地缘因素对无线遥控系统的影响及优化分析

地缘因素对无线遥控系统的影响及优化分析

周娜

周娜

（天津大唐国际盘山发电有限责任公司301907）

摘要：对水源地控制系统结构进行了简要介绍，详细描述了无线遥控技术在水源地系统中的应用及硬件设备关键点。对水源地系统在运行中出现的问题进行了简要描述。详细分析了雷电形成的过程，并结合地域气候特点分析了雷击对控制系统的危害。针对无线信号传输特点深入浅出的说明了地表建筑对无线传输的影响。阐述了改进优化方案及系统改良后的实际效果。对无线遥控系统的日常维护具有重要参考意义。

关键词：无线遥控技术；水源地控制系统；防雷；信号干扰

Theinfluenceofgeographicalfactorsonwirelessremotecontrolsystemanditsoptimizationanalysis

Abstract：Thestructureofwatersourcecontrolsystemisbrieflyintroduced.Theapplicationofwirelessremotecontroltechnologyinthewatersourcesystemandthekeypointsofhardwaredevicesaredescribedindetail.Theproblemsintheoperationofwatersourcesystemarebrieflydescribed.Theprocessoflightningformationisanalyzedindetail，andtheharmoflightningtothecontrolsystemisanalyzedcombiningwiththeregionalclimatecharacteristics.Theinfluenceofsurfacearchitectureonwirelesstransmissionisexplainedinthelightofthecharacteristicsofwirelesssignaltransmission.Theimprovementandoptimizationschemeandtheactualeffectafterimprovementareexpounded.Ithasimportantreferencesignificanceforthedailymaintenanceofwirelessremotecontrolsystem.

Keywords：wirelessremotecontroltechnology；watercontrolsystem；lightningprotection；Signalinterference

引言

天津大唐盘山国际发电有限责任公司（简称“盘电公司”）装机容量为2台600MW火电机组。水源地控制系统在2004年设计建成并投入使用，实现了供水生产调度和管理自动化。本文将简要介绍水源地控制系统的系统结构，并对无线遥控技术存在的问题及改进方案进行详细描述。

1水源地控制系统结构

1.1水源地控制系统监控范围

本系统由主调度机、深井泵房无线控制终端、综合水泵房有线控制终端（含3台生产泵、3台生活泵、2个水箱的监控）、生活用水箱控制终端盒无线通讯网络等部分组成。

1.2控制系统组成

1.2.1系统主调度机主机选用dellt3400工作站，采用双网冗余方式接入辅控网系统，与终端设备的通信分为两部分，其中一部分为采用RS485有线通信方式与综合水泵房PLC连接，另一部分为采用无线数传电台与深井泵房、生活水PLC连接，系统构成框图如图1所示。

图1水源地控制系统布置图

1.2.2盘电公司1、4、6、7共4台深井泵及生活水箱配置西门子PLC无线控制终端，终端主要由西门子S7模块、无线数传电台、电流电压变送器、定向天线、稳压电源等部分组成。分别用以监测各深井泵三相电流、流量及水箱液位等参数，同时完成对各泵的启停控制、电机运行状态检测、远方/就地状态检测等。

1.2.3综合水泵房配置西门子PLC型有线控制终端1套，用以完成对3台生产泵、3台生活泵的三相电流、生活水管网压力及2个水箱水位的监测，同时完成对各泵的启停控制、出/入口阀门控制、电机运行状态检测、阀门状态检测、远方/就地状态检测等。

2无线遥控技术在水源地系统中的应用

水源地控制系统中4台深井泵及生活水箱通过无线控制终端与主机通讯实现远程控制。无线控制部分包括：天线及馈线、数传电台、数据线、PLC控制模块及供电电源。

2.1天线：天线采用定向天线。

2.2馈线：天线馈线的选择是非常重要的。

应当避免使用质量差的电缆，因为质量差的电缆会造成功率损耗，从而降低数传电台系统的覆盖范围和可靠性程度。并且要使馈线尽可能的短，不要超过50米为宜。传输线理论中的一个重要的原则是源阻抗必须和负载阻抗相同，以使功率转移达到最大化，并使目的设备端的信号反射最小化。在现实中这通常意味源阻抗和电缆阻抗相同，而且在电缆终端的接收设备的阻抗也相同。根据这一理论选择特征阻抗是50欧姆的同轴电缆为天线馈线。

2.3电源

数传电台可在任何良好滤波功能的10.5到16Vdc直流稳压电源支持下运行。电源应能提供至少2.5A连续电流。当电源电压不稳或电流过低时，无线电台将不能正常发射接收，在水源地系统实际运行中发生了电源引起电台故障的情况，因此需选用性能稳定的稳压电源。

2.4数据连接

将数据电台与就地可编程控制器（PLC）连接需用到数据转接线。MDS2710数传电台的数据接口（DATAINTEFACE）DB-25连接器用于把数传电台连接到支持RS-232类型格式的外部DTE数据终端上。本系统采用HEXIN-Ⅲ型转换器作为RS-232与RS-485之间的双向接口转化器，应用于PLC与数传电台之间，构成点到点、点到多点远程多机通信网络，实现本水源地遥控系统。数据连接形式如下图1：

图1电台与PLC连接图

电台与转换器232端口连接，其接线方式如下图2所示。

图2电台到转换器连接线

转换器到PLC上的232接口的连接线如图3所示。为避免PLC与电台因电位不同损坏PLC的232接口，建议数据线中的地线进行连接。如果PLC与电台同时接地良好，则此时地线可不进行连接。实际运行中建议连接，当系统有接地、雷击、感应电、电源冲击等故障时，转换器极易损坏，以致整个控制终端瘫痪。

图3转换器到PLC连接线

3水源地遥控系统中存在的问题

3.1雷击故障

3.1.1故障现象

由于4台深井泵及生活水箱以无线通讯的方式与主机连接，在十年运行中多次发生电击故障，#1、#4、#6这3台深井泵分别发生过电源、无线电台、数据线及PLC主模件雷击损坏，造成深井泵多次长时间停运。

3.1.2原因分析

无线通讯系统发生电击故障的原因主要来源地理因素。雷电多发生在夏季的午后，其原因是地表气温高、湿度也较高，底层空气受热密度降低形成上升气流，与高空的低温干燥空气相对运动，就形成了雷暴云团。一般情况下雷云总是上层带正电荷，下层带负电荷[1]；另外，在云团底部还有一些带正电荷的小群云团，与大地上极性相反的电荷遥相呼应。当这些电荷达到雷击电势时，其间的空气电阻就被击穿，形成一个低电阻带。强大的电流在瞬间流过被击穿的低电阻带，形成了一次空地间放电——闪电，并伴有放电时的强烈声响——雷声。这就是一次典型的雷击过程，称之为“直接雷击”（直击雷）。在雷暴云团内部或云团间也经常发生放电现象，如果发生在距地面较近或距直接雷击点较近的地区，由于云团中电荷引力的作用，也会形成局部高电势并引发放电，称为“感应雷击”（感应雷）。此外还有“球状雷击”、“地冲击”等雷击形式。地冲击造成的损害与高压电力线对地短路时造成的“跨步电压”有些相似，也能对设备造成相当严重的破坏、甚至伤害设备操作人员。地冲击也经常伴随着直击雷或感应雷发生。

我国是一个中纬度国家，每年春末我国大部分地区进入雨季，降雨时、常会伴有雷电发生。近几年我国各地年平均雷电日（雷暴日）数为40余天，并且呈上升趋势，每平方公里每年有6次以上落地雷。北京和天津电视塔每年平均要遭受10次雷击[2]。雷电对通信设备的危害更是不容忽视的问题。在年雷暴日为20天的较干燥地区，一座100m高的天线发射塔，年平均遭受直接雷击的概率为2次。通信线路、尤其是采用架空明线的有线通信线路和广播网，尽管有较完善的避雷设施，但每年因雷击损毁，要占到总维修量的20%以上。

另外，天津蓟县坐落于我国北方地区，风沙较大，由于沙粒与干燥空气摩擦带电，也会在天线和馈线上积聚电荷，感应电压而发生放电。因风沙静电造成的危害一般没有雷电严重，但发生频繁，也具有相当的危险性。因而也应该按防雷电要求安装避雷器，以保护电台设备和操作人员的安全。

3.2信号干扰

3.2.1故障现象

生活水箱由于有#4机组冷却塔的阻挡，无线信号无法直线传播，常常有通讯中断发生，此时水箱液位无法显示，运行人员无法及时根据液位启停深井泵，容易造成水箱溢流和断水情况。

3.2.2原因分析

无线电波的传播方式，因波长的不同而有不同的传播特性，分为地波、天波和空间波三种形式。地波即沿地球表面空间向外传播的无线电波。中、长波均利用地波方式传播。天波即依靠电离层的反射作用传播的无线电波叫做天波。短波多利用这种方式传播。空间波即沿直线传播的无线电波。它包括由发射点直接到达接收点的直射波和经地面反射到接收点的反射波。

水源控制系统采用MDS公司的2710A型数传电台，发射频率为227.25MHz，此频段属超短波，波长较短，它的地面波衰减很快，因此也不能依靠地面波作较远距离的传播。当频率上升至超短波频段时，电离层与它的传播关系越来越少[3]，因此它主要是由空间波来传播的。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。在直视距离内超短波的传播区域习惯上称为“照明区”。在直视距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。#4冷却塔高145米，塔到主机接收站的直线距离约500米，接收信号的场强将受到极大影响。在实际运行中上位机时常出现信号丢失，#3水箱液位无法检测、入口门状态无法监控。尤其是在大风、雷雨、雪雾等恶劣天气出现时信号常常出现数小时丢失的情况。

4水源地控制系统优化方案

4.1雷击故障消除方法

防雷装置由外部防雷装置和内部防雷装置组成[4]。外部防雷以接闪器（避雷针、避雷网、避雷带、避雷线）、引下线、接地装置为主，其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭，将可能击中建筑物的雷电通过避雷针（带、网、线）、引下线等泄放入大地。内部防雷包括防雷电感应、线路浪涌、地电位反击、雷电波入侵以及电磁与静电感应的措施。

4.1.1外部防雷

安装常规避雷针、避雷带是防直击雷的最好方法。当空中有带电的云时。避雷针的尖端因静电感应就集中了异种电荷，发生尖端放电，与云内的电相中和，避免发生激烈的雷电。如果云中积电很快，或一块带有大量电荷的云突然飞来，有时来不及按上述方式中和，但这时由于避雷针高过周围物体，它的尖端又集中了与云中电异号的电荷，如果雷电是在云和地面物之间发生，放电电流主要通过避雷针流入大地，因此，不会打在房屋或附近人的身上，只会打在避雷针上了。基于此种原理，在深井泵房附近装设专门的避雷针，并定期进行检测，以保证具有良好的导电性。

同时，应注意在避雷针范围内应避免过高的树木或者其它导体从避雷范围外将雷电引入被保护区域。盘电公司#1深井泵因雷击引起无线通讯系统故障，事后查找事故原因，发现在深井泵房房顶有一电源引出线，为固定此电源引出线施工单位进行了铁丝捆绑加固，导致雷电引入造成了雷击，后对铁丝进行了绝缘处理后未再发生雷击事故。

4.1.2内部防雷

作为内部防雷措施，在电源端安装了V20-C/2型电源避雷器，在天线馈线端安装LP-2B型避雷器。v20-c/2型浪涌保护采用了一种非线性特性极好的压敏电阻。在正常情况下，浪涌保护器处于极高的电阻状态，漏流几乎为零，从而保证电源系统正常供电。当电源系统出现浪涌过压时，电源浪涌保护器立即在纳秒级的时间内导通，将过电压的幅值限值在设备的安全工作范围内，同时将浪涌能量入地释放掉。随后，浪涌保护器又迅速变为高阻状态，从而不影响正常供电。

LP-2B型避雷器是一种气体放电式同轴串接型避雷装置，用来吸收架设在建筑物、塔杆或地面的天线设施上的雷电，强电感应或气候变化引起的脉冲放电的冲击，能够可靠的保护通讯发射机、接收机、电台等设备不因雷电冲击损坏，是一种广泛用于天馈系统、计算机系统、工业控制系统及其它通信系统的新型避雷器。

系统在2013年加装避雷器后未再发生雷击、感应电、静电等原因引起的设备损坏。

4.2信号干扰改进方法

4.2.1将就地终端天线更换为高增益八木定向天线，型号为D200A-8-12型。增加信号源的场强来增加信号稳定性[5]。

4.2.2改变#3水箱天线位置解决信号被遮挡问题。根据#4冷却塔、制水主机接收站方位和就近避雷的原则重新选址，在#3水箱东侧单立铁管，放置电台天线，经多次调整实验确立了新的天线位置，极大地改善了设备通讯信号断断续续的情况。

5结束语

经过防雷、抗干扰等一系列系统改造后，经过两年多的现场运行发现，系统未再发生雷击、感应电、静电等原因引起的设备损坏，同时#1深井泵和#3水箱信号稳定性得到了极大提高。运行人员可以实现水源地系统的自动控制，避免了运行人员频繁到就地观察液位的麻烦，极大减小了运行人员的劳动强度。同时避免了水箱跑水等水资源浪费情况，保证了生产、生活用水的平稳有序，提高了资源利用率。

同时，我们也清醒地认识到无线通讯的固有缺陷，在雷雨、大风等极端恶劣天气时#3水箱仍偶尔出现通讯暂时中断的情况，此时，由于超短波的绕射能力较弱，但反射能力较强，我们可以在就近建筑物上设置反射板来增强信号，或者在#7深井泵房设中继站，进一步提高系统稳定性。

参考文献：

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ZhengDongqi.Theformationoflightningandthepreventionofdirectlightning[J].Fuzhou：Institute，2001，1.

[2]吴金坤、谢振明，中国沿海地区港口智能化建筑防雷技术探讨[J]，上海：港口科技，2007，7。

WuJinkun、XieZhengming，DiscussiononlightningprotectiontechnologyforportintelligentbuildingsinChina'scoastalareas[J]，Shanghai：Portscienceandtechnology，2007，7

[3]王宇杰，张泓，王利民，浅析超短波在山区的传播特点及应用[J]，哈尔滨：黑龙江水利科技，1996，4。

WangYujie，ZhangHong，WangLimin，Analysisofthecharacteristicsandapplicationoftheultrashortwavepropagationinthemountainarea[J]，Harbin：HeilongjiangScienceandTechnologyofWaterConservancy，1996，4.

[4]GB50057-2010建筑物防雷设计规范[S]，北京：中国建设出版社，2010。

GB50057-2010Designcodeforprotectionofstructuresagainstlightning[S]，Berjing：ChinaReconstructsPress，2010.

[5]张汉明，王仕华，陈贤春，黄硕民，罗泽永，U段高增益双层八木定向天线制作[J]，四川：西部广播电视，2016，1。

ZhangHanming，WangShihua，ChenXianchun，HuangShuomin，LuoZeyong，ProductionofUsegmenthighgaindoubledeckYagidirectionalantenna，Sichuan：WestChinaBroadcastingTV，2016，1.