勝利油田110 kV輸電線路在線監測系統的研制與應用

楊揚

（中國石油大學勝利學院機械與控制工程學院，山東 東營 257061）

勝利油田電網架設特殊，電力線路多根據地下油藏走向架設，具有輸送離長、覆蓋范圍廣，暴露在曠野、沿海地區，遠離交通干線等特點，受到天氣、環境和人為因素的影響，導致電網事故頻發，而電網事故往往造成油井停運，影響油田產量。所以輸電線路一旦發生故障，就需要及時判斷故障類型及位置，從而進行故障排除或線路維護。常規的巡檢手段檢查周期長，并且油田輸電線路通常地處偏遠，給線路的維護帶來很大的困難，所以故障一旦發生無法第一時間發現隱患，同時受到各類技術及條件的限制，輸電線路上的實時信息也無法實時傳輸至控制中心。同時，隨著信息化的建設，輸電線路的狀態檢測也由原來的人工巡檢逐步轉入到在線狀態監測，大量的檢測設備同時投入使用，對產生的海量數據在短時間內進行收集和處理、實現狀態監測，并利用這些數據保障輸電線路安全可靠運輸，對提高電力系統穩定和安全方面有著重要的意義，因此研究基于無線傳感器網絡的輸電線路綜合在線監測系統是十分必要的。

針對輸電線路覆冰、大風、雷擊等外力破壞因素對輸電線路穩定運行造成的影響，國內目前多采用建立各類工況環境信息模型，從多種數據融合分析的角度開展輸電線路多種環境信息模型的研究[1-2]；以提高輸電線路安全性和可靠性為目的，結合氣象數據、線路臺賬信息、走廊內地質信息等，構建以故障隱患、運行特征和氣象條件為基礎的輸電線路地質災害預警決策模型，并在工程應用中采取防治措施[3]?；跓o線互聯網輸電線路工程現場監控終端包括CPU及與其相連接的無線通訊模塊、GPS定位模塊、拍照模塊、存儲模塊、系統內存、觸摸模塊、顯示模塊和供電模塊等[4]。

選擇適用于油田高壓輸電線路的多類檢測傳感器，并與勝利油田供電公司合作，開發一套針對110 kV輸電線路27 km 90基桿塔的在線監測系統，對線路進行24 h實時監控。該系統利用傳感器技術、電源管理技術和無線網絡通訊技術，保證系統能夠實時、快速、準確地將圖像和數據傳回到監控中心。分布式的架構體系建立靈活、開放、穩定、可靠的輸電線路智能化監測平臺，可以數字化、可視化地對輸電線路運行狀態信息。

1 監測系統總體設計

針對油田某110 kV輸電線路鐵塔設計并開發一套在線監測系統，利用STM32F103RCT6單片機及與其控制的外設對鐵塔狀態進行監測。GPRS用于實現組網和定位，STM32F103RCT6用于獲取傳感器檢測的數據，再通過GPRS模塊與另一塊連接網關的GPRS模塊進行通信并通過TCP/IP協議上傳至服務器中，以此實現物聯網的組網，數據傳輸保存至服務器中。此時，工作人員可以通過客戶端軟件隨時查看數據，其中，GPRS功能可以實現當出現故障時快速準確地定位鐵塔位置，從而確定鐵塔號，方便后續人工檢修或者進行其他事故處理方案，其總體整體結構圖如圖1所示。

圖1 智能預警裝置整體結構圖

2 系統硬件設計

2.1 傳感器的選擇

通過分析油田高壓輸電線路多發事故類型，判斷在線監測系統所需采集的數據類型，選擇多種傳感器，主要分三類：①微氣象監測模塊：主要采集風速、風向、大氣壓強、環境溫濕度；②傾角監測模塊：采用十軸陀螺儀姿態傳感器，測量鐵塔的傾斜角；③圖像采集模塊：通過攝像頭采集圖像數據或視頻。

2.1.1 加速度傳感器

系統采用的是十軸陀螺儀姿態傳感器，用來測量鐵塔的傾斜角，如圖2所示，把加速度傳感器固定在鐵塔水平面上，當輸電線鐵塔姿態改變時，加速度傳感器的敏感軸隨之轉動一定的角度，由于重力的作用，敏感軸上的加速度會發生改變，從而測得鐵塔的傾斜角。

圖2 加速度傳感器

2.1.2 微氣象傳感器

系統采用的風速風向變送器由風速傳感器、風向傳感器、傳感器支架組成。該組件由3個或3個以上的風杯、轉軸、機身組成，每兩個相鄰的風杯都會呈現出對等的夾角。這種風速傳感器是利用風吹動風杯會產生不同轉速的原理設計的，可連續監測電塔的周圍風速、風量（風量=風速×橫截面積）大小，能夠對電塔的周圍風速風量進行實時顯示[5]。風向傳感器是一種測量風的水平方向的氣象儀器，可測量室外環境中的近地風向[6]。通常風向傳感器大多采用風向標，當風吹向風向標尾部的尾翼時，風向標的箭頭所指方向就是風吹過來的方向。圖3是風速、風向傳感器。

圖3 風速傳感器和風向標

監測環境溫濕度及大氣壓強的傳感器如下：溫度傳感器為熱敏電阻，阻值隨溫度的增加而降低，測量范圍是-40～80℃；濕度傳感器原理為水蒸氣吸附在感濕膜上，原件上的電阻率和電阻值都會發生變化，由此可以測量導線濕度，量程是0% RH～100% RH；壓力傳感器是以空氣壓力為傳導對象，實現感應控制的控制感應器，它能夠根據壓力的大小不斷變換電阻大小，從而改變電路中的電流的大小，然后會發出不同的電信號，實現大氣壓強的測量，量程是0～120 kPa，工作溫度為-20～+60℃，三者均由直流電壓10～30 V供電。

2.1.3 網絡攝像頭

項目采用成品?？低晹z像頭DS-2CD3T25 FD-15SGLE型，其支持移動、聯通、電信4GSIM卡，進行4G傳輸，理論上速度可達到100 Mb/s[7-8]。結合3D降噪、背光補償技術，大幅度提升了逆光環境的圖像質量，畫質更清晰，ICR紅外濾片式日夜轉換，可進行圖像清晰的晚間視頻監控、IP67級防水防塵設計，理想工作溫度范圍在-30～60℃之間，濕度小于95%（無凝結），在外界環境中可應對風吹日曬和雨雪天氣，設備具有音頻輸出接口，安裝外部音頻設備，若攝像環境中監測到有人為破壞線路運行，可通過遠程呼叫、喊話的方式，阻止破壞者的行為[9]。圖4為攝像頭采集畫面。

圖4 攝像頭采集畫面

利用上述傳感器和攝像頭可以實時采集傳輸線路區域檢測位置的狀態信息，建立多傳感器網絡的數據采集系統，利用加速度傳感器實現導線狀態在線監測（導線的懸垂、舞動等應力變化引起的桿塔自身的震動、傾斜角），風向風速傳感器、溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器實現導線微氣象監測（線路局部氣溫、濕度、氣壓、風速、風向、雨量等），并通過優化各類傳感器，實現對線路的實時數據采集。需要采集的數據類型如表1所示。

2.2 監測系統無線傳輸設計

把傳感器和監控攝像采集的數據傳遞到電力系統中，利用無線傳輸把搜集到的實時信息準確無誤地傳輸到電力內網。電力無線寬帶、無線公共通訊網絡、無線傳感網等不同類型的通訊網絡實現感知層和應用層之間的信息傳遞、路由和控制功能[10-12]。

2.2.1 GPM模塊設計

監測系統采用GSM模塊實現短信發送、語音通話、GPRS通信等功能，利用GSM模塊將GPS位置和STM32F103RCT6單片機獲取傳感器檢測的數據通過2G網絡、TCP/IP協議上傳至服務器中，可以隨時在服務器指定的數據庫中獲取數據，并顯示在圖形界面中。其中GPRS模塊采用安信可A9開發板[9]，該開發板是基于安信可A9G GPRS/GSM模塊的多功能開發板，可以用來驗證A9模塊的基礎通信功能和外設功能。該模塊具備基礎的電話/短信、GPRS聯網通信的功能，裝載了鋰電池充電管理、麥克風與揚聲器接口、USB通信接口、多個用戶按鍵/LED、TF卡槽、加速度傳感器、SPI接口、I2C2接口、ADC接口等，被廣泛應用于物聯網、車載、電力環境檢測等領域。根據開發板進行外圍電路設計，使用場效應管進行控制，實現I/O可控制的復位電路和電源管理。

表1 輸電線路故障智能預警裝置所需要采集的數據類型

2.2.2 RS485通信設計

測量風速、風向的傳感器通過485通信模塊傳送給單片機，因此需要485串口轉換器，將RS485通信轉換為串口輸出，實現TTL信號與RS485信號的互傳。RS485接口組成的半雙工網絡，一般是兩線制，多采用屏蔽雙絞線傳輸。在RS485通信網絡中，一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機，圖5為無線傳輸系統設計框圖。

2.3 系統電源模塊設計

線路在線監測系統對微氣象、導線狀態等多類傳感器和攝像頭進行數據采集之后，由監測控制器進行控制，以上功能模塊集成到PCB電路板中，該系統控制電路的PCB板除包括通信模塊、GPRS模塊、電壓采集模塊外，還由顯示模塊和電源模塊等組成。該系統電源由太陽能電池板發電，鋰電池作為電量的存儲媒介，將多余的電量進行儲存，保證設備的連續運作，ADC轉換電路監測剩余電量，傳感器數據通過485通信穩定傳輸至單片機進行處理，GPRS無線數據傳輸至服務器后臺進行數據分析、累積和顯示。

圖5 無線傳輸系統框圖

由于太陽能電池板對天氣的變化非常敏感，當光線強度變化很大時，太陽能電池板輸出功率波動也非常大，若直接使用光伏板給電池充電，就會對電池產生損害。如圖6所示，利用PWM太陽能控制器對光伏板輸入的功率進行控制，使得在給電池充電時能夠達到穩定的狀態，減少對電池的損害，使用降壓芯片得到單片機正常工作的額定電壓。

圖6 太陽能供電系統

太陽能電池板發電后經過PWM自調節太陽能充電模塊，針對太陽能輸出功率不平衡問題進行實時調節，自調節太陽能充電模塊包括太陽能電池板接口、蓄電池接口、負載接口，可以起到穩定輸出電壓，保護電池充放電穩定，防止電路故障及放電電流過大等功能，其負載輸出接口電壓可跟隨蓄電池輸出電壓進行同步調節。隨著電池放電，電池電壓會逐漸下降，為此采用多路電池并聯的方式提高蓄電池容量達到放電時間長而電壓下降少的方案。由于攝像頭、揚聲器傳感器等負載工作電壓較寬，額定工作電壓范圍為9～12 V，而傳感器工作電流較小且需要實時監測，因此將模塊負載輸出電壓直接加在傳感器電源，保證傳感器工作。由于攝像頭與音響因功耗過高，使用時可進行遠程鏈接打開，無需實時工作，因此工作電源通過繼電控制工作。整套系統中電路板的工作電源由自調節太陽能充電模塊負載輸出接口電壓經過降壓穩壓電路，將輸出的12.6 V降壓為4 V供給GSM模塊，再通過降壓芯片將4 V轉為3.3 V單片機工作電壓，電路中瞬態抑制二極管TVS起到了防止峰值電壓電流的作用。

由于太陽能電池板發電會受到天氣變化的影響，若處在陰雨時節太陽能光照嚴重不足，為了便于觀察電量的剩余情況，需要對電池進行電量監測，實時掌握設備運作情況。根據電池電量不同、電壓不同的原理實現電量檢測，電量監測方法是在電路中加了兩個分壓電阻，然后使用單片機對電壓進行ADC轉換。根據電壓大小監測電池電量剩余和預估在太陽能電池板無法工作時設備剩余的運行時間。設備中鋰電池采用三串四并的方式，一節鋰電池的標稱充滿電壓為4.2 V，三節串聯后充滿電壓可達12.6 V。

按照整體電路圖制作的控制電路板，將所有利用到的模塊集成在電路板上，具有體積小、安裝方便、重量輕、無線傳感網絡功耗低、自組織網絡、無線實時數據傳輸等特點。經過測試，控制板根據程序設計，隨著指令能夠完成連接互聯網、參數監測、數據發送、LED顯示、工作狀態監測等功能，說明控制電路板可以實現電塔狀態監測的要求。

3 系統軟件平臺設計

系統監測平臺為多用戶B/S結構的電力線路智能巡檢管理系統，系統采用ThinkPHP企業應用技術框架，采用分層模塊化功能設計，使系統具有良好的能力性。系統分電力線路智能巡檢管理和智能硬件檢測系統。后臺管理系統完全采用PHP語音進行開發，具有跨平臺特性，可以安裝部署到Windows Server（2008及以上）、Linux操作系統[10-12]。

系統平臺采用的Hibernate ORM數據映射模型，可部署到Oracle、SqlServer等大型數據庫，也可部署到PostgreSQL、MySQL等開源數據庫。應用服務器采用APache作為PHP應用部署容器。ActiveMq消息系統實現業務數據的實時推送，增強消息的實時性、可靠性，降低系統的復雜程度，并提高與其他業務系統的交互能力，輕松實現多系統平臺整合。管理平臺采用流行的前端WEB組件Bootstrap、EasyUi構建，界面美觀大方，能夠實現復雜的業務管理功能[13-15]。

3.1 平臺組成及關鍵技術

系統采用的關鍵技術主要由以下幾部分組成：ThinkPHP企業框架作為系統平臺的基本框架，對其他組件進行整合和管理；MVC三層控制模型使得系統平臺分層結構清晰易于擴展；Security安全框架分角色、分單位對用戶訪問權限進行控制，不同用戶配置不同角色，訪問不同的系統功能；ActiveMq消息中間件進行實時消息推送，如缺陷通知和實時定位；BootStrap風格前端設計界面采用流行前端風格展示；Hibernate數據庫ORM用于數據庫與JAVA對象數據的關系映射；Quartz定時任務執行框架用于周期性定時任務的執行；Amcharts、Echarts圖表組件，用于靈活展示巡檢數據[16]。

3.2 后臺管理系統

如圖7所示，安裝完成后，經過實驗發現各項指標符合要求，實時動態監測系統包括一個氣象監測站、GPRS傳輸模塊、控制中心。其中，低功耗的無線傳感器網節點能夠在高壓塔架周圍實現一個無線傳感網絡，采集環境溫度、風速、風向、日照、鐵塔狀態等數據，并通過每個塔架上的GPRS節點將數據回傳至控制中心。該設備準備在勝利油田電力公司開始進行長期測試以驗證是否達到要求，并且控制板保留的拓展性可以保證后續的其他需求在UI界面能看到實時更新的傳感器數據，并且加速度傳感器根據實時回傳的數據進行了圖像繪制，能夠使用戶直觀地感受到鐵塔的運行狀態。

4 結論

針對油田高壓輸電線路具有運送距離長、覆蓋區域廣，容易受天然環境及成分的影響較多等特點，而采用人工巡視耗費大量人力、物力，無法實時監測，攝像監控又存在數據量大、利用率低的問題，致使線路的運作維護工作存在較大的困難。項目設計了一套基于物聯網技術的輸電線路在線監測系統，該系統選取STM32F103RCT6單片機及其控制外設，配合多傳感器和攝像頭對鐵塔實時狀態參數（環境溫濕度、風速、風向、大氣壓強的檢測及高壓線路鐵塔振幅、經緯度）進行監測，通過GPRS模塊通信并使用TCP/IP協議上傳至服務器，同時設計基于網絡的多用戶B/S結構的電力線路后臺管理系統，該后臺采用ThinkPHP企業應用技術框架，分層模塊化功能設計，采用第三方百度Echarts加載服務器溫濕度、大氣壓強、風向、風速、振幅數據，通過圖表直觀的展示出來，便于用戶隨時查看線路實時數據。

圖7 后臺界面顯示圖