输电线路山火监测预警系统的研究及应用

输电线路山火监测预警系统的研究及应用

王冬 阳

国网山西省电力公司阳泉供电公司 山西 阳泉 045000

摘要：近年来，我国电力发电持续快速发展。截止2019年5月装机总容量超过2.043亿千瓦，技术水平不断提升，成本显著降低。夏季温度过高、太阳辐射强度过大等环境因素，引发大面积山火。根据GB/T31366-2015（《电力监控系统技术要求》），该标准规定了适用于电力发电并网监控装置和系统的相关要求。通过查阅资料，我国电力发电系统最主要起火部件为电力板，其山火数量达到电力发电山火总量的42%，笔者基于该标准设计此电力企业线路山火监控预警系统，主要针对电力板进行监控保护，实现电力发电实时数据远程呈现、远程预警与远程控制，以确保电力发电生产单位安全性。

关键词：电力发电；监控预警；安全；工控机

1系统总体设计

电力企业大多分布偏远，发电现场天气环境多变，不利于精密电子仪器工作；而监控预警系统要求控制设备可靠性要求高、设备安装运营成本较低。根据设备安装运营的地点，本系统分为监控层、传输层、应用层三个层级。监控层主要实现现场数据采集与上传功能，并且根据反馈信号控制电力板通断，其设备一般考虑安装在户外电力发电现场；传输层作为系统核心部分，其作用在于完成数据接收、处理和发送，其设备应考虑安装在电力企业室内；应用层是基于4G面向系统管理者和用户的层级，其系统管理PC端和终端APP不受地域条件的限制。

（1）监控层。该层配置的监控设备主要包括安装在各个电力板上的信号采集单元和与电力板相连的继电器开关模块。信号采集单元包括安装在电力板上的各类传感器（DS18b20温度传感器、GY-30数字光强度传感器）和与电力板相连的线路测量装置（IM1253功率测量模块），用以实时采集电力板的实时参数并上传至传输层。监控层根据传输层指令通过继电器开关控制电力板工作状态。

（2）传输层。该层级以工控机为核心，用以处理监控层的信号；工控机通过Zigbee模块和监控层相连，和应用层设备通过4G相连。

（3）应用层。应用层包括PC端的系统管理端，以及APP用户服务端。PC端是系统管理者用以监控系统工作状态及网络维护；用户通过APP用户服务端查看电力板工作状态，接受报警信息，并控制电力板工作状态。

2监控层设计

2.1监控层总体设计

监控层主要实现现场数据采集与控制功能，具体包括传感器模块、功率计量模块以及继电器开关模块。传感器模块和功率测量模块获取实时参数，通过Zigbee模块与传输层设备连接；Zigbee模块和继电器开关控制信号输入管脚相连，用以控制电力板工作状态。

2.2传感器

2.2.1 DS18b20温度传感器

温度传感器采用DS18B20传感器。这是一种单总线数字式温度传感器，体积小，抗干扰能力强，成本低，精度高，便于维修与更换，适应于户外长时间使用。只需将DS18B20传感器的输出管脚与Zigbee主板输入管脚相连即可。

2.2.2 GY-30数字光强度传感器

GY-30数字光强度传感器采用ROHM原装BH1750FVI芯片，可检测的光照度范围为0-65535lx，接近于视觉灵敏度的分光特性可对广泛的亮度进行高精度测定。传感器内置16bitAD转换器，直接数字输出，无需模数转换。

2.3 功率测量模块

2.3.1设备选型

本系统采用INA225数字功率监视器来测量电力板瞬时输出功率。INA226具有I2CTM或SMBUS兼容接口。该器件可实现电流值和功率值的直接读取。待测电压范围为0-60V，最高失调电压为10μV，最大增益误差为0.1％，并且可以通过选择采样电阻Rm大小调整电流测量量程以及大电流时的线性度。

2.3.2采样电阻选择

根据原理图，INA225数字功率监视器电流测量的量程以及大电流时的线性度主要由采样电阻Rm决定，因此需要根据电力板设备的额定工况电压、电流选择合适大小的采样电阻阻值。根据资料显示，我国工业用单个电力板功率在120w-200w，以200w电力板为例，选用采样电阻阻值为2mΩ情况下，待测电流范围为0-40A，在电流小于30A时线性度良好，适合高精度大电流范围检测。

3传输层设计

3.1传输层总体设计

传输层在系统中起到数据接受、存储、处理及转发的作用，其软硬件设计的可靠性往往关系整个系统的运行效果。因此传输层以工业级设备工控机为核心，工控机通过Zigbee模块建立与信号采集模块之间的实时通信，并通过运用4G技术与应用层互联。

3.2 Zigbee互联模块

本系统采用Zigbee模块实现信号采集模块与工控机的互联。Zigbee技术能较好地应用于短距离和低速率下的无线通信，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。配置ZigBee协调器，作为网络各节点信息的汇聚点，负责组建、维护和管理网络。ZigBee协调器有较强的通信能力、处理能力和发射能力，能够把数据发送至远程控制端。工控机作为终端节点，与协调器直接相连。考虑到电力企业生产实际，生产现场电力板数量较大，相应地，以信号采集单元数量也较大，将其直接与Zigbee协调器连接不利于分区、分层管理，因此需配置部分Zigbee节点作为路由器，将信号处理单元通过路由器连接到协调器。

3.3工控机

本系统采用以N2805为CPU的双核双线的工业控制计算机（IPC），IPC机是基于PC总线的微型工业电脑，采用底板+CPU卡结构，具有很强的输入输出功能，支持通电自动开、网络唤醒、长时间运行、自动故障诊断，相较于普通微型计算机稳定性与可靠性有较大提升。同时，工控机耐受烟雾、高温、风沙等环境，最高正常工作温度可达60℃，适合应用于电力发电生产现场。

4应用层设计

工控机与远程终端通过4G实现远程通信。通过Uar－tAssist子程序将Zigbee串行通信模块的数据报文解析，并用数据库调用程序存储在Oracle数据库中。工控机访问数据库，将所得数据送入后台进行数据处理与分析，完成后发送给终端APP。对于终端而言，一方面实时数据、历史数据等信息在终端呈现；另一方面，终端可以发出控制指令，同理，控制指令反馈给工控机，工控机通过Zigbee模块向继电器开关发送指令，实现远程控制要求。

5系统监控策略及实现效果

本系统的监控策略包括远程用户控制与本地控制。用户基于远程数据呈现，可以远程精准控制异常工作的电力板与汇流箱的连接通断；系统本地控制通过工控机软件设计中的运算判断子程序实现，在满足条件时切断电力电池与逆变器的连接，可以脱离4G网络运作。本地控制通过测量光照强度Ei和实时功率Pi，通过模型判断电力板是否工作在合适状态，并给出安全的工作范围。在系统中不可避免地存在测量误差、随机误差，使得测得的光照强度Ei和输出功率Pi与真实值有偏离。以额定功率为300W的电力板为例，引入随机扰动的思想，得到置信度为0.95的双侧置信区间S。其意义为：在图中S区域内工作状态称为安全运作状态。

6结束语

本文通过电力发电理论分析的基础上，针对电力企业分布偏远等特点，提出了一种基于Zigbee技术和4G技术的系统化电力企业线路山火监控预警系统。主要完成了以下工作：（1）提出了一套层级化设计的监控预警系统设计方案，并对系统中各个层级的设备选型与连接方式作了详细介绍。（2）设计了一套基于电力电池建模的监控策略，从工作温度、安全运作区间等角度精确判断电力板工作状态，设计了远程控制与本地控制两种控制方式。（3）运用4G技术实现用户远程数据查看与控制功能。电力输电线路山火防控是一项需要不同行业协作，共同参与治理的系统性工程。随着电力发电在我国进一步普及，以及“安全生产”工业生产原则的进一步落地，此系统在解决并网电力发电安全性问题领域，必将展示出其独特的优越性。

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