基于無線傳感器網絡的電力變壓器監測系統

摘 要：電力變壓器結構相對復雜，而且電力變壓器是電力系統中的高壓電氣設備，不同故障所表現出的征兆有時具有相同性、隨機性和人為的因素干擾以及現在的故障診斷手段存在的誤差等因素，所以，一般的電力變壓器故障診斷方法是不能滿足現代故障診斷的要求。本文通過利用無線傳感器技術對變壓器故障進行遠程數據監控，通過這一技術手段，設計監測系統。

關鍵詞：無線傳感器網絡；變壓器；監測系統

無線傳感器網絡的體系結構是由3個部分組成。1個采集層，通過各種傳感器裝置，現場采集糧庫壓力、液位、溫度、液體表面的氣體濃度等參數，存儲到無線測控裝置；2個傳輸層，無線測控裝置將數據遠程發送到智能網關，智能網關通過GPRS、TCP/IP、WiFi等方式，將數據上傳到監控中心。3個應用層監控中心的監控軟件把數據解析出來，按照客戶的要求顯示在屏幕上。以及組態軟件、觸摸屏等配套設備，并將相關信息通過多跳中繼發送到匯聚節點；匯聚節點是一種特殊節點，擁有相對較強的處理器和較大的存儲器空間，具有更大的處理能力和發送范圍。

1 ZigBee技術及通訊技術

（1）ZigBee一種介于無線及標記和藍牙技術之間的技術提案，主要用于近距離的無線連接和低功率且傳輸率不高的電子設備之間進行數據傳輸應用。ZigBee傳輸距離為10～100m范圍內，使用頻段為免費的2.4GHz波段，采用跳頻技術和擴頻技術，傳輸速率為20～250kb/s，網絡架構具備Master/Slave屬性，并可達到雙向通信功用。ZigBee是為建立一種可靠的、高性價比的、低功耗的，可以實現監測和控制的無線網絡而制定的，是一套完整的、開放的、全球統一的標準。被全球公認的具有互操作性的解決方案。其技術優勢包括協議簡單、功耗低、時延短、可靠、成本低、網絡容量大、安全、工作頻段靈活。

（2）GPRS是一組采用無線分組交換的高效率數據傳輸，是一種新的承載業務，主要是為GSM用戶以分組形式提供數據業務。該新型的分組數據信道與目前的電路交換語音業務信道基本一致，而現有的基站子系統直能夠提供全面的覆蓋。GPRS允許用戶以端到端的分組轉移模 式發送與接收信息，因此不需要利用電路交換模式中的網絡資源。為用戶提供了高效廉價的通用分組無線業務，尤其適合于突發性的、少量的、間斷的、和頻繁的信號傳輸。利用GPRS技術實現無線分組數據傳輸，用戶上網可以免受斷線的痛苦并且永遠在線是按流量計費，大大地減少了使用成本。

2 通信體系結構

無線傳感器網絡的協議棧結構分為四層：物理層、數據鏈路層、網絡層和高層的應用。建議增加的傳輸層的作用是確保與其他外部網絡的連接。物理層主要用于提供數據發送和接收的物理通道，完成信道能量檢測、頻率選擇以及實現信號調制解調等功能。物理層使用動態功率管理、調整信號的頻率和調制方法、動態電壓調度等途徑來滿足WSN的要求。數據鏈路層是建立可靠的點到點或點到多點的通信鏈路，保證物理層傳輸的數據盡量正確，同時提高系統頻譜效率。網絡層的功能包括分組路由、擁塞控制，完成路由的發現和維護等。傳輸層主要用于提供可靠的額外開銷合理的數據傳輸服務。應用層提供各種具體的增值業務應用，同時也提供時間同步和節點定位功能。考慮通信效率、實時性等因素，協議結構可簡化。針對無線傳感器網絡節點資源有限這一特點對協議進行優化設計。

（1）能源管理

負責控制節點對能量的使用。在WSN中，電池供給的能源是有限的，為了延長網絡壽命，各個節點都必須有效地利用能源。

（2）拓撲管理

負責保持網絡連接和有效傳輸數據。由于大量傳感器節點密集的部署于監控區域，為了節約能源和延長WSN的生存時間。拓撲管理的目的就是在保持網絡連接和有效數據傳輸的前提下，協調WSN中各個節點的工作和休眠狀態的轉換。

（3）網絡管理

負責網絡維護、診斷，并向用戶提供網絡管理服務接口，一般包含數據收集、數據分析、數據處理和故障處理等功能。需要根據WSN的能量受限、自組織、節點易損壞等特點設計新型的分布式管理機制。

（4）Qos支持與網絡安全機制

QoS是指一個網絡能夠利用各種基礎技術，為指定的網絡通信提供更好的服務能力，是網絡的一種安全機制。由于WSN中的傳感器節點隨機部署，網絡拓撲的動態性以及信道的不穩定性，使傳統的安全機制無法適用，因此需要設計新型的網絡安全機制來滿足WSN的應用。

3 監測系統的軟總體設計

通過對無線傳感器網絡節點的各種不同場合下的應用分析及制作工藝，總結了基本設計原則如下：

（1）擴展性在設計中是必須考慮的問題。節點應當在具備通信模塊和通用處理器的基礎上擁有規范、完整的外部接口，與不同的組件相適應。

（2）微型化是無線傳感網絡追求的最終目標。節點本身足夠小，才會對目標系統環境不產生影響；在戰爭偵查等特定的環境下，微型化也是首必須考慮的問題。

（3）成本的是衡量無線傳感器網絡節點設計好壞的指標重要之一。要保證節點的廣泛使用，這就要求無線傳感器節點的各個模塊和設計成本不能過高。

4 結語

變壓器狀態在線監測系統已經在一些化工配電和電力生產企業中得到大范圍的應用，但在其數據的傳輸方法和手段還有一定差距。ZigBee憑借其在線監控數據傳輸的穩定性、安全性、功耗低、使用壽命長等特點，即使傳輸速率不是很高，但完全能夠滿足高速數據采集和實時數據通訊的要求，但是針對檢測與控制領域的應用，還是有較大的發展潛能和前景。

參考文獻

[1]李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：41-73.

[2]黃梅英.無線數據業務GPRS發展分析及研究[D].北京郵電大學，2002.

（作者單位：國網四川省丹棱縣供電分公司）