电网气象灾害监测预警技术探讨

电网气象灾害监测预警技术探讨

陈红彬，姚彪国，徐浩泉，李良峰，张　湛

（）广州粤嵌通信科技股份有限公司，广东广州５１０５２０

摘　要：根据我国输电点并结合现有电子通信技术，进行了电网气象灾害监测预警技术的探讨，重点介绍了电

网气象灾害数据采集技术。

关键词：气象灾害；实时监测；预警；混合通信；太阳能供电中图分类号：ＴＭ７３２

ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎａｎｄＥａｒｌＷａｒｎｉｎＴｅｃｈｎｏｌｏ　　　ｇｙｇｇｙ　　　

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（，）ＧｕａｎｚｈｏｕＹｕｅｉａｎＧｕａｎｚｈｏｕ５１０５２０，Ｃｈｉｎａ　　ｇｑｇ

：ＡＡｂｓｔｒａｃｔｃｃｏｒｄｉｎｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎＣｈｉｎａａｎｄｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｏｗｅｒｒｉｄ　　　　　　　　　　　　　－ｇｇｐｇ　　

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DOI:10.19768/j.cnki.dgjs.2019.09.048

０引言

近年全球气候呈逐年变暖趋势，大范围不规则异常天气不断涌现，极端天气事件频繁发生

［１］

入式技术开发。ＡＲＭ　ＣＯＲＴＥＸ嵌入式技术能满足汽车、工业控制及医疗监测等应用领域对装置功耗与效能的严苛要求，它以高稳定性、超低功耗、低成本的特点在电力、

３］

。汽车等工业控制领域也获得广泛应用［

。虽然我国的气象

监测和预警水平已有了显著提高，但是面对日益增长的电网深层次服务需求，气象监测及预警存在监测网点稀疏、气象信息共享度不高、预警交换不畅及时间滞后性严重等问题

［２］

系统选用ＮＸＰ的Ｃｏｒｔｅｘ３处理器ＬＰＣ１７６８ＦＢＤ，－Ｍ，拥有４个串口和该处理器最高频率可达到１００ＭＨｚ２个ＳＰＩ接口；选用ＳＳＴ２５ＶＦ０３２Ｂ芯片作为升级程序存储，通过ＦＭ２４ＣＬ０４铁电存储器记录程序更新信息，具有稳定性好、功能强大、抗干扰性能好、功耗低、远程维护方便等优点。

。气象采集传感器是实现气象灾害监测预警技术的

核心部件。国外的气象监测传感器，如芬兰ＶＡＩＳＡＬＡ公司、英国ＧＩＬＬ公司、德国ｌｕｆｔ公司等的超声波风速风向传感器产品，在气象、航海、风电、工业生产等方面都有丰富的理论基础和成熟的测量应用技术，稳定性、数据精高铁）气象运行预度等方面较好。我国目前在风电、铁路（

警、机场环境监测等领域使用的超声波风速风向传感器基本上都是国外的产品。本文综合物联网、嵌入式、超声波传感、电子电气技术、太阳能供电等技术，针对我国气象灾害特点建立一套适用于我国电网气象灾害的监测及预警服务网络系统，以期在出现险情或未来有气象灾害时能第一时间发送预警信息，提高电网对极端天气灾害前的反应处置能力和电网智能化管理水平，将电网事故隐患消除于萌芽状态或将事故损失降至最低。

１．２气象灾害风速风向数据采集

超声波风速风向采集技术是目前国际上主流气象技术发展方向，因此本系统也采用超声波技术采集电网灾害气象的风速风向数据。超声波传感器由分布在同一水平面上，沿圆周均匀分布的４个超声波变换器组成，通过测量在东西和南北方向的超声波正向和逆向传输时间，计算出风速和风向。

超声波风速风向测量数据模型原理如图１所示。首先探头１作为发射探头，探头２作为接收探头，通过测量得

１电网气象灾害数据采集技术

１．１气象灾害数据采集

在气象灾害数据采集方面，可采用ＡＲＭ　ＣＯＲＴＥＸ嵌

收稿日期：２０１８１７－１－２

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到一个时间；然后探头２作为发射探头，探头１作为接收探头，得到相对方向上的另一个时间。

设南北（或东西）两超声收发器的距离为ｄ，顺风传输时间为ｔ１２，逆风传输时间为ｔ２１，风速为ＶＷ，超声波传播速度为ＶＳ，则有：

ｄｔ＝ＶＳ＋ＶＷ

（１）１２ｄｔ＝ＶＳ－ＶＷ

（２

）２１

联立式（１）和式（２）可得：Ｖｄ（１１Ｗ＝２ｔ－

１２ｔ２１

）该方法能准确测量到风速甚至超声波的速度，能测量单一方向上的风速、风向，也能同时测量东西和南北方向的风速和风向，计算出二维风速和风向。

．３气象灾害的温湿度数据采集

输电线路（杆塔）遍布各地，而每个地方的气候条件差异很大，因此温湿度数据采集需采用动态范围大、工作稳定的温湿度传感器。为了能适应不同的气候环境，本系统选用瑞士Ｓｅｎｓｉｒｉｏｎ的ＳＨＴ１５型温湿度芯片，设计了温湿度采集电路，包括１个电容性聚合体测湿敏感元件、１个用能隙材料制成的测温元件、１４位的Ａ／Ｄ转换器及串行接口电路。温湿度采集电路原理如图２所示，温度测量范围是－４０℃～＋１２０℃，精度为±０．３℃；湿度测量范围为％～１００％，精度为±３％ＲＨ。

．４压电式雨量采集

持续降水和暴雨是形成泥石流的重要因素之一，因此有效监测暴雨和持续降水并开展预报预测工作，是预防泥石流气象灾害的重要技术措施之一。常见的监测暴雨和持续降水的方式有虹吸式和翻斗式雨量筒，但两种传感器体积大，不能测量雪、冻雨、冰雹，且注水口常因树叶、泥沙堵塞而无法测量雨量。国外已有冲击、雷达、红外等雨量测量技术，而我国尚无此类产品。

为此，本系统采用冲击测量原理对单个雨滴重量进行测算，进而计算降雨量。雨滴在降落过程中受到雨滴重量和空气阻力的作用，到达地面时速度为恒定速度，因此可根据Ｐ＝ｍＶ，测量冲击即可求出雨滴重量，进而得到持续降雨量。

技术解决方案　电工技术

１．５　Ｗ

ｉＦｉ＋４Ｇ＋光纤混合通信通信本系统采用ＷｉＦｉ＋４Ｇ＋光纤混合通信技术，建立新型的混合型数据传输通道，具有传输通道稳定、自愈性强等优点，而且我国输电线路都铺设有成熟丰富的光纤通信

线路，因此也无需另外铺设［

４］

。如果监测区域内有移动信号覆盖，那么直接采用４Ｇ信号将监测数据传输到电力部门后台；如果监测区域内没有移动信号覆盖，但距离监测区域不远的地方有移动信号覆盖，那么采用ＷｉＦｉ＋４Ｇ的通信方式将监测数据传输到电力部门后台；如果监测区域内没有信号覆盖，电力光纤也没有接入口，那么采用无线接力的方式将监测数据传输到有移动网路覆盖的区域，然后采用４Ｇ方式传输到电力部门后台，即采用ＷｉＦｉ＋无线接力＋４Ｇ移动的通信方式；如果监测区域内没有信号覆盖，但电力光纤有接入口，那么采用ＷｉＦｉ＋光纤的方式将监测数据传输到电力部门后台。最终电力部门后台系统把数据进行集中，以数据报表、气象数据变化趋势曲线、监测预警数据信息等方式显示现场电力线路的气象变化

状况［

５］

。这种混合通信技术不仅能满足４Ｇ信号覆盖区域线路气象状况实时监测的应用需求，而且对于无移动信号覆盖区域的输电线路，采用ＷｉＦｉ＋无线接力＋光纤的混合通信方式，也实现了输电线路现场气象状况的实施监测，弥补了气象局不能对特殊小范围局地气象状况进行实时预报和气象信息实时性差的不足，避免了电力部门人员爬高山、组织特巡进行现场查看。

１．６采用低功耗冗余性太阳能＋蓄电池供电

本系统采用低功耗供电技术、完善智能充放电控制技

术、冗余性电源智能切换技术［

６］

，确保装置在气象灾害事故发生时即使长时间太阳光照不足仍有充足的电源供应，提高了装置在野外长期运行的稳定性。

（１

）低功耗供电技术。供电系统是气象灾害监测设备正常工作的基础条件，本系统在硬件设计方面选用低功耗元器件，在软件控制方面设计有休眠、待机、数据传输通信多种工作模式，确保系统运行情况下的功耗最低。

（２

）完善智能充放电控制技术。气象灾害监测装置在太阳能充放电方面采用了ＭＰＰＴ（最大功率跟踪）控制技术、高低压保护、自动恢复等智能充放电功能设计技术；同时外置环境温度传感器，能根据环境温度实时进行温度补偿，使得装置具有强充、均衡充、浮充三阶段自动控制

充电技术［

７］

。（３

）冗余性双供电电源智能切换技术。所谓双供电电源，是指本系统设计了太阳能＋蓄电池的主、辅两个供电模块。一般情况下，装置采用主供电模块供电，并由太阳能对主供电模块的蓄电池进行充电；备用供电模块处于待切换状态，此时由太阳能对其进行充电，充满后则自动切断充电电路。在电源智能切换部分，本系统设计的ＣＰＵ控制模块，可通过ＭＯＳ管分别与主电源及辅助电源相

１３３１０１电工技术　技术解决方案

连，具有随时待机唤醒功能；可根据监测到的电源状态，实现主电源、辅助电源的无缝切换；在备用电源供电的情况下，可随时切断备用电源供电，从而使双电源切换系统进入完全待机状态。

用的ＷｉＦｉ＋４Ｇ＋光纤混合通信技术是可行的。在台风登陆期间，装置仍能将现场台风实时气象数据传输到办公室，说明混合自组网通信链路具有良好的稳定性。

（）在台风阴雨天、太阳光照不足的情况下，装置能２

依靠蓄电池稳定工作，说明采用的太阳能＋蓄电池供电模式是可行的。

）（３２个监测点的风速变化趋势整体一致，说明装置采集的风速数据准确度、可信度良好，具有较高的参考价值。

２现场应用

２０１８年９月，本系统在湛江徐闻、雷州２个台风频发区、重灾区的输电线路上杆塔进行了安装投运。装置采用太阳能＋蓄电池供电模式和混合组网无线通信方式，对现场不同高度（的梯度性瞬时风速风向、１０、２０、３０、４０ｍ）３ｓ内的最大风速风向、降雨量、气压、温度、湿度共６个参量进行采集，并发送到后台，为线路维护人员提供台风期间线路气象环境数据。由于台风期间破坏力最强的是风速，因此下面仅针对２山竹”台风登陆广东粤０１８年９月“西期间湛江徐闻区域内２个监测设备采集的现场台风实时气象数据进行介绍，如图３、图４所示。

３结语

由以上分析可知本文提出的气象灾害数据采集技术是可行的，在电网气象灾害天气发生时能准确采集现场的气象状况信息并发送到后台。同时，在实施过程中发现ＷｉＦｉ

线接力设备的数据传输距离、传输带宽与设备自身电源功耗是相互矛盾的，数据传输距离越远、传输带宽越宽则无线接力和中继设备的电源功耗就越大。在目前输电线路在线监测设备主要依靠太阳能供电的情况下，在ＷｉＦｉ无线接力及中继时实现远距离和大带宽数据传输，实现在线监测设备最低功耗运行，将是下一步需要解决的重点问题。

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对比２个不同监测点（但相邻距离较近，直线距离约为４数据曲线可知。ｋｍ）

（）在后台能查看监测点实时气象数据信息，说明采１

（上接第１３１页）

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