基于無線傳感網絡的輸電線路覆冰預警系統設計

王海倫，余世明，范一鳴

（1. 衢州學院 信電系，衢州 324000；2. 浙江工業大學 智能信息系統研究所， 杭州 310014）

0 引言

輸電線路覆冰有可能引起輸電線路過載、跳閘，導線舞動、絕緣子串覆冰閃絡等事故，目前，我國輸電線路事故較多，尤其是2008年歷史罕見的雪災，導致南方電網覆冰嚴重，多處發生倒塔、折塔、斷線等事故，造成的經濟損失和社會影響較大[1,2]。因此，應加強對電網覆冰在線監測、預警和診斷方法的研究，以減少輸電線路覆冰事故的發生。

目前，國內外學者在輸電線路覆冰機理與導線覆冰載荷的計算等理論方面已取得大量的成果。在技術應用方面，雖然也研制出了一些裝置，但在實際運行中還存在許多不足[3～5]?；诖耍疚脑O計了基于無線傳感網絡的輸電線路覆冰預警系統，該系統運用了氣象數據、覆冰力學監測和覆冰圖像/視頻監測兩種監測技術，對架空輸電線路進行狀態檢測，在覆冰初期及時發現并處理，防止事故發生。

1 系統的整體設計方案

高壓輸電線路覆冰后，絕緣子串處受力，其角度會發生相應的變化，所以，通過測量絕緣子串拉力、角度和當時的氣象條件，可以分析出覆冰狀況，再進一步通過現場圖像的確認，可以確定覆冰的實際情況，從而開啟相應的除冰措施。

本系統根據高壓輸電線路電壓等級高、傳送距離長、覆冰地區氣候狀況復雜、干擾嚴重等特點，設計了層次型異構無線傳感器網絡，其架構如圖1所示。

圖1 層次型異構無線傳感器網絡結構圖

監測子站和附近的終端節點組成的子網采用ZigBee 網型與樹型相結合的網絡，由一個簇頭節點和一系列路由節點和終端節點構成，采用此結構，若一個路由路徑出現問題，可以保證信息沿著其他路徑進行傳輸，使網絡的可靠性提高。簇頭節點負責收集數據和發布命令，當簇頭節點采集到信號后，信號將以單跳或多跳的方式通過自組織骨干網傳送至監控中心，同時，用戶通過監控中心發布監測任務。

子網內采用Zigbee通信，最高帶寬為250 kbit/s，解決了以往采用GPRS(通用分組無線電業務) 通信，壓縮后平均傳輸速率（60～80 kbit/s）低，難以滿足高清晰圖片傳輸需求的問題。滿足溫濕度、壓力等標量數據和高清圖片等大量數據傳輸的需要。簇頭節點構成的無線多跳網絡，采用支持遠距離傳輸的IEEE 802.11b/g標準，單跳鏈路的帶寬最高可達54 Mbit/s，滿足帶寬的需求，配上高增益天線，傳輸距離可達幾十公里[6,7]。

2 高壓輸電線路在線監測系統的硬件設計

2.1 終端節點設計

終端節點是網絡的基本單元，本系統的終端節點主要負責微氣象參數、絕緣子串拉力、絕緣子串傾角和現場圖像等信號的采集、處理和發送，終端節點的結構框圖如圖2所示。

圖2 終端節點的結構圖框圖

終端節點主要由傳感器模塊、控制模塊、無線 ZigBee模塊、系統電源模塊和電源監測組成。傳感器模塊由多種類型的傳感器構成，具體如表1所示。

電源模塊則根據傳感器節點放置的位置確定，放在桿塔上的選擇太陽能電源供電，掛在導線上的采用電磁感應電源供電。

無線通信模塊選用CC2430。CC2430是專門針對無線傳感器網絡開發的片上系統，具有低功耗、抗復雜電磁環境干擾的特點，適合復雜電磁環境中的在線監測。

2.2 監測子站設計

監測子站主要包括主控模塊、電源模塊、Zigbee通信模塊和基于IEEE802.11標準的通信模塊。由于監測子站放置在桿塔上，因此選用太陽能供電主控模塊選擇低功耗芯片。

2.3 監控中心設計

監測中心主要負責將監測到的數據進行接收、存儲和分析。監測中心與基站之間采用C/S客戶端服務器工作模式，將接收并根據數據包協議解析后的數據存儲到數據庫中，根據需要，可從數據庫表中讀取測量數據，并借助專家軟件分析線路的覆冰情況，根據分析結果對未來覆冰趨勢做出預測，給出預警信息。

3 輸電線路監測系統的軟件實現

軟件設計主要包括信號采集和數據分析軟件。信號采集軟件運行在采集節點上。

3.1 監控中心系統軟件設計

監控中心系統軟件使用組態王軟件，采用模塊化設計，為滿足整個監測系統的需要，主要包括初始化模塊、自定義參數配置模塊、數據分析和越線報警模塊等。

3.1.1 參數的初始化模塊

平臺的參數包括：采樣的時間間隔，各采集數據的報警門檻值，網絡參數和報警手機，中斷傳感器的使能參數，拍照的屬性參數，平臺的ID號碼，平臺的密碼，RF無線設備的一些參數，拉力傾角的一些參數等。這部分的參數初始化，步驟基本相同，只是參數的數據類型和結構稍有不同而已。

表1 傳感器選型表

3.1.2 自定義參數配置模塊

本平臺中，自定義了很多的命令，通過串口或者短信，配置一些參數。這些命令主要有配置平臺的ID，配置上網的參數服務器端口，配置子機地址，配置球機地址(導線地線)，配置拉力傾角地址等命令。

3.2 終端節點軟件設計

終端節點軟件主要包括信號采集模塊和信號發送模塊。

3.2.1 采集模塊軟件設計

每個信號采集的方法流程類似。采樣時間到，進入采集程序，確定的參加順序，發送采樣命令，如果不成功重復發送此次采樣命令，重復次數大于三次或者本次采樣成功后，進入下個設備的采樣；下個設備的采樣也類似此次采樣的方法，一直到最后的設備采樣完成。流程圖如圖3所示。

圖3 數據采樣流程圖

3.2.2 發送模塊軟件設計

根據輸電線路監測網絡具有呈線性或網狀排布、數據流向單一、靠近簇頭節點數據量較大容易造成網絡擁塞的特點，設計了能耗受限的可靠路由協議。同時根據數據包的類型不同采取不同的查詢方式。當傳感器節點監測到異常事件時，如絕緣子串傾角超過正常范圍等, 將產生報警數據包,即時主動上傳到監控中心。對于傳感器節點檢測到的無異常數據則采用周期性地上傳到監測子站，保存在外部的flash中，循環上傳到監控中心避免了網絡擁塞。同時在上傳周期間隔時間內可以睡眠以節省能量。流程圖如圖4所示。

圖4 數據發送流程圖

4 試驗分析

4.1 試驗方案

為驗證本文提出的設計方案能否滿足設計需求，在浙江省500KV雙信5465線上進行試驗，該線最高覆冰最厚達9.5mm。沿線放置了10個終端節點，簇首布置在149#桿塔上。

4.2 數據包傳輸率測試結果

試驗時，各終端節點每小時采集1次信息，并將該信息發送到簇首。若無報警信息簇首每24h發送一次信息到監測中心。在半年的實驗期內，各終端節點的數據包傳輸率如表2所示。因加入了CRC校驗，排除傳輸錯誤的數據包，所以統計的傳輸率為正確數據包的傳輸率。從表2的實驗結果可以看出，終端節點的總體數據包傳輸率10個節點中有9個高于96%，只有1個節點（節點8）為93.8%，接近94%，說明系統整體情況良好。

表2 各終端節點的數據包傳輸率

5 結論

本文將無線傳感器網絡用于輸電線路覆冰預警系統。利用無線傳感器網絡解決了現有覆冰監測系統完全倚賴移動電信網，存在網絡覆蓋不到的區域就無法使用、難以實現全方位監控、可擴展性差、運行費用高和傳輸速率受限等問題。提高極端災害條件下監測預警系統通信網絡的可靠性。并結合輸電系統的特點，提出了層次異構型網絡結構，在實際的測試實驗中，丟包現象有明顯改善，能夠有效預防冰災事故的發生。

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