高壓供電線路故障定位系統的無線傳輸網絡設計

作者簡介：董愛華（1955—），男，河南鹿邑縣人，教授，碩士生導師，研究方向：信號檢測與數字信號處理方面的教學（E-mail：dah@hpu.edu.cn）；孫士棟（1972—），男，河南鹿邑人，高級工程師，研究方向：供電生產、技術管理。

摘要：無線傳輸網絡是高壓供電線路故障定位系統的重要環節。為了實現供電線路故障信號的可靠傳輸，作者在分析比較現有無線傳輸技術的基礎上，采用Zigbee無線傳輸技術設計出高壓供電線路故障定位系統的無線傳輸網絡電路。選用帶功率放大模塊的Zigbee芯片，使信號無線傳輸距離達一千米以上，節省了傳輸節點的個數，降低了成本。該無線傳輸網絡具有性能可靠、傳輸距離遠、運行費用低的特點。

關鍵詞：無線傳輸網絡；Zigbee模塊；高壓線路；故障定位

中圖分類號：TM726.1文獻標識碼：A

1引言

隨著經濟的不斷發展，用電負荷大幅度增加，致使很多供電線路滿負荷、甚至超負荷運行，再加上有些線路運行年限已久，線路老化嚴重，因此高壓供電線路短路故障及接地故障時有發生，給用戶的正常生產和安全帶來極大隱患[1]。另外，由于高壓輸電線路多處于山區、丘陵地帶，地形地貌比較復雜，且線路分支線多。目前缺少實用性強的線路故障檢測及定位系統，所以當供電線路出現故障時，需要人工沿線路進行排查，尋找故障點位置，要花費大量的人力物力。由于人工查找故障點，很難做到故障點的快速發現、故障線路快速恢復，因此，一旦發生故障停電事故，不僅會影響用戶的正常生產，降低生產效率，還會損壞大型電氣設備，造成重大的安全事故，嚴重時會引起電弧造成爆炸事故，危及生命財產的安全[2]。為了提高供電線路的可靠性，實現故障線路的快速恢復，極大限度的減小停電時間，我們開展了高壓輸電線路故障分段定位系統研究，其中一個重要內容是選擇適合的信號無線傳輸方式，設計出高性能的無線傳輸網絡系統，實現模塊高壓線路線路故障信號的可靠傳輸。

2技術方案

目前對于故障點的檢測與定位主要利用故障指示器實現線路故障分段定位，由于通常故障指示器沒有信號的自動發射、傳輸功能，當線路出現故障后，需要人工沿線查找，增加了故障查找時間和難度。為了實現故障的快速查找，目前也出現了“線路故障定位系統”，現有系統大都采用信號檢測電路對線路短路、接地故障信號進行檢測，信號傳輸采用GSM/GPRS網絡通信方式[3]。信號傳輸為多點發射方式，即每一個發射點都相當一部手機在工作。所以，一條距離較長的供電線路需要幾百個甚至上千個發射點。由于這種無線傳輸方式需租用通信網絡，每年需要給網絡公司上繳大量的通信費，因此運行費用高，不適用于長距離供電線路。除此之外，常用無線傳輸方式還有如下幾種：①CDMA（Code Division Multiple Access）技術：這種碼分多址通信技術具有頻率利用率高、手機功耗低的優點，最大的缺點就是必須依賴無線通訊運營商，這樣會大大增加運行成本。②藍牙（BlueTooth）技術：它是一種能使手機與其附件（如耳機）之間互相通信的無線模塊，它的工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m 半徑內，屬于短距離無線傳輸技術，不適合線路故障信號的傳輸。③Zigbee無線通信技術：它是最近發展起來的一種短距離無線通信技術，采用跳頻技術和擴頻技術。如與功放模塊結合，傳輸距離可達數千米。經過分析比較本技術方案采用Zigbee無線通信技術，選用帶功放、型號為IP-Link 1223-51模塊，它是赫立訊公司推出的基于IEEE802.15.4/ ZigBee技術的嵌入式無線傳輸模塊。它包含一個高性能的8-bit 8051微處理器和一個符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發器。其主要技術性能如下：①工作頻率2.4GHz；②符合IEEE802.15.4標準；③數據傳輸率250Kbps；④支持625K增強模式；⑤傳輸距離可達1500m以上；⑥低功耗設計；⑦時鐘頻率24.5MHz；⑧最大支持65535個節點；⑨體積最小的PA模塊，支持UFL外置天線。該技術的主要特點是能夠自成體系，將線路的故障信號逐級、接力式地傳輸到分站[4]，再由最后一級分站將接收到的信號送給上位機，經上位機對故障信號分析處理后，確定出故障類型、故障點位置。

該系統主要由線路故障檢測器與ZigBee無線發射器、無線接收器、變電站工控計算機和監控系統主機等部分組成。在每個檢測點上裝設故障檢測與發射器，通過逐級傳送方式將故障信號傳給變電站處的收發裝置，再經過有線方式送給分站工控機，對故障信息進行分析、處理、顯示或打印。發生故障時，還可進行聲音報警，并顯示出故障類型和故障點位置。

3無線傳輸網絡的硬件設計

無線傳輸網絡是高壓線路故障檢測與定位系統的神經中樞，各個故障檢測點的信息通過ZigBee網絡傳輸給上位機，上位機也通過ZigBee網絡將指令傳輸的各個檢測點。無線傳輸網絡設計包括ZigBee收發拓撲結構設計、ZigBee路由節點電路設計、協調器電路設計等內容。

計算技術與自動化2013年9月

第32卷第3期董愛華等：高壓供電線路故障定位系統的無線傳輸網絡設計

3.1無線傳輸網絡的拓撲結構

無線網絡的拓撲結構決定了網絡性能及傳輸速度。ZigBee的拓撲結構分為[5]：星形網絡、鏈狀網絡、網狀網絡。根據高壓供電線路故障定位系統實際情況，為了提高數據傳輸網絡的可靠性，采用網狀結構技術方案。該結構在系統中設置一個協調器，用于建立網絡、維護鏈路、接受和發送數據。

由于需要對高壓供電系統的三相線路進行實時檢測，因此每一個傳輸點必須安裝A、B、C三個無線發射/接收裝置，即在選定的線路桿塔上分別對A、B、C三相線路設置三個路由器，如：路由器n1、路由器n2、路由器n3。其中，1

3.2路由節點電路設計

路由節點電路主要由單片機、ZigBee模塊組成[6]。其中單片機選用ATmega16，它是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，其內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏輯單元（ALU） 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。ZigBee模塊選用IP-Link 1223-51型，該模塊為飛思卡爾的專用集成芯片，帶功率放大，傳輸距離超過1km，傳輸數據速率大于50kB，路由等級可達50級，網絡延時小于2ms。該模塊具有TTL電平收發接口和標準RS232數據串口，可以實現數據的廣播方式發送，按照目標地址發送模式，除可實現一般的點對點數據通信功能外，還可實現多點之間的數據通訊，串口通信使用方法簡單便利。Zigbee路由節點電路原理圖如圖3所示。

3.3協調器電路設計

協調器電路主要有IP-Link 1223-51型ZigBee模塊以及信號轉換芯片組成[7]。其中ZigBee模塊主要用來接收無線傳輸網絡傳送過來的數據，并將接收的數據及時送給工控PC機。由于PC機的串行口為標準的RS232接口，采用的是負邏輯，而ZigBee模塊具有TTL電平收發接口，采用的是正邏輯，兩者之間存在電氣特性的不匹配，通常需要進行串行口輸入/輸出電平的轉換，這里采用MAX3232芯片來完成電平轉換。將信號轉變為PC機能接收處理的電平信號，然后再由工控機進行分析處理。當發生故障時，顯示故障類型和故障點位置。協調器電路圖如圖4所示。3.4數據傳輸模擬測試

為了檢驗數據傳輸距離，對無線數據傳輸系統進行了初步模擬測試。為簡單起見，該模擬無線傳輸網絡由3個節點組成，節點間隔距離為1500 m。數據傳輸模擬測試示意圖如圖5所示。

測試結果如下：

1）傳輸距離：離地高度1.7m，傳輸視在距離達到1500 m；

2）網絡延遲：遠小于0.5秒；

3）數據丟幀：小于0.1%。

測試結果表明，該無線傳輸網絡的信號傳輸距離、速度等性能能滿足高壓供電線路故障系統的信號無線傳輸要求。

4結束語

高壓架空線作為輸配電的重要環節，在我國工農業生產中發揮著越來越大的作用。然而對供電系統的安全可靠性要求越來越高，亟需可靠的供電線路故障的定位裝置。在高壓供電線路故障定位系統中，信號的傳輸則是關鍵環節，選取適合高壓供電線路故障定位系統傳輸方式，研制出性能可靠、安裝使用方便、運行費用低的無線傳輸網絡是當務之急。

本文采用新興的Zigbee無線通信技術，設計出了高壓供電線路故障定位系統的無線傳輸網絡。由于選用的Zigbee模塊帶有功率放大功能，使傳輸點之間的距離有了很大提高，經過實際測試，無障礙傳輸距離最高可達1500m，因而減少了傳輸節點的個數，降低了成本。Zigbee模塊本身具有自組網能力，當中間某個傳輸節點出現故障時，還可通過其它節點自成系統，因而該無線傳輸網絡具有很強的傳輸可靠性，能以逐點接力傳輸方式將故障信息（故障點、故障類型、發生時間等）傳送到監控中心，而不需要租用通信網絡，使系統的運行費用大大降低。

該無線傳輸網絡已用于高壓架空輸電線路的故障檢測與定位系統中，并在河南某大型煤業集團的高壓供電線路中投入運行[8]。應用結果表明該無線傳輸網絡具有較好的推廣應用價值。

參考文獻

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[2]劉樹德，鄭琰，楊鳳民.基于GIS 的故障指示器實現線路快速故障定位[J].供用電，2006， 23（6）： 33-35.

[3]張平澤，趙文兵.基于GPRS的短路和接地故障指示器的設計[J]. 低壓電器， 2008（10）：38-41.

[4]徐容明.一種基于故障指示器的配電線路故障自動定位系統[J]. 電力設備， 2005， 6（10）： 66-67.

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[7]陳繼海，魏曉慧.基于ZigBee 無線網絡的氣體監測報警系統設計[J].電子科技，2012，25（10）：29-32.

[8]董愛華，李良，孫士棟，等.架空線路故障在線檢測與分段定位系統[J].控制工程，2012，19（3）：539-542.