基于無線傳感網絡的電力線監測系統設計

摘 要：本文簡述了無線傳感網絡的概念，提出了一種基于無線傳感網絡的電力線監測系統方案，通過分布于電力鐵塔的無線傳感器和ZigBee無線網絡技術，建立了一個鐵塔及輸電線路的在線監測的無線網絡模型，并在此基礎上給出了無線傳感器網絡及其監控平臺的軟件結構和實現方法。

關鍵詞：電力線監測；ZigBee；無線傳感網絡

隨著國民經濟的快速發展，企業日益增長的電力需求，對電力部門的電力供應質量，尤其是穩定性和不間斷性，提出了更高的要求。定期巡視輸電線路線是確保供電安全的重要手段之一，但在某些偏遠山區、林地，人工巡線不便，無法及時發現輸電線路存在的安全隱患，這嚴重影響了輸電線路的安全。特別是近年來，冰雪災害天氣頻繁侵襲輸電線路，導致鐵塔和輸電線路因覆冰原因受到嚴重損害。輕則線路跳閘，重則斷線倒塔，嚴重制約了電力系統電網的發展，進而影響了社會生產和居民供電。傳統的無線網絡也難以覆蓋，而無線傳感網絡的出現正好能彌補這方面的缺陷。

1 無線傳感網絡簡介

1.1 WSN（wireless sensor networks）

無線傳感網絡（Wireless sensor network），是由許多在空間中分布的自動裝置組成的一種無線通訊計算機網絡，這些裝置使用傳感器協作地監控不同位置的物理或環境狀況（比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物）。

無線傳感器網絡以微型傳感器節點為中心，節點通常是一種嵌入式系統設備，集成了網絡終端和路由器的功能，執行全新的信息獲取和處理模式。可實現數據采集、處理、存儲和轉發以及無線通信、協同合作等功能，其目的是感知、采集和處理覆蓋范圍內所感知對象的信息，并轉發給用戶[1-2]。

無線傳感網絡是屬于多學科交叉研究領域，涉及多種前沿技術，包括嵌入式計算技術、分布式信息處理技術、現代網絡及無線通信技術、傳感器技術等，最早由美國卡內基梅隆大學于上世紀七十年代末開始進行研究。

無線傳感網絡由分布在各處的無線傳感器節點和傳輸至傳統網絡的網關兩部分組成。

1.2 Zigbee

Zigbee技術是近幾年發展起來的一種短距離無線通信技術，由于具有低功耗、低成本、支持多種網絡拓撲結構、低復雜度快速、可靠和安全等特征，應用日趨廣泛。它主要是2.4GHz頻段，采用直接序列擴頻（DSSS）技術。ZigBee技術主要面向低速率的應用場景，主要分為20-250Kb/秒（2.4GHz的），40Kb/秒（915MHz的）和20Kb/秒（868MHz的）的三種數據速率。普通的兩節5號電池可以維持ZigBee節點工作半年到兩年時間，協議簡單且無需專利費，這也不同程度上減少了其開發成本。

ZigBee網絡主要包括三種功能設備：網絡路由器（Router）、網絡協調器（Coordinator），網絡終端設備（End Device）。網絡路由器和網絡協調器屬于全功能設備（FFD），可以和同一網絡中任何設備進行通信，網絡終端設備屬于簡化功能設備（RFD），只能和FFD進行通信，進行傳感器數據收集工作。

ZigBee網絡的拓撲結構有星型、樹型和網型三種，可以根據實際應用來選擇合適的網絡拓撲結構，由于ZigBee網絡拓撲以相互獨立的工作節點為依托，因此每個ZigBee網絡至少有一個全功能設備（FFD）來進行網絡建立和協調。

ZigBee技術已獲得業界的認可，ZigBee技術的低成本，低功耗和低速率，決定了將無線傳感器網絡應用于電力線監控系統，將會有著良好的前景。

2 系統設計

2.1 總體設計

本系統的目的就是依靠無線傳感網絡監控電力輸電線路和電力鐵塔等設備。用各種小型無線傳感器分布在設備和線路的各種不同的位置，并采集采樣各種數據信息，通過Zigbee技術組成無線傳感網絡來傳輸信息至各監控服務器處理。

整個監控系統由無線傳感器網絡子系統和計算機上層管理軟件兩部分組成，無線傳感器網絡子系統由傳感器節點群組成，每個節點采集對應的監控數據并通過射頻通信模塊進行轉發。計算機上層管理軟件部署在主機上，針對無線傳感器網絡轉發的數據進行處理和儲存，一旦數據異常，還能根據提前設定的策略發出相應的告警。無線傳感器子系統與上層計算機系統依靠FFD設備節點互聯。不同于RFD設備節點，FFD設備節點功能相對復雜，可與網絡內的RFD進行數據通信，在此基礎上形成的多級FFD節點的分層結構更加復雜，可以應用于更大網絡規模和更多有效節點的場景。基站可以是一臺服務器，位于計算機網絡的末端。FFD節點和基站之間，通過串口等接口相連。FFD節點是網絡的匯聚點，將傳感器節點采集的數據整理后發送到基站的計算機系統。若是計算機系統用戶要向傳感器發送指令，只需通過FFD節點分發到指定的傳感器節點。

2.2 網絡結構

架空輸電線路的基本結構利用不同的鐵塔中繼，將導線一級級的連接延伸。所有的鐵塔都會按照一定規律布置，無限接力傳輸也依賴這些鐵搭進行短距離傳輸。每座塔在一組被稱為Zigbee網絡，兩個FFD設備將被安裝在中間，作為中央節點互為主備用。在鐵塔上和輸電線路上設置各種RDF設備的傳感器用于采集各種數據。

多個鐵塔形成多個Zigbee網絡，這些網絡共同組成一個區域，匯集所有的數據傳輸至網關節點。如圖1所示：

按照電力鐵塔的分布，基本的結構為線型，帶狀網絡。雖然目前已有長距離帶狀網絡的優化協議，但整個網絡的傳輸效率畢竟不高。為了提高網絡的效率和可靠性，我們可以擺脫電力線的束縛，用無線跨越鐵塔等級。

電力傳輸上有明確的等級觀念，各種不同電壓等級的電力傳輸線路必須使用不同高度不同結構的鐵塔。各種電壓等級輸電線路互相并行、交叉或者穿越必須嚴格的在空間上保持一定的距離。但這個距離在無線傳輸的領域上可以視為相鄰。經濟發達地區整個輸電網絡都已完善，都已組成較為完善的輸電網絡。因此，我們可以形成大規模的Zigbee網絡，不以線路劃分來區分網絡而是以區域或片區來組成一個結構更為合理的網狀網絡。以各個變電站匯聚各片區傳輸的數據，并通過光纖傳輸至數據處理中心來分析監視采集的數據內容。

2.3 無線監視節點的功能

無線傳感器網絡節點一般由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源單元四部分組成：

監視區域的信息將被數據采集單元采集。通用模塊包括溫度，濕度等，也包括WSN路由器/采集器一體化設備。數據經過采集單元之后，會被傳輸到處理單元，在這里對每個傳感器的節點進行處理，同步，定位，路由協議，管理功耗。設備支持多種接口，如RS-232、RJ-4，高性能的微型處理器也可以高效的處理數據。數據經過處理單元后會被送入傳輸單元，控制信息和收發數據將會通過這個單元進行無線傳輸。

⑴環境監測感應器。用于對周邊環境進行檢測，包括溫、濕度感應器、風速感應器等。而這些感應器又可分為越限感應器和度量感應器兩種。越限感應器用于實時監測，平時不發送數據，或者定時發送少量正常狀態的信號，一旦越限實時發送數據。而度量感應器則定時發送采集的數據。多種感應器搭配使用既可達到實時監控預警的目的又可減少網絡傳輸的數據量，提高網絡利用率。

⑵設備狀態感應器。用于對鐵塔、輸電線路、瓷瓶等電力設施狀態的監控。采用重力感應器、拉力感應器、電負荷感應器、振幅感應器等裝置對設備的運行狀態等實時監控，預防各種事故的發生。

⑶視頻圖像聲音多媒體監視。由于視頻圖像或者聲音等都需要傳輸大量的數據，因此并不適用于無線感應網絡，但少量的經過壓縮的照片和圖像等可以按需進行采集。

2.4 監控中心設計

針對多種檢測技術并存的情況，如何對數據進行整合，將采集來的數據集中運算處理成為了一個難題。但由此可見，開發在線檢測平臺對節約成本，合理有效的利用數據顯得尤為重要。這個檢測平臺由軟件和硬件兩部分組成，主要可以完成以下功能：數據檢測，數據將被采集傳輸集成，供用戶查詢記載分析。運行狀態檢測，實時檢測設備的運行狀態，并有效的處理數據；報表統計，方便用戶提取日常報表，使用各種曲線，餅狀圖，柱狀圖去展示數據信息。通過對分布在各個電力桿塔上的監測點的數據收集，匯聚到監控中心，電力監測系統能實現在線數據分析處理。無線傳感網絡能自主完成組織維護功能，從而確保無線傳感器網絡內部數據的可靠傳輸。

主要實現以下功能：

⑴各類數據進行詳細的分類/分項采集：可以采集溫濕度、發熱量、風速等信息；

⑵統計分析：監測單元的年度、月度、每日、每小時乃至每分鐘的狀態曲線，生成報表，并提供詳細的數據分析報表，及時發現隱患；

⑶網絡拓撲管理：基于無線傳感器網絡的網絡狀態，實時更新和顯示設備間的信號強度和設備運行狀態等信息；

⑷提供用戶權限、密碼、系統參數配置等基本管理功能；

⑸根據用戶需求，提供GIS服務功能；

另外監控中心還必須滿足以下的幾個條件：

⑴建立開放性的標準數據接口。利用Web服務提供的接口，將不同廠家不同的數據格式進行統一轉換并接收。

⑵建立標準化的數據庫，實現所有在線監測數據的集中存儲、管理和應用。

⑶進一步可建立數據倉庫，利用數據挖掘等智能技術來分析大量數據，來發現和探索潛藏的電力傳輸的規律、特性、隱患、缺陷等。

3 結語

基于無線傳感網絡的電力傳感系統在滿足各項監測要求的前提下，組網便捷、覆蓋區域廣和適用性高，并且擴展升級潛力巨大。無線傳感網絡是目前研究的熱點，但其目前還存在許多的問題，如Zigbee網絡的容量限制、傳感器之間傳輸距離限制，網絡協議效率低等。

本方案下一步的研究重點包括：多種無線傳輸協議的研究；多種監測節點設計和整合；高壓環境下設備的電磁兼容性；無線傳感網絡的網絡傳輸性能和安全機制；監視管理平臺數據的采集、分析、利用等。

[參考文獻]

[1]RAJRAVIVARMA V.YANG Y.YANG T.An overview of Wireless Sensor Network and applications [C].IEEE Proceedings of 35th Southeastern Sympo sium on System Theory，2003：432-436.

[2]馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感網絡綜述.通信學報，2004，25（4）：114-123.