基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的高壓輸電線(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

原殊皓,姚 俊

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司長(zhǎng)治供電公司,山西 長(zhǎng)治 046000;2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司朔州供電公司,山西 朔州 036000）

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求

1.1 支持遠(yuǎn)距離傳輸

在高壓輸電線(xiàn)路中，越高的電壓等級(jí)就常常會(huì)有越遠(yuǎn)的傳送距離。往往可以經(jīng)過(guò)很多不同的特殊區(qū)域，例如重冰區(qū)和大風(fēng)區(qū)等。根據(jù)區(qū)域的不同情況，就要進(jìn)行相應(yīng)的部署，安排合適的監(jiān)測(cè)設(shè)備，做重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。因?yàn)楸O(jiān)控區(qū)域之間通常都可能相聚甚遠(yuǎn)，甚至可能會(huì)有幾十公里遠(yuǎn)的距離，所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)也有著更高的要求，要就是要能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分靈活

輸電線(xiàn)路的排列方式通常都是呈現(xiàn)線(xiàn)性的結(jié)構(gòu)，一個(gè)個(gè)變電站組成了一個(gè)個(gè)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝在桿塔上，它會(huì)隨著排布而呈現(xiàn)出線(xiàn)性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了使占地資源得到有效地節(jié)省，多是一個(gè)桿塔由多回輸電線(xiàn)路共用，這就是所謂的“同塔多回”。而就局部位置的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠裕@個(gè)時(shí)候通常會(huì)呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。若是對(duì)很多不同的輸電線(xiàn)路進(jìn)行一定時(shí)間段的共同監(jiān)測(cè)，那么這一結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)在線(xiàn)路匯聚的地方。所以，靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式要求有很好的支持，即網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1.3 對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С?/h3>

就各網(wǎng)省公司的考察對(duì)象而言，最主要還是針對(duì)輸電線(xiàn)路，具體考察其運(yùn)行狀況。最終發(fā)現(xiàn)線(xiàn)路故障的誘因主要包括污閃、微風(fēng)振動(dòng)和覆冰等等。相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括兩大常用類(lèi):（1）標(biāo)量數(shù)據(jù)類(lèi)型。例如，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)桿塔絕緣子的電流數(shù)據(jù)等。（2）圖像類(lèi)型。無(wú)線(xiàn)傳感器的節(jié)點(diǎn)通常都較為特殊，既有傳統(tǒng)的標(biāo)量，又有圖像傳感器。對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求比較高，要求能夠進(jìn)行多種數(shù)據(jù)傳輸，且具備較高的傳輸帶寬。此外，監(jiān)控規(guī)模也在逐步增加，數(shù)據(jù)量大增，具體包括網(wǎng)絡(luò)采集和傳輸在內(nèi)，所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求就是滿(mǎn)足帶寬需求。

2 對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）高壓輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。必須根據(jù)監(jiān)測(cè)的具體需求來(lái)進(jìn)行部署，具體指的是無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn))的部署，也不是一定要求安裝在每級(jí)桿塔。監(jiān)測(cè)子站基本上安排和部署在靠近無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的地方，選擇的安裝地點(diǎn)通常都是在桿塔上。既負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，又得促成無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)，傳送數(shù)據(jù)至節(jié)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān))，接下來(lái)把互聯(lián)網(wǎng)或者內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)接上匯聚節(jié)點(diǎn)，這樣后面的監(jiān)控中心就可以進(jìn)行收到。通常設(shè)置節(jié)點(diǎn)都是在某些固定位置，并主要是高壓變電站。若是進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的傳輸，那就能以監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布局為依據(jù)來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)子站進(jìn)行更靈活的部署，確保每一監(jiān)測(cè)子站都能覆蓋每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且監(jiān)測(cè)子站全部可以對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)多跳連接。在此情況下，用到監(jiān)測(cè)子站的機(jī)會(huì)是最少的，還能將安裝和維護(hù)的工作量有效地減少。，要不然會(huì)因傳輸距離的局限，而需要專(zhuān)門(mén)的監(jiān)測(cè)子站用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。應(yīng)該以監(jiān)測(cè)需求為依據(jù)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

子網(wǎng)的組成主要包括兩部分內(nèi)容，一是監(jiān)測(cè)子站，一是其周?chē)臒o(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，呈現(xiàn)出的網(wǎng)絡(luò)為星形[1]。子網(wǎng)采用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為Zigbee技術(shù)，其可以實(shí)現(xiàn)距離近、功耗低和成本低等優(yōu)勢(shì)。若是網(wǎng)絡(luò)范圍小，那這種技術(shù)就不但可以使標(biāo)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰玫綕M(mǎn)足，如溫度、弧垂等，還能考慮到圖片等大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)需求。監(jiān)測(cè)子站是簇頭節(jié)點(diǎn)，各方面處理能力比較強(qiáng)，主要由它們來(lái)構(gòu)成骨干網(wǎng)絡(luò)。采用的一種網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)，與IEEE 802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)相符合，能夠進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）采集終端的設(shè)計(jì)。采集終端包括傳感器模塊、電源模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊三大主要模塊[2]。無(wú)線(xiàn)通信模塊選用的模塊可支持Zigbee標(biāo)準(zhǔn)。電源模塊能以傳感器節(jié)點(diǎn)放置位置為依據(jù)來(lái)確定。

（3）監(jiān)測(cè)子站的設(shè)計(jì)。“監(jiān)測(cè)子站主要包括主控模塊、電源模塊、Zigbee通信模塊和基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的通信模塊。”[3]因?yàn)楸O(jiān)測(cè)子站是在桿塔上放置的，所以選擇的供電方式是太陽(yáng)供電。

（4）監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)。監(jiān)控中心除了進(jìn)行監(jiān)控，還有最主要的任務(wù)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。能夠提供的有歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、定位故障點(diǎn)和報(bào)警緊急事件等功能。針對(duì)泄漏電流等特殊數(shù)據(jù)，還需要專(zhuān)家知識(shí)做進(jìn)一步的處理和分析以實(shí)現(xiàn)輔助。

（5）診斷與維護(hù)。現(xiàn)在的形式是網(wǎng)絡(luò)在持續(xù)擴(kuò)大自己的規(guī)模，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)也在與日俱增，促使網(wǎng)絡(luò)故障和維護(hù)成了關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)該系統(tǒng)實(shí)施應(yīng)用造成了限制。診斷和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)故障，進(jìn)行這類(lèi)工具的設(shè)置，主要就是為了起到協(xié)助作用，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的一些已經(jīng)失效節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)既有監(jiān)測(cè)子站，也有匯聚節(jié)點(diǎn)，其中的主、子板構(gòu)成了監(jiān)測(cè)子站，主板微處理器(MCU)用到的是低功耗芯片，可以面向通信，主頻可實(shí)現(xiàn)400 MHz。使用這款芯片有助于監(jiān)測(cè)子站的開(kāi)發(fā)，尤其是對(duì)嵌入式監(jiān)測(cè)子站而言。主要配置包括:（1）存儲(chǔ)模塊的存儲(chǔ)器，主要包括了SDRAM和Flash；串口一個(gè)；將SPI接口引出，實(shí)現(xiàn)和子板之間的通信；（2）子板是Zigbee通信模塊，這是獨(dú)立于主板之外的，這樣監(jiān)測(cè)子站就會(huì)更為靈活；（3）對(duì)于匯聚節(jié)點(diǎn)而言，選用的是監(jiān)測(cè)子站中的主板，將變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)接進(jìn)來(lái)主要還是借助的以太網(wǎng)接口來(lái)。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

將嵌入式Linux系統(tǒng)安裝在監(jiān)測(cè)子站上，并對(duì)部分驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了修改和開(kāi)發(fā)，促使路由協(xié)議和數(shù)據(jù)查詢(xún)協(xié)議得以實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在高壓輸電線(xiàn)路中應(yīng)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是有優(yōu)勢(shì)的，但同時(shí)又不得不需要應(yīng)對(duì)一些困難，其中的一些關(guān)鍵問(wèn)題主要包括傳輸帶寬、傳輸距離和電磁兼容等。本文對(duì)高壓輸電線(xiàn)路的布局和監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行了詳細(xì)地分析，對(duì)實(shí)施中遇到的主要問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的討論。本文設(shè)計(jì)的這一系統(tǒng)具有很高的可靠性高和可擴(kuò)展性，還有低運(yùn)行費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于我國(guó)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的高壓輸電線(xiàn)路而言，尤其適合其在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

[1]楊樹(shù)明,史勝達(dá).獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].太陽(yáng)能,2001(03):194-198.

[2]黃敏,李達(dá),朱婷.基于CDMA1X網(wǎng)絡(luò)的架空輸電線(xiàn)路無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007(05):105-107.

[3]傅正財(cái),吳斌,黃憲東,等.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的輸電線(xiàn)路故障在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù),2007(05):69-72.