4G和短报文通信在输电线路巡检中的应用研究

朱伟华, 宋 宇, 王中宝, 李 可

(吉林电子信息职业技术学院, 吉林 吉林 132021)



4G和短报文通信在输电线路巡检中的应用研究

朱伟华, 宋 宇, 王中宝, 李 可

(吉林电子信息职业技术学院, 吉林 吉林 132021)

为了摆脱我国定位系统主要依赖于国外的局面,设计了一种基于北斗定位技术的输电线路巡检系统。以Linux操作系统为平台,利用高速率的4G和北斗定位系统所特有的短报文相结合的通信方式。该系统可为巡检人员提供精确定位、导航、路径规划及路径回放等功能。经过多次测试,该系统稳定、可靠,抗电磁干扰能力强。

智能电网； 电力线巡检； 北斗导航定位； 4G； 短报文通信

北斗导航定位系统是我国自主研发、自主运行的全球卫星定位系统,该系统采用主动式双向测距二维导航,地面中心控制系统解算,供用户三维定位数据,北斗卫星具有双重功能，即定位功能和短报文通信功能,其中短报文功能是北斗系统所独有的[1-4]。北斗卫星定位系统由空间段、地面段和用户段3部分组成,空间段包括静止轨道卫星和非静止轨道卫星,地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站,用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端[5-8]。北斗定位系统三维定位精度为10 m,测速精度为0.2 m/s,授时精度为10 ns。截至到2016年3月30日,我国已成功发射22颗北斗导航卫星,该系统已成功应用于电力系统中的同步授时、测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾及公共安全等诸多领域[9-11]。

输电线路是我国电力系统的重要组成部分,对人们的日常生活和工业生产有着重要意义。但是,我国地形复杂,输电线路经常会受到污秽、地震、强风、洪水、滑坡、雷击、沉陷等各种潜在危害。目前,电力线巡检行业采用的导航定位系统多为GPS(global positioning system)卫星导航定位系统,然而,GPS导航定位系统存在着复杂地形定位精度较低、抗干扰能力差，以及其由美国军方控制对我国本土电网企业形成潜在的安全隐患等弊端。鉴于此,本文设计一种基于北斗定位技术的输电线路巡检系统,以嵌入式Linux操作系统为平台,信号强时采用4G无线通信,信号弱时采用短报文通信,实现人员精确定位、导航、路径规划、电网管理部门实时调度监控及路径回放等功能。

1 电力线巡检系统的总体设计

基于北斗定位技术的输电线路巡检系统主要由巡视手持终端(personal digital assistant,PDA)、无线通信模块、电力调度远程监控中心3部分构成,系统整体框架图见图1。手持终端PDA主要包含高精度的北斗定位系统、ARM主控制器模块及相应的外围电路；无线通信模块主要包括4G无线通信模块和北斗卫星所特有的短报文通信模块；电力调度远程监控中心主要包括服务器、地理信息系统(geographic information system,GIS)电子地图以及结构化查询语言(structured query language,SQL)数据库等。

图1 电力线巡检系统整体框架图

该系统的工作机制:电力部门利用高精度的北斗定位系统对巡检人员进行实时定位,巡检人员发现电力线路存在故障时,及时上报电力调度中心,同时定位信息也存储在PDA上。当电力线路在移动通信质量较好的区域时,将巡检信息通过4G网络发送到国家电网远程监控中心,否则通过北斗短报文装置以短报文的方式与监控中心建立通信联系。监控中心同样可以通过4G网络或短消息向巡视人员发送调度指令。该电力线巡检系统采用4G通信网络与北斗短报文相结合的通信方式,有效地解决了通信盲点问题。巡视完毕后电力调度远程监控中心会对上述信息分析和评估,并生成各类统计分析报表,以作为巡检考核的依据。

2 手持终端硬件设计

2.1 手持终端硬件结构

电力线巡检系统手持终端主要包括GIS电子地图、ARM控制模块、北斗卫星定位模块、4G无线通信模块、短报文通信模块、电源模块及外围电路,各个模块之间采用串口(UART)连接,硬件结构框图见图2。

图2 手持终端硬件结构框图

2.2 北斗定位模块

北斗卫星定位模块采用麦宏科技设计的UM220-III N。UM220-III N采用片上SoC(system on chip)芯片,该芯片具有双系统、多频率、高性能、低成本、低功耗等优势,能够同时支持BD2 B1/GPS L1两个频点。可以在低功耗的情况下提供很高的灵敏度,电路见图3。

图3 北斗定位模块电路

2.3 ARM控制模块

S5PV210集成了ARM Cortex-A8内核,是一个32位的低成本、低功耗的高性能处理器。S5PV210采用64位内部总线架构,包括许多功能强大的硬件加速器,如运动视频处理、显示控制和缩放等。集成多种格式的编解码器,支持MPEG-1/2/4,H.263和H.264的编解码。

2.4 电源模块

EUP3412是同步电流模式降压DC/DC转换器,具备驱动1.5 A负载能力,并能够进行负载调节。其工作特性:输入电压范围2.7～5.5 V,最小输出电压为0.7 V；效率高达96%；1.5 MHz恒定开关频率；具有短路保护和热保护。

系统中利用EUP3412芯片完成5 V电压到3.3 V电压的转换,电路图见图4输出电压计算公式为

(1)

2.5 串行接口电路

通用异步发送接收器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART),利用全双工方式传输串行数据。传输过程中以位为最小单位,分为开始位、数据位、校验位(可选)和停止位。双方在发送数据之前,需约定传输速率(波特率)及传输格式等。

S5PV210支持发送与接收队列为串行数据提供缓冲区,并可选择查询或中断方式完成数据的发送与接收。UART使用TTL标准逻辑电平表示数据,即高电平为1,低电平为0。为了与PC端连接、方便系统调试,利用MAX3232将TTL电平转换为RS-232逻辑电平,电平转换电路见图5。

3 软件设计

电力线巡检系统软件设计流程主要包括基于Linux的驱动程序设计和应用软件程序设计,该软件设计的流程图见图6,系统中信息的获取都是采用中断的方式,主程序只需要直接处理采集后的信息。

图5 电平转换电路

图6 电力线巡检系统软件设计流程图

北斗导航定位模块的软件设计主要由定位数据的接收、处理程序和发送程序构成。定位信息的获取采用中断方式,将定位信息保存在Buffer缓冲器中,发送数据帧$BDRMC到ARM微处理器模块,其中帧$BDRMC有固定的格式规范,自动截取有用的数据信息帧并通过串口数据通信。接收北斗位置信息的调用函数为DWORD WINAPI receiveBEIDOUProc(),用来分析北斗定位信息的函数为DWORD WINAPI analyseBEIDOUProc()。

手持终端PDA采用分块思想,用Strcat()函数将捕获到的巡检信息进行打包处理,如果手持终端设定在输电线路附近通信信号较弱时,将巡检信息编码成北斗短信格式送到北斗导航定位模块进行发送,其短信指令格式如图7所示。地面中心站接收到通信申请信号后,经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中,经北斗卫星广播传送给远程调度中心。

图7 北斗短报文格式

短信指令中的字符与数字用ASCII码表示,汉字用GB2312码表示,电文的内容不能超过128个字节。

电力调度远程监控中心分为数据库系统、远程服务器和电力线监控系统3部分。该系统采用Microsoft SQL Server 2008实现数据库的开发,允许电力调度人员存储、检索、处理和保护数据安全。远程服务器主要实现通信功能和数据库操作功能,利用套接字技术(Socket)来实现服务器与巡检人员手持终端通信连接；远程服务器通过activeX数据对象(activeX data objects,ADO)实现对数据库的访问,远程服务器通过对数据库的访问操作,实现对定位信息、巡检人员信息、状态信息、命令信息等数据的添加、保存、提取和删除。电力线监控系统分为GIS功能模块和数据管理模块。该系统采用百度地图API(application programming interface)构建GIS(geographic information system)功能模块,利用API编程方式通过setURL()函数调用现有的地图服务网站数据库里的信息和功能,只需编写少量的JavaScript脚本,就能实现地图嵌入到该系统中,降低了开发的难度；电力线监控系统的数据管理模块实现电力调度人员登录、信息修改、信息查询、路径回放等功能。

4 系统测试及分析

4.1 4G拨号上网测试

E1750完成设备模式转换后,可以利用pppd命令通过已完成的配置文件进行拨号上网,在终端中输入命令pppd call wcdma &即可实现4G拨号上网,在提示拨号成功后,利用ping命令测试网络连通性。4G网络连通性测试界面如图8所示,表明监测终端连接网络成功。

图8 4G网络连通测试界面

4.2 数据传输测试

电力线巡检手持终端PDA根据远程监控中心反馈的丢包率适当调节数据包之间的发送时间间隔。当丢包率过大时,适当增加时间间隔,反之减小。表1反映了丢包率与反馈次数、发送时间间隔之间的关系(以下数据是500次测试的平均值,每个数据包大小为512 B)。

表1 丢包率测试表

4.3 系统测试结果

为了验证本文设计的手持终端在定位精度上的优势,选取某输电线路附近的5个测量点,测量点的选取不是任意的,必须能够同时被北斗和GPS对应的GIS(地理信息系统)显示。为了消除和削弱卫星钟差、电离层、对流层对测距的影响及卫星星历误差,测试中采用同步测量法,即2台手持终端在同一时段内观测卫星,手持终端到输电铁塔的中心位置为实际测量值。定位精度对比见表2。从表2中可以看出,本文设计的手持终端的定位精度高于GPS定位精度,平均提高了6.79%,由于定位精度反映了测量结果与实际位置的符合程度,因此采用本文提出的北斗PDA定位更准确,可降低人工搜索电力线故障点的时间。

表2 定位精度对比 m

基于北斗定位技术的电力线巡检系统的远程监控中心利用百度地图API接口构建GIS功能模块,接收到的位置信息(如经纬度)通过串口进行调试。选择吉林市某输电铁塔(粮油乙线64号)附近进行测试,手持终端波特率选用115 200 bit/s,通过串口助手显示的数据帧为$BDRMC,110924.000,A,4332.303711,N,12529.796341,E,0.442,166.571。经纬度信息为:43.8461110000,126.8220190000,即北纬43°50′15.55″,东经126°48′34.91″。经过多次测试表明，该电力巡检系统设计方案正确可行,系统稳定可靠,电力调度远程监控中心界面能够实时显示巡检人员的位置信息(如经纬度信息)并在GIS电子地图上显示,延时误差基本上是在1～2 s之间,数据传输的误码率低于1.2%。该系统可以为巡检人员进行导航、路径规划、定位以及历史记录查询等功能。路径规划见图9。

图9 电力线巡检系统测试路径

5 结语

基于北斗定位技术的电力线巡检系统以Linux操作系统为平台,采用我国独立自主研发的高精度北斗定位系统,摆脱了定位系统依赖于国外的局面,提高了通信安全的高效性,无线传输采用北斗短报文和高速率的4G两种相结合的通信方式。经过多次测试该系统,系统稳定,可靠性强,抗干扰性强,延时较小。该系统的研制和推广,将会提高电力部门巡检的效率,具有广阔的应用前景。

References)

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Research on application of 4G technology and a short message to power transmission line inspection

Zhu Weihua, Song Yu, Wang Zhongbao, Li Ke

(Jilin Technology School of Electronic Information,Jilin 132021,China)

To get rid of the situation that the positioning system is mainly dependent on foreign countries, this paper designs the power lines inspection system based on Beidou positioning technology, taking the Linux operating system as a platform, a short message and 4G are used as wireless communication mode. The system can provide precise positioning, navigation, route planning and route playback for inspection personnel. After this system is tested, the system is stable and reliable, and has the better performance to against electromagnetic interference.

smart grid; power line inspection; Beidou navigation and positioning; 4G; short message communication

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.023

2016-05-11 修改日期：2016-07-11

2016吉林省教育厅十三五科技项目(吉教科合字【2016】第108号)；吉林市科技发展计划资助项目(2015334004)

朱伟华(1976—)，男，吉林省吉林市，硕士，副教授，研究方向为嵌入式技术及无线电通信技术.

E-mail：348938280@qq.com

TM726

B

1002-4956(2016)11-0094-05