杨扬

（中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院，山东 东营 257061）

胜利油田电网架设特殊，电力线路多根据地下油藏走向架设，具有输送离长、覆盖范围广，暴露在旷野、沿海地区，远离交通干线等特点，受到天气、环境和人为因素的影响，导致电网事故频发，而电网事故往往造成油井停运，影响油田产量。所以输电线路一旦发生故障，就需要及时判断故障类型及位置，从而进行故障排除或线路维护。常规的巡检手段检查周期长，并且油田输电线路通常地处偏远，给线路的维护带来很大的困难，所以故障一旦发生无法第一时间发现隐患，同时受到各类技术及条件的限制，输电线路上的实时信息也无法实时传输至控制中心。同时，随着信息化的建设，输电线路的状态检测也由原来的人工巡检逐步转入到在线状态监测，大量的检测设备同时投入使用，对产生的海量数据在短时间内进行收集和处理、实现状态监测，并利用这些数据保障输电线路安全可靠运输，对提高电力系统稳定和安全方面有着重要的意义，因此研究基于无线传感器网络的输电线路综合在线监测系统是十分必要的。

针对输电线路覆冰、大风、雷击等外力破坏因素对输电线路稳定运行造成的影响，国内目前多采用建立各类工况环境信息模型，从多种数据融合分析的角度开展输电线路多种环境信息模型的研究[1-2]；以提高输电线路安全性和可靠性为目的，结合气象数据、线路台账信息、走廊内地质信息等，构建以故障隐患、运行特征和气象条件为基础的输电线路地质灾害预警决策模型，并在工程应用中采取防治措施[3]。基于无线互联网输电线路工程现场监控终端包括CPU及与其相连接的无线通讯模块、GPS定位模块、拍照模块、存储模块、系统内存、触摸模块、显示模块和供电模块等[4]。

选择适用于油田高压输电线路的多类检测传感器，并与胜利油田供电公司合作，开发一套针对110 kV输电线路27 km 90基杆塔的在线监测系统，对线路进行24 h实时监控。该系统利用传感器技术、电源管理技术和无线网络通讯技术，保证系统能够实时、快速、准确地将图像和数据传回到监控中心。分布式的架构体系建立灵活、开放、稳定、可靠的输电线路智能化监测平台，可以数字化、可视化地对输电线路运行状态信息。

1 监测系统总体设计

针对油田某110 kV输电线路铁塔设计并开发一套在线监测系统，利用STM32F103RCT6单片机及与其控制的外设对铁塔状态进行监测。GPRS用于实现组网和定位，STM32F103RCT6用于获取传感器检测的数据，再通过GPRS模块与另一块连接网关的GPRS模块进行通信并通过TCP/IP协议上传至服务器中，以此实现物联网的组网，数据传输保存至服务器中。此时，工作人员可以通过客户端软件随时查看数据，其中，GPRS功能可以实现当出现故障时快速准确地定位铁塔位置，从而确定铁塔号，方便后续人工检修或者进行其他事故处理方案，其总体整体结构图如图1所示。

图1 智能预警装置整体结构图

2 系统硬件设计

2.1 传感器的选择

通过分析油田高压输电线路多发事故类型，判断在线监测系统所需采集的数据类型，选择多种传感器，主要分三类：①微气象监测模块：主要采集风速、风向、大气压强、环境温湿度；②倾角监测模块：采用十轴陀螺仪姿态传感器，测量铁塔的倾斜角；③图像采集模块：通过摄像头采集图像数据或视频。

2.1.1 加速度传感器

系统采用的是十轴陀螺仪姿态传感器，用来测量铁塔的倾斜角，如图2所示，把加速度传感器固定在铁塔水平面上，当输电线铁塔姿态改变时，加速度传感器的敏感轴随之转动一定的角度，由于重力的作用，敏感轴上的加速度会发生改变，从而测得铁塔的倾斜角。

图2 加速度传感器

2.1.2 微气象传感器

系统采用的风速风向变送器由风速传感器、风向传感器、传感器支架组成。该组件由3个或3个以上的风杯、转轴、机身组成，每两个相邻的风杯都会呈现出对等的夹角。这种风速传感器是利用风吹动风杯会产生不同转速的原理设计的，可连续监测电塔的周围风速、风量（风量=风速×横截面积）大小，能够对电塔的周围风速风量进行实时显示[5]。风向传感器是一种测量风的水平方向的气象仪器，可测量室外环境中的近地风向[6]。通常风向传感器大多采用风向标，当风吹向风向标尾部的尾翼时，风向标的箭头所指方向就是风吹过来的方向。图3是风速、风向传感器。

图3 风速传感器和风向标

监测环境温湿度及大气压强的传感器如下：温度传感器为热敏电阻，阻值随温度的增加而降低，测量范围是-40～80℃；湿度传感器原理为水蒸气吸附在感湿膜上，原件上的电阻率和电阻值都会发生变化，由此可以测量导线湿度，量程是0% RH～100% RH；压力传感器是以空气压力为传导对象，实现感应控制的控制感应器，它能够根据压力的大小不断变换电阻大小，从而改变电路中的电流的大小，然后会发出不同的电信号，实现大气压强的测量，量程是0～120 kPa，工作温度为-20～+60℃，三者均由直流电压10～30 V供电。

2.1.3 网络摄像头

项目采用成品海康威视摄像头DS-2CD3T25 FD-15SGLE型，其支持移动、联通、电信4GSIM卡，进行4G传输，理论上速度可达到100 Mb/s[7-8]。结合3D降噪、背光补偿技术，大幅度提升了逆光环境的图像质量，画质更清晰，ICR红外滤片式日夜转换，可进行图像清晰的晚间视频监控、IP67级防水防尘设计，理想工作温度范围在-30～60℃之间，湿度小于95%（无凝结），在外界环境中可应对风吹日晒和雨雪天气，设备具有音频输出接口，安装外部音频设备，若摄像环境中监测到有人为破坏线路运行，可通过远程呼叫、喊话的方式，阻止破坏者的行为[9]。图4为摄像头采集画面。

图4 摄像头采集画面

利用上述传感器和摄像头可以实时采集传输线路区域检测位置的状态信息，建立多传感器网络的数据采集系统，利用加速度传感器实现导线状态在线监测（导线的悬垂、舞动等应力变化引起的杆塔自身的震动、倾斜角），风向风速传感器、温湿度传感器、大气压力传感器实现导线微气象监测（线路局部气温、湿度、气压、风速、风向、雨量等），并通过优化各类传感器，实现对线路的实时数据采集。需要采集的数据类型如表1所示。

2.2 监测系统无线传输设计

把传感器和监控摄像采集的数据传递到电力系统中，利用无线传输把搜集到的实时信息准确无误地传输到电力内网。电力无线宽带、无线公共通讯网络、无线传感网等不同类型的通讯网络实现感知层和应用层之间的信息传递、路由和控制功能[10-12]。

2.2.1 GPM模块设计

监测系统采用GSM模块实现短信发送、语音通话、GPRS通信等功能，利用GSM模块将GPS位置和STM32F103RCT6单片机获取传感器检测的数据通过2G网络、TCP/IP协议上传至服务器中，可以随时在服务器指定的数据库中获取数据，并显示在图形界面中。其中GPRS模块采用安信可A9开发板[9]，该开发板是基于安信可A9G GPRS/GSM模块的多功能开发板，可以用来验证A9模块的基础通信功能和外设功能。该模块具备基础的电话/短信、GPRS联网通信的功能，装载了锂电池充电管理、麦克风与扬声器接口、USB通信接口、多个用户按键/LED、TF卡槽、加速度传感器、SPI接口、I2C2接口、ADC接口等，被广泛应用于物联网、车载、电力环境检测等领域。根据开发板进行外围电路设计，使用场效应管进行控制，实现I/O可控制的复位电路和电源管理。

表1 输电线路故障智能预警装置所需要采集的数据类型

2.2.2 RS485通信设计

测量风速、风向的传感器通过485通信模块传送给单片机，因此需要485串口转换器，将RS485通信转换为串口输出，实现TTL信号与RS485信号的互传。RS485接口组成的半双工网络，一般是两线制，多采用屏蔽双绞线传输。在RS485通信网络中，一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机，图5为无线传输系统设计框图。

2.3 系统电源模块设计

线路在线监测系统对微气象、导线状态等多类传感器和摄像头进行数据采集之后，由监测控制器进行控制，以上功能模块集成到PCB电路板中，该系统控制电路的PCB板除包括通信模块、GPRS模块、电压采集模块外，还由显示模块和电源模块等组成。该系统电源由太阳能电池板发电，锂电池作为电量的存储媒介，将多余的电量进行储存，保证设备的连续运作，ADC转换电路监测剩余电量，传感器数据通过485通信稳定传输至单片机进行处理，GPRS无线数据传输至服务器后台进行数据分析、累积和显示。

图5 无线传输系统框图

由于太阳能电池板对天气的变化非常敏感，当光线强度变化很大时，太阳能电池板输出功率波动也非常大，若直接使用光伏板给电池充电，就会对电池产生损害。如图6所示，利用PWM太阳能控制器对光伏板输入的功率进行控制，使得在给电池充电时能够达到稳定的状态，减少对电池的损害，使用降压芯片得到单片机正常工作的额定电压。

图6 太阳能供电系统

太阳能电池板发电后经过PWM自调节太阳能充电模块，针对太阳能输出功率不平衡问题进行实时调节，自调节太阳能充电模块包括太阳能电池板接口、蓄电池接口、负载接口，可以起到稳定输出电压，保护电池充放电稳定，防止电路故障及放电电流过大等功能，其负载输出接口电压可跟随蓄电池输出电压进行同步调节。随着电池放电，电池电压会逐渐下降，为此采用多路电池并联的方式提高蓄电池容量达到放电时间长而电压下降少的方案。由于摄像头、扬声器传感器等负载工作电压较宽，额定工作电压范围为9～12 V，而传感器工作电流较小且需要实时监测，因此将模块负载输出电压直接加在传感器电源，保证传感器工作。由于摄像头与音响因功耗过高，使用时可进行远程链接打开，无需实时工作，因此工作电源通过继电控制工作。整套系统中电路板的工作电源由自调节太阳能充电模块负载输出接口电压经过降压稳压电路，将输出的12.6 V降压为4 V供给GSM模块，再通过降压芯片将4 V转为3.3 V单片机工作电压，电路中瞬态抑制二极管TVS起到了防止峰值电压电流的作用。

由于太阳能电池板发电会受到天气变化的影响，若处在阴雨时节太阳能光照严重不足，为了便于观察电量的剩余情况，需要对电池进行电量监测，实时掌握设备运作情况。根据电池电量不同、电压不同的原理实现电量检测，电量监测方法是在电路中加了两个分压电阻，然后使用单片机对电压进行ADC转换。根据电压大小监测电池电量剩余和预估在太阳能电池板无法工作时设备剩余的运行时间。设备中锂电池采用三串四并的方式，一节锂电池的标称充满电压为4.2 V，三节串联后充满电压可达12.6 V。

按照整体电路图制作的控制电路板，将所有利用到的模块集成在电路板上，具有体积小、安装方便、重量轻、无线传感网络功耗低、自组织网络、无线实时数据传输等特点。经过测试，控制板根据程序设计，随着指令能够完成连接互联网、参数监测、数据发送、LED显示、工作状态监测等功能，说明控制电路板可以实现电塔状态监测的要求。

3 系统软件平台设计

系统监测平台为多用户B/S结构的电力线路智能巡检管理系统，系统采用ThinkPHP企业应用技术框架，采用分层模块化功能设计，使系统具有良好的能力性。系统分电力线路智能巡检管理和智能硬件检测系统。后台管理系统完全采用PHP语音进行开发，具有跨平台特性，可以安装部署到Windows Server（2008及以上）、Linux操作系统[10-12]。

系统平台采用的Hibernate ORM数据映射模型，可部署到Oracle、SqlServer等大型数据库，也可部署到PostgreSQL、MySQL等开源数据库。应用服务器采用APache作为PHP应用部署容器。ActiveMq消息系统实现业务数据的实时推送，增强消息的实时性、可靠性，降低系统的复杂程度，并提高与其他业务系统的交互能力，轻松实现多系统平台整合。管理平台采用流行的前端WEB组件Bootstrap、EasyUi构建，界面美观大方，能够实现复杂的业务管理功能[13-15]。

3.1 平台组成及关键技术

系统采用的关键技术主要由以下几部分组成：ThinkPHP企业框架作为系统平台的基本框架，对其他组件进行整合和管理；MVC三层控制模型使得系统平台分层结构清晰易于扩展；Security安全框架分角色、分单位对用户访问权限进行控制，不同用户配置不同角色，访问不同的系统功能；ActiveMq消息中间件进行实时消息推送，如缺陷通知和实时定位；BootStrap风格前端设计界面采用流行前端风格展示；Hibernate数据库ORM用于数据库与JAVA对象数据的关系映射；Quartz定时任务执行框架用于周期性定时任务的执行；Amcharts、Echarts图表组件，用于灵活展示巡检数据[16]。

3.2 后台管理系统

如图7所示，安装完成后，经过实验发现各项指标符合要求，实时动态监测系统包括一个气象监测站、GPRS传输模块、控制中心。其中，低功耗的无线传感器网节点能够在高压塔架周围实现一个无线传感网络，采集环境温度、风速、风向、日照、铁塔状态等数据，并通过每个塔架上的GPRS节点将数据回传至控制中心。该设备准备在胜利油田电力公司开始进行长期测试以验证是否达到要求，并且控制板保留的拓展性可以保证后续的其他需求在UI界面能看到实时更新的传感器数据，并且加速度传感器根据实时回传的数据进行了图像绘制，能够使用户直观地感受到铁塔的运行状态。

4 结论

针对油田高压输电线路具有运送距离长、覆盖区域广，容易受天然环境及成分的影响较多等特点，而采用人工巡视耗费大量人力、物力，无法实时监测，摄像监控又存在数据量大、利用率低的问题，致使线路的运作维护工作存在较大的困难。项目设计了一套基于物联网技术的输电线路在线监测系统，该系统选取STM32F103RCT6单片机及其控制外设，配合多传感器和摄像头对铁塔实时状态参数（环境温湿度、风速、风向、大气压强的检测及高压线路铁塔振幅、经纬度）进行监测，通过GPRS模块通信并使用TCP/IP协议上传至服务器，同时设计基于网络的多用户B/S结构的电力线路后台管理系统，该后台采用ThinkPHP企业应用技术框架，分层模块化功能设计，采用第三方百度Echarts加载服务器温湿度、大气压强、风向、风速、振幅数据，通过图表直观的展示出来，便于用户随时查看线路实时数据。

图7 后台界面显示图