路由算法L-MPRP用于均衡網(wǎng)絡(luò)能量，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。終端探測(cè)設(shè)備采用多鑒探測(cè)，能極大降低誤報(bào)率，提高監(jiān)測(cè)可信度[4]。本套系統(tǒng)已掛網(wǎng)運(yùn)行于福建電網(wǎng)福中I路500kV線路沿線。

1系統(tǒng)原理

無線mesh即“多跳網(wǎng)絡(luò)”。其處理消息的方式是把信息包從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到信息包到達(dá)目的地。每個(gè)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可以作為接入終端，也可具有路由和信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，具有極高的組網(wǎng)自由度[5]。無線mesh網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，就可以建立起一套覆蓋范圍廣、高可靠性、低成本的輸電電力線路基礎(chǔ)通信系統(tǒng)。圖1為基于無線mesh網(wǎng)絡(luò)的山火預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)原理圖。采用ZigBee模塊與傳感模塊組成終端節(jié)點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的溫度、煙霧等火災(zāi)特征信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并傳至中繼器，由中繼器轉(zhuǎn)發(fā)其他AP傳輸來的信息，多次轉(zhuǎn)發(fā)后信息到達(dá)該子網(wǎng)的協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器把這些數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到服務(wù)器。由監(jiān)控服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析后產(chǎn)生預(yù)警和決策指導(dǎo)。為適應(yīng)輸電線路特殊的鏈狀地理形勢(shì)，采用樹狀mesh網(wǎng)絡(luò)。因相鄰的輸電桿塔間距多為1~1.5km，所以中繼器采用具有3km透?jìng)鞴δ艿脑鰪?qiáng)型Em357模塊。中繼器雙臺(tái)冗余布置安裝于輸電桿塔上，且相鄰桿塔間的中繼器為視距傳輸。因此，在樹狀mesh網(wǎng)絡(luò)中，信息既可以通過相鄰節(jié)點(diǎn)傳輸也可以通過中繼器進(jìn)行傳輸，不會(huì)因?yàn)閭€(gè)別節(jié)點(diǎn)的“消亡”影響其他節(jié)點(diǎn)的通信，提高了系統(tǒng)的可靠性。終端探測(cè)設(shè)備沿電力線兩側(cè)叢林中布設(shè)，布設(shè)間距為30~50m左右，并注意使終端探測(cè)設(shè)備的引出天線相互之間盡量滿足視距傳輸要求，并置于中繼器覆蓋范圍內(nèi)，這樣終端探測(cè)設(shè)備之間既可相互跳轉(zhuǎn)傳輸信息，而且也能與中繼器通信。

2基于L-MPRP的長(zhǎng)鏈樹狀Mesh網(wǎng)絡(luò)路由算法優(yōu)化

1)洪泛階段：在終端設(shè)備布設(shè)于網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中時(shí)，由協(xié)調(diào)器發(fā)起連接請(qǐng)求。在由附近中繼器接收到信息后，將自己的ID添加為源地址，并轉(zhuǎn)發(fā)路徑包。所有終端以第一次接收到的廣播中的源地址為路由表中的上一跳地址，并轉(zhuǎn)發(fā)廣播包；若非第一次接收到廣播包，則判斷上一跳是否為中繼器的廣播包，若是則更新路由表，為優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)路線；若不是則將其添加進(jìn)路由表，準(zhǔn)備多條傳輸路徑。2)數(shù)據(jù)發(fā)送階段：當(dāng)組網(wǎng)完成之后，網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)終端設(shè)備就可以通過路由表向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)包。3)路由修復(fù)階段：因終端設(shè)備多布設(shè)于森林地區(qū)，由于樹障、能量消耗等原因可能導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)、設(shè)備失聯(lián)的情況出現(xiàn)。為此，提出使用中間終端做路由修復(fù)的修復(fù)機(jī)制，即由失效終端的下一跳終端根據(jù)路由表順序發(fā)出路徑出錯(cuò)包，在其他的終端接收到接收路徑出錯(cuò)廣播包時(shí)，若自身可以做修復(fù)點(diǎn)，則在發(fā)送路徑應(yīng)答包時(shí)，同時(shí)更新路由表。為了驗(yàn)證無線mesh網(wǎng)絡(luò)中L-MPRP路由算法的可行性以及有效性。分別從節(jié)點(diǎn)剩余能量、網(wǎng)絡(luò)端對(duì)端的平均時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量三個(gè)方面與廣泛使用的AODV協(xié)議進(jìn)行對(duì)比，采用NS-2仿真平臺(tái)，用于仿真對(duì)比的網(wǎng)絡(luò)模型為長(zhǎng)鏈狀[6-11]。圖2給出了節(jié)點(diǎn)剩余能量的曲線圖。仿真結(jié)果表明L-MPRP路由協(xié)議相比較與AODV協(xié)議更能節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，降低路由開銷。對(duì)于僅用電池供電的無線mesh節(jié)點(diǎn)有很大的優(yōu)勢(shì)。此外，L-MPRP協(xié)議節(jié)點(diǎn)剩余能量相對(duì)平均，避免了“熱點(diǎn)”問題產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)不均等導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)消亡。圖3給出了端到端平均時(shí)延隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化關(guān)系。可以看出在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不大的時(shí)候，端到端時(shí)延差距不大。不過在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到100Kps以上時(shí)，L-MPRP協(xié)議因其多路徑特性相較AODV協(xié)議的時(shí)延有明顯下降。這在發(fā)生集群報(bào)警時(shí)，能降低傳輸時(shí)延，報(bào)警也更加迅速。圖4給出了mesh網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨仿真進(jìn)程的變化關(guān)系。隨著仿真進(jìn)行，L-MPRP協(xié)議與AODV協(xié)議最后均達(dá)到飽和。L-MPRP協(xié)議主要利用不休眠的雙臺(tái)中繼器進(jìn)行傳輸，在路徑跳轉(zhuǎn)過程中總能選擇最短路徑到達(dá)協(xié)調(diào)器。因此，L-MPRP協(xié)議較AODV協(xié)議能較好實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制與負(fù)載平衡，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量上更具優(yōu)勢(shì)。

3設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器是mesh網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)進(jìn)行通信的關(guān)鍵設(shè)備，它是數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟糠帧Ｓ布螹CU采用STM32系列低功耗芯片，GPRS模塊選用移遠(yuǎn)公司的M72模塊。由鉛酸電池與太陽能混合供電。中繼器的主要任務(wù)是維持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，它是整個(gè)系統(tǒng)的傳輸部分。硬件設(shè)計(jì)方面與探測(cè)終端基本相同，不同在于其Zigbee模塊采用增強(qiáng)型的EM357模塊。供電方式由鋰電池與太陽能混合供電。終端節(jié)點(diǎn)探測(cè)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。探測(cè)終端是進(jìn)行火情探測(cè)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的重要設(shè)備，它是整個(gè)系統(tǒng)的前端部分。根據(jù)山火的行為特性，可以從溫度、顆粒檢測(cè)兩個(gè)方面進(jìn)行探測(cè)[12]。硬件設(shè)計(jì)方面，采用TI公司的msp430系列16位超低功耗單片機(jī)及其他功能模塊[13]，外接Ember公司的EM357無線收發(fā)模塊，傳感器采用接觸式溫度傳感器DS18B20、非接觸式紅外溫度傳感器TS105-4，兩種溫度傳感器均可直接探測(cè)環(huán)境溫度。采用紅外光束來探測(cè)煙霧信息，其工作原理是紅外二極管定期發(fā)送脈沖，紅外接收器則不斷監(jiān)測(cè)是否有接收到脈沖信號(hào)，用來確定檢測(cè)腔內(nèi)是否有煙霧的存在。電路整體供電由高能鋰電池供電。

3.2軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)方面主要考慮設(shè)備的低功耗設(shè)計(jì)。其中，終端探測(cè)設(shè)備的CPU以間歇性進(jìn)入LPM3休眠方式，只開啟ACLK用來接收定時(shí)器或者外部通信中斷[14]。中繼器以及協(xié)調(diào)器是信息傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，因有太陽能供電而不進(jìn)入休眠狀態(tài)。特別要注意的是，協(xié)調(diào)器是mesh網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，若其進(jìn)入休眠狀態(tài)，則終端節(jié)點(diǎn)會(huì)不斷掃描信道以加入網(wǎng)絡(luò)，增加了節(jié)點(diǎn)能耗，加速節(jié)點(diǎn)“消亡”。因此協(xié)調(diào)器的能量供給采用高儲(chǔ)能的鉛酸電池與太陽能板混合供電以維持mesh網(wǎng)絡(luò)。因終端設(shè)備采用拋棄型布設(shè)，為防止尖峰脈沖干擾導(dǎo)致程序“跑飛”現(xiàn)象[15]，故使用msp430自帶的看門狗模塊，保障終端設(shè)備的正常運(yùn)行。Mesh模塊的工作機(jī)制設(shè)定為間歇性地進(jìn)入休眠狀態(tài)與載波偵聽狀態(tài)，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)能量節(jié)約以及報(bào)警的快速反應(yīng)。

4信號(hào)處理與分析

當(dāng)發(fā)生山火時(shí)，由沿電力線布置的終端探測(cè)設(shè)備探測(cè)到煙霧信號(hào)或溫度上升。其中DS18B20溫度信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，可直接采集得到，TS105-4輸出為模擬電壓信號(hào)，可由msp430內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換得到實(shí)際溫度。如圖7所示，煙霧報(bào)警信號(hào)則通過檢測(cè)煙霧檢測(cè)腔內(nèi)的紅外光束強(qiáng)度得到，當(dāng)煙霧進(jìn)入檢測(cè)腔后，紅外光束信號(hào)逐漸減弱則觸發(fā)后級(jí)報(bào)警器。為節(jié)省終端設(shè)備能量消耗，僅在采樣時(shí)控制使檢測(cè)電路進(jìn)入工作狀態(tài)。紅外接收元件采用硅光敏二極管，運(yùn)算放大器采用TLV2780。TLV2780主要功能是對(duì)光脈沖信號(hào)進(jìn)行線性放大，使其能由msp430內(nèi)的ADC轉(zhuǎn)換。考慮到探測(cè)器全天候的實(shí)際工作條件，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)傳感器提供的環(huán)境信息或多種信息綜合，及時(shí)、準(zhǔn)確地提供火情信息。當(dāng)終端探測(cè)設(shè)備探測(cè)到溫度數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值時(shí)，或檢測(cè)到煙霧產(chǎn)生，則發(fā)出火災(zāi)預(yù)警信號(hào)。

5火災(zāi)信息處理平臺(tái)應(yīng)用

如圖8所示為基于JAVA語言開發(fā)的B/S架構(gòu)的上位機(jī)平臺(tái)。其中線條代表線路，標(biāo)點(diǎn)為桿塔坐標(biāo)。通過結(jié)合GIS地圖與實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)的標(biāo)注，可以直觀準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況。當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，報(bào)警位置地圖標(biāo)注閃動(dòng)，發(fā)出警報(bào)音并立即發(fā)送短信。此外，還有數(shù)據(jù)庫查詢、日志中心、管理中心等多種應(yīng)用服務(wù)，為火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理。6小結(jié)利用無線mesh網(wǎng)絡(luò)建立的輸電線路山火預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輸電線路周圍山火的預(yù)警與可靠監(jiān)視，并在系統(tǒng)的健壯性與靈活性上更具優(yōu)勢(shì)。基于L-MPRP路由算法的長(zhǎng)鏈mesh網(wǎng)絡(luò)，在仿真驗(yàn)證下能較好地延長(zhǎng)終端設(shè)備的生命周期，修復(fù)失效路由鏈路。根據(jù)山火的行為特性，選取多種傳感量，降低了誤報(bào)概率。在軟件設(shè)計(jì)中，考慮多種設(shè)備耗能情況，并引入休眠機(jī)制，極大延長(zhǎng)終端的續(xù)航能力。在工程應(yīng)用中，采用低成本的拋棄型終端探測(cè)設(shè)備更能滿足實(shí)際布點(diǎn)密度需要，同時(shí)減少后期維護(hù)的工作量。所研制的輸電線路山火預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)已掛網(wǎng)運(yùn)行于福建電網(wǎng)福中I路500kV線路26-35桿塔沿線，該系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，能準(zhǔn)確探測(cè)和傳輸火災(zāi)信息，為保障輸電線路安全運(yùn)行提供了一種有效的山火預(yù)警輔助技術(shù)手段。

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作者：林銘瀚 胡永洪 薛毓強(qiáng) 凌飛鴻 單位：福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司