一種基于電力網(wǎng)架服務(wù)全民的微觀氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

國(guó)網(wǎng)莆田供電公司 姚鐘武 徐麗紅 林忠喜

1 系統(tǒng)搭建的背景

眾所周知，電網(wǎng)企業(yè)在電力調(diào)度、施工作業(yè)、防風(fēng)減災(zāi)等多個(gè)領(lǐng)域都需要依賴實(shí)時(shí)而精準(zhǔn)的氣象數(shù)據(jù)。然而，目前的天氣預(yù)報(bào)只是對(duì)城市的天氣情況進(jìn)行籠統(tǒng)預(yù)測(cè)，這個(gè)預(yù)測(cè)無(wú)法精確到各個(gè)具體地點(diǎn)。而且，天氣預(yù)報(bào)只是事先預(yù)測(cè)，并不對(duì)任何地點(diǎn)真實(shí)發(fā)生的天氣情況做實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)匯報(bào)。現(xiàn)今，電力系統(tǒng)各項(xiàng)工作對(duì)精確氣象信息的需求在不斷提高，我們亟需一套足夠精確且實(shí)時(shí)的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能使我們對(duì)所關(guān)注的任何地點(diǎn)的天氣信息觸手可得，并為我們提供精準(zhǔn)且實(shí)時(shí)的天氣服務(wù)（包括但不限于監(jiān)測(cè)、記錄、提示、嵌入）。

2 系統(tǒng)概述

ZigBee 具有功耗低、距離短、無(wú)線傳輸速率低等優(yōu)點(diǎn),產(chǎn)品設(shè)置也愈發(fā)成熟。此外，GPRS 還可以遠(yuǎn)程傳輸，在有信號(hào)地方，可以使用GPRS 進(jìn)行傳輸，GPRS 也適用于以較低的數(shù)據(jù)傳輸成本傳輸少量數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)主要結(jié)合兩種無(wú)線技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包括氣象監(jiān)測(cè)主機(jī)軟件、無(wú)線傳輸網(wǎng)關(guān)與ZigBee 路由三個(gè)部分，氣象監(jiān)測(cè)合同氣象監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)軟件作為系統(tǒng)核心，同時(shí)具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示功能。ZigBee 無(wú)線網(wǎng)關(guān)路由器負(fù)責(zé)維護(hù)整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。氣象監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)大多在較為偏僻的位置，所配備的氣象傳感器也較為多樣，主要工作為氣象數(shù)據(jù)采集，且由上位機(jī)進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)基于電力平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

巧合的是，在捕捉到電網(wǎng)企業(yè)對(duì)天氣數(shù)據(jù)具有強(qiáng)烈需求的同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)在搭建微觀氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有獨(dú)特且巨大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)基于電力設(shè)施搭建系統(tǒng)可充分利用電力系統(tǒng)設(shè)施獨(dú)有的幾大內(nèi)在價(jià)值，大大降低建設(shè)成本。

一是露天優(yōu)勢(shì)。戶外電力網(wǎng)絡(luò)設(shè)施直接面對(duì)風(fēng)吹雨淋等氣候征象，具備采集降雨、風(fēng)力風(fēng)向、氣溫等多種氣象信息的先天優(yōu)勢(shì)。

二是信號(hào)優(yōu)勢(shì)。電力桿塔等設(shè)施所在地?zé)o線通信信號(hào)強(qiáng)，信號(hào)傳輸順暢。在經(jīng)歷了配網(wǎng)智能化之后，電力設(shè)施上已廣泛布設(shè)了足夠多的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，且電力的通信網(wǎng)絡(luò)具有足夠多的信息承載余量，這樣就完全免去了一般氣象站建設(shè)中的通信設(shè)施搭建及流量費(fèi)用。

三是供電優(yōu)勢(shì)。配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)施如電線桿塔、配電站房本身具備強(qiáng)大的供電能力，氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備圍繞其搭載，取電方便。而常規(guī)氣象站建設(shè)中一個(gè)很大的問(wèn)題就是供電設(shè)施的搭建，若是野外氣象站，往往采用太陽(yáng)能板供電方案。特點(diǎn)是價(jià)格昂貴、維護(hù)麻煩、壽命短、供電不穩(wěn)定，電力網(wǎng)架服務(wù)全民的微觀氣象監(jiān)測(cè)分布如圖1所示。

圖1 電力網(wǎng)架服務(wù)全民的微觀氣象監(jiān)測(cè)分布

四是場(chǎng)地優(yōu)勢(shì)。電力系統(tǒng)擁有非常龐大且分布廣泛的各種電力硬件，可為微觀氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭提供免費(fèi)且寶貴的占地資源。

4 氣象監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

氣象監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由STM32F103ZET 單片機(jī)、ZigBee 外圍設(shè)備、存儲(chǔ)芯片、氣象采集傳感器等組成，利用各種傳感器采集風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓等氣象要素。該節(jié)點(diǎn)由普通鉛酸電池和太陽(yáng)能電池板供電。Usart2主芯片STM32直接連接到ZigBee UART 終端設(shè)備。串行通信中使用的波特率為115200，數(shù)據(jù)位為8位，中斷位為1位，不使用校驗(yàn)和位。氣象監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee 終端設(shè)備模塊連接到ZigBee 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。為了加快開(kāi)發(fā)速度，直接使用成熟的ZigBee 模塊。基于IEEE802的嵌入式ZigBee 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。15.4/Zigbee技術(shù)符合IEEE 802.15.4無(wú)線傳輸功能。ZigBee 模塊可以通過(guò)制造商提供的配置軟件配置ZigBee 終端設(shè)備、路由器及設(shè)備協(xié)調(diào)器。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是由ZigBee 模塊組成的網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)容量可達(dá)65000，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鐐鬏斁W(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)等。數(shù)據(jù)傳輸方式多種多樣。可以通過(guò)配置目標(biāo)地址或廣播數(shù)據(jù)來(lái)路由數(shù)據(jù),支持三種數(shù)據(jù)傳輸模式：ini 和透明傳輸。在透明傳輸模式下，ZigBee 終端設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee 模塊，并通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付康牡刂返脑O(shè)備。通過(guò)無(wú)線通信從ZigBee 終端接收的數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸出。氣象監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中的ZigBee 模塊配置為ZigBee 終端設(shè)備，采用透明傳輸方式，可以接收任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送處理。

5 系統(tǒng)的構(gòu)造

如圖2所示，本微觀氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備（圖中標(biāo)注為1），安裝于電力網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)（包括但不限于電力桿塔、配電站房等，圖中標(biāo)注為200），用于采集天氣信息，以上天氣信息包括但不限于降水、風(fēng)力風(fēng)向、氣溫等天氣信息；通信設(shè)施（圖中標(biāo)注為2），安裝于配電網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，通信設(shè)施與氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備信號(hào)連接；服務(wù)器（圖中標(biāo)注為3），與各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信設(shè)施信號(hào)連接，服務(wù)器可以時(shí)間為軸記錄各個(gè)節(jié)點(diǎn)的天氣信息，個(gè)人終端（圖中標(biāo)注為100）與服務(wù)器信號(hào)連接并可接收或讀取服務(wù)器傳來(lái)的天氣信息。通過(guò)氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通信設(shè)施、服務(wù)器及個(gè)人終端環(huán)環(huán)相扣，節(jié)點(diǎn)之間有機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生矩陣效應(yīng)，形成完整鏈條，最終構(gòu)成一種基于電力服務(wù)全民的微觀氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)。

圖2 微觀氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

6 系統(tǒng)的用途

6.1 指導(dǎo)施工

系統(tǒng)可用于電力施工及搶修，為電力工人提供智能的、實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)氣象情況支撐，提升現(xiàn)場(chǎng)電力工作的工作效率和安全系數(shù)。電力作業(yè)普遍對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的天氣情況有較高要求，比如安規(guī)規(guī)定多項(xiàng)電力工作的現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力不得大于5級(jí)。本系統(tǒng)可通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)查看工作地點(diǎn)的天氣情況，并可通過(guò)設(shè)置，向工作人員發(fā)出多種定制化提示。

6.2 抗風(fēng)減災(zāi)

系統(tǒng)可用于抗風(fēng)減災(zāi)，精準(zhǔn)監(jiān)控過(guò)境臺(tái)風(fēng)微觀形態(tài)，減少臺(tái)風(fēng)對(duì)電力系統(tǒng)的破壞，減少電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)損失，保障抗風(fēng)搶險(xiǎn)人員生命安全。福建地處東南沿海，常年遭遇臺(tái)風(fēng)。如何做好臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)是電力系統(tǒng)的一項(xiàng)重要課題。本系統(tǒng)通過(guò)在分布廣泛的電力桿塔上或配電站房上布局風(fēng)力風(fēng)向等氣象監(jiān)測(cè)儀，以點(diǎn)成面，形成臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)矩陣，像一臺(tái)顯示器一樣，將臺(tái)風(fēng)的準(zhǔn)確形態(tài)刻畫(huà)出來(lái)，成為電力系統(tǒng)抵御臺(tái)風(fēng)的一項(xiàng)利器。電力網(wǎng)架服務(wù)全民的微觀氣象監(jiān)測(cè)流程如圖3所示。

圖3 電力網(wǎng)架服務(wù)全民的微觀氣象監(jiān)測(cè)流程

6.3 水電調(diào)度

系統(tǒng)可服務(wù)于電力系統(tǒng)水電站調(diào)度。水力發(fā)電是經(jīng)濟(jì)性高的清潔能源，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水電站的發(fā)電能力可減少對(duì)水力資源的浪費(fèi)，提升并網(wǎng)電能的經(jīng)濟(jì)效益。本系統(tǒng)可通過(guò)讀取水電站所在地及水電站上游流域相關(guān)的降水監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)矩陣的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水電站上游的徑流量，從而對(duì)水電站的發(fā)電能力做到精準(zhǔn)把控。（注釋?zhuān)簭搅髁颗c降水、地質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)是定量，而降水是變量，所以只要降水?dāng)?shù)據(jù)足夠精確就可以通過(guò)不斷迭代的算法，使得對(duì)徑流量的預(yù)測(cè)足夠準(zhǔn)確。而之前的水電站僅依賴籠統(tǒng)的降水?dāng)?shù)據(jù)，根本無(wú)法滿足準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的要求。）

6.4 森林火災(zāi)

2020年3月31日，四川大涼山專(zhuān)業(yè)打火隊(duì)接到任務(wù)，21名隊(duì)員在一名當(dāng)?shù)叵驅(qū)У膸ьI(lǐng)下，義無(wú)反顧地沖向火海。可又沒(méi)想到，風(fēng)向突變，22個(gè)人被大火包圍。就在人們盼望著他們平安歸來(lái)的時(shí)候，傳來(lái)的卻是一個(gè)痛心的消息：19名年輕的救火英雄犧牲。本微觀氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可布局于經(jīng)常發(fā)生山火的林區(qū)，為消防員滅火時(shí)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的微觀風(fēng)力風(fēng)向圖，即使風(fēng)向突變，也可帶領(lǐng)消防員及時(shí)走出危險(xiǎn)的下風(fēng)區(qū)。

6.5 雷電定位

雷電對(duì)電力系統(tǒng)的危害普遍且多發(fā)，對(duì)雷擊點(diǎn)的定位是個(gè)全社會(huì)的命題（比如，雷擊電力設(shè)施引發(fā)故障時(shí)若能準(zhǔn)確定位雷擊點(diǎn)將大大縮短搶修時(shí)長(zhǎng)），而尋找雷擊點(diǎn)卻是一個(gè)極大的難題。微觀氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)聲光捕捉比較法，多節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，精確定位雷電，可使對(duì)雷擊點(diǎn)的定位精度達(dá)到相當(dāng)高的級(jí)別。

6.6 服務(wù)全民

系統(tǒng)所采集并記錄到的降雨、風(fēng)力風(fēng)向、氣溫等天氣大數(shù)據(jù)可廣泛應(yīng)用于居民生活生產(chǎn)各行各業(yè)。天氣情況與人們的日常生活息息相關(guān)，每個(gè)人每天都有查看某個(gè)特定地點(diǎn)實(shí)時(shí)天氣狀況的需求再做決策，我們都迫切需要知道目標(biāo)地點(diǎn)的天氣情況。現(xiàn)今基本人手一部手機(jī)，然而目前沒(méi)有任何一款手機(jī)端應(yīng)用能滿足上述需求。本系統(tǒng)一旦建立完成，即可服務(wù)所在城市每位市民的日常所需，為每位市民提供其所要知道的任何地點(diǎn)的準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)的天氣信息。

例如，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要關(guān)注天氣情況。本系統(tǒng)所得各地點(diǎn)的天氣情況大數(shù)據(jù)日積月累，積少成多。該大數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策及農(nóng)業(yè)科研人員分析研究至關(guān)重要。再例如，行車(chē)導(dǎo)航公司若接入讀取本系統(tǒng)天氣數(shù)據(jù)，即可收到不同地點(diǎn)的各自的實(shí)時(shí)的天氣狀況，為司機(jī)在行車(chē)途中提供精準(zhǔn)天氣導(dǎo)航，比如避開(kāi)暴雨路徑，避開(kāi)狂風(fēng)地帶。又或者天氣情況會(huì)影響消費(fèi)者消費(fèi)習(xí)慣，精準(zhǔn)的天氣大數(shù)據(jù)可提供給當(dāng)?shù)厣虡I(yè)調(diào)研機(jī)構(gòu)分析使用。每個(gè)市民可以選擇一個(gè)自己最關(guān)注的地點(diǎn)實(shí)時(shí)獲取該地點(diǎn)的天氣信息并享受相關(guān)定制服務(wù)（比定制可讓自己手機(jī)收到“該地點(diǎn)下雨”或“該地點(diǎn)雨停”的提示），這個(gè)地點(diǎn)可以是自己的家，也可以是你上班的地點(diǎn)，也可使是你家的農(nóng)田等等。當(dāng)然用戶也可以選擇獲取全市任何地點(diǎn)的準(zhǔn)確天氣信息。對(duì)于企事業(yè)單位，比如商業(yè)調(diào)研公司，可購(gòu)買(mǎi)該城市所有地點(diǎn)全部采集器累積下來(lái)的一整年的天氣大數(shù)據(jù)原始資料，用于非常廣泛的科研或商業(yè)用途。

所以，本系統(tǒng)搭建后的用戶需求將異常強(qiáng)烈且廣泛。基于本系統(tǒng)出誕生出一款全民熱捧的互聯(lián)網(wǎng)APP 產(chǎn)品。

7 意義與價(jià)值

國(guó)家在呼吁創(chuàng)新，電力系統(tǒng)在大力倡導(dǎo)提質(zhì)增效，本系統(tǒng)是對(duì)提質(zhì)增效的一次極佳響應(yīng)。通過(guò)創(chuàng)造性的構(gòu)思，挖掘出電力硬件的潛在價(jià)值，對(duì)內(nèi)產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)外產(chǎn)生重大社會(huì)價(jià)值。系統(tǒng)為全社會(huì)提供了一種從未有過(guò)又每日皆需、每人皆需的原始大數(shù)據(jù)。原始大數(shù)據(jù)的社會(huì)效益是巨大的，其社會(huì)效益是一級(jí)一級(jí)傳導(dǎo)并不斷累積的且無(wú)法用具體數(shù)值估量的。類(lèi)似電能，電能是社會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)的源動(dòng)力，每一度電有價(jià)，但每一度電對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)是無(wú)價(jià)的。且在ZigBee 與GPRS 無(wú)線通信技術(shù)不斷發(fā)展前提下，提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)可形成網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)可以方便、高效地管理多個(gè)氣象監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，有效地獲取和處理氣象數(shù)據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，該系統(tǒng)實(shí)用價(jià)值高，可操作性強(qiáng)。