基于無線傳感器網絡的高壓輸電線路在線監測系統研究

仇國滔，張 黎，田 地，王先鋒

（貴州電網有限責任公司遵義供電局，貴州 遵義 563000）

0 引 言

電力設施是實現電能安全生產、輸送、供應的重要載體，隨著我國電力行業的不斷發展，電力設施建設水平明顯提高。其中，輸電線路是實現電能輸送的重要設施，其運行質量往往會對電力系統整體運行質量產生極大的影響。目前，為進一步加強對電力系統運行質量的把控，行業內部主張針對輸電線路的運行狀態及運行質量進行統籌規劃與合理部署，尤其要加強對高壓輸電線路運行狀態及質量的把控。結合以往的運行管理經驗來看，傳統高壓輸電線路運行狀態檢測方式以人工巡視方式為主，這種方式易受到主觀因素的影響，難以確保檢測結果的準確性。針對此，行業內部人員需要利用新興技術手段克服日常巡檢難題。

1 高壓輸電線路在線監測系統發展現狀

隨著我國電力行業的不斷發展，行業內部對于電力供應質量及數量提出了更加嚴格的要求。從當前實際情況來看，電網中輸電線路長期處于復雜多變的環境中，在運行管理方面具備不確定性特點。因此，如何確保線路運行安全已成為衡量電網運行可靠性的重要指標之一。一般我國高壓輸電線路縱橫延伸幾十甚至幾百千米。因受到周邊地理環境及氣候條件的影響，導致高壓輸電線路運行過程中會受到多方面不確定因素的影響而出現運行隱患問題。因此，每年因線路故障引起的電網停電事故層出不窮，不僅給人們的日常生產生活帶來了不利影響，而且給我國電力企業造成了嚴重損失。為及時解決這一問題，電力行業內部主張利用監測手段實現對高壓輸電線路運行過程的全周期管理。然而，傳統人工巡視方式難以及時發現設備隱患問題，加之工作人員自身資質能力有限，導致日常巡檢工作難以落實到位。目前，為進一步加強對高壓輸電線路的監測管理，電力企業立足于信息化、智能化發展趨勢，利用安全可靠的在線監測系統，實現對高壓輸電線路運行過程的監測分析[1]。

高壓輸電線路在線監測系統主要通過利用無線傳輸方式，重點針對輸電線路環境通道、溫濕度條件及周圍施工情況進行動態監測與分析。根據反饋數據，判斷當前線路是否存在異常運行問題。一旦發現存在問題，管理人員應采取針對性措施及時予以解決。或者利用各項監測采集數據，實現對線路運行狀態的診斷預測，及時判斷故障發生位置并加以解決，從根本上確保電力系統安全運行。

2 基于無線傳感器網絡的輸電線路在線監測系統設計方法

2.1 系統架構

基于無線傳感器網絡的輸電線路在線監測系統主要由無線傳感器節點、監測子站及監控中心構建，具體如圖1所示。可以根據系統監測需求對無線傳感器節點進行合理部署與應用，通過將其合理安裝在各回路導線位置上，實現對各項監測數據的綜合化處理。一般無線傳感器節點可以實現對各輸電線路狀態監測數據的實時分析與反饋[2]，并根據系統反饋情況，將其發送到監測子站，由監測子站完成對線路圖像視頻及絕緣子污穢度等數據的監測分析。結合以往的系統應用經驗來看，監測子站通常部署在無線傳感器節點附近位置，如桿塔位置上。

圖1 輸電線路在線監測系統結構

從功能作用情況來看，監測子站可以針對附近傳感器監測反饋的數據內容進行動態分析與管理。同時，可以將各項數據內容通過監測網匯集到電力部門內部網絡體系中。其中，匯聚節點通常設置在高壓變電站內部。并由監測子站及其附近無線傳感器節點共同組建子網體系。一般所組建的子網基本上以星形網格形式為主。此外，子網通常會利用ZigBee技術滿足標量數據傳輸需求。并在此基礎上，利用基于IEEE 802.1lb/g標準的自組織網絡，完成對遠距離數據的傳輸處理。從現場應用反饋情況來看，這種設計方式不僅可以支持遠距離傳輸，而且可以滿足監測系統帶寬需求。

2.2 無線傳感器節點設計

無線傳感器節點主要從傳感器模塊、電源模塊及無線通信模塊等方面進行統籌規劃與合理設計。其中，在傳感器監測數據需求的選擇方面，工作人員需要立足于傳感器模塊運行功能需求，積極從溫度傳感器、濕度傳感器等方面進行合理選擇。需要注意的是，在選擇過程中，無線通信模塊應立足于支持ZigBee標準的模塊進行合理選擇。究其原因，主要是支持Zig Bee標準的模塊可以實現對采集數據的集中化處理[3]。

2.3 監測子站設計

關于監測子站的設計問題，工作人員需要從主控模塊設計方面入手。根據主控模塊的設計需求，合理設定電源模塊、ZigBee通信模塊，并在此基礎上，按照IEEE 802.11標準對通信模塊進行合理優化。必要時，可以利用太陽能電池供電方式降低損耗。

2.4 監控中心設計

科學合理地設計監控中心體系，不僅是確保各項監測數據得以合理存儲及處理的重要保障，而且是確保高壓輸電線路在線監測系統安全運行的重要保障。針對此，工作人員應按照相關規定要求，將得到的監測數據進行合理存儲及處理分析。與此同時，在功能應用方面，應考慮從歷史數據查詢、故障點定位等功能特點進行設計[4]。

需要注意的是，對于特殊數據的處理，如泄漏電流等，可以借助專家分析系統實現對相關數據的處理分析。一般高壓輸電線路在線監測系統由數據采集前端、后端分析處理系統組成。其中，后端分析處理系統可以針對相關數據反饋情況進行集中化分析與處理，并根據反饋結果針對性對相關桿塔采取風險防范措施，防止線路故障問題反復出現。

3 基于無線傳感器網絡的高壓輸電線路在線監測系統優化建議

從當前應用發展情況來看，基于無線傳感器的高壓輸電線路在線監測系統的應用，需要全面立足于無線公網及ZigBee無線傳感器網絡技術，通過嚴格按照無線傳感器網絡技術輸電線路綜合監測系統運行要求，對監測主機及傳感器節點問題進行合理設計[5]。目前，為進一步提升無線傳感器網絡技術在高壓輸電線路在線監測系統中的應用效果，建議從如下2個方面進行優化設計。

3.1 硬件設計問題

關于硬件設計問題，可以從監測子站硬件結構方面進行統籌規劃與合理設計，具體如圖2所示。監測子站硬件結構主要以8051微處理器為內核。通過利用自身攜帶的射頻收發器實現對無線傳感器網絡節點的通信管理。與此同時，8051微處理器封裝體積較小，而且靈敏度程度較高，可以很好地應用于監測系統運行過程中。

最重要的是，監測子站硬件結構中的數字溫濕度傳感器可以憑借自身抗干擾能力強及響應速度快的優勢，重點針對系統運行溫度及周邊濕度問題進行合理分析。此外，該硬件結構在接口形式方面以單線制串行接口為主，可以根據物件運動及方向對電壓值進行合理監測，并且在很大程度上可以根據系統運行情況對桿塔傾角進行合理測量[6]。

圖2 監測子站硬件結構

3.2 軟件實現方法

關于軟件系統的實現方法，需要從監測子站工作流程應用方面入手。一般監測子站中的主機系統開啟后，會對配置信息進行適當讀取。并根據信息讀取反饋情況，對各傳感器節點的16位地址及數據發送時間進行合理安排。完成上述讀取工作之后，系統會驅動CC2530MCU全面進入低功耗運行模式。其中，在程序主循環狀態當中，軟件系統會定期讀取一次時間信息。同時，與數據發送時間安排及采集時間安排進行綜合對比，防止數據接收與傳送之間出現異常問題。此外，在WiFi通信模塊方面，工作人員可以將其設置為程序控制開關模式，減少系統功耗問題。需要注意的是，基于無線傳感器網絡的輸電線路在線監測系統運行會受到其他因素的干擾而出現運行失誤問題。針對此，工作人員應明確掌握系統運行影響因素，并提出針對性防范措施，確保系統運行安全[7]。

4 結 論

大力推廣與應用無線傳感器網絡技術是近年來高壓輸電線路在線監測系統的主流發展趨勢。在此背景下，業內研究人員應高度重視無線傳感器網絡技術的應用問題，重點針對當前應用過程中存在的問題進行合理解決。在此基礎上，按照高壓輸電設備在線監測需求，構建科學、合理的層次型無線傳感器網絡架構體系，確保高壓輸電線路得以安全、穩定運行。此外，研究人員應明確把握無線傳感器網絡技術的應用原理及具體影響因素，如無線信號衰減與環境條件息息相關，電磁干擾程度過大會加劇無線信號的衰減。相信在研究人員的努力下，基于無線傳感器網絡的高壓輸電線路在線監測系統將會得到更好地推廣與應用。