基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的輸電線路覆冰預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王海倫，余世明，范一鳴

（1. 衢州學(xué)院 信電系，衢州 324000；2. 浙江工業(yè)大學(xué) 智能信息系統(tǒng)研究所， 杭州 310014）

0 引言

輸電線路覆冰有可能引起輸電線路過載、跳閘，導(dǎo)線舞動(dòng)、絕緣子串覆冰閃絡(luò)等事故，目前，我國(guó)輸電線路事故較多，尤其是2008年歷史罕見的雪災(zāi)，導(dǎo)致南方電網(wǎng)覆冰嚴(yán)重，多處發(fā)生倒塔、折塔、斷線等事故，造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響較大[1,2]。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警和診斷方法的研究，以減少輸電線路覆冰事故的發(fā)生。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在輸電線路覆冰機(jī)理與導(dǎo)線覆冰載荷的計(jì)算等理論方面已取得大量的成果。在技術(shù)應(yīng)用方面，雖然也研制出了一些裝置，但在實(shí)際運(yùn)行中還存在許多不足[3～5]?；诖?，本文設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的輸電線路覆冰預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)用了氣象數(shù)據(jù)、覆冰力學(xué)監(jiān)測(cè)和覆冰圖像/視頻監(jiān)測(cè)兩種監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)架空輸電線路進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，在覆冰初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，防止事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

高壓輸電線路覆冰后，絕緣子串處受力，其角度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，所以，通過測(cè)量絕緣子串拉力、角度和當(dāng)時(shí)的氣象條件，可以分析出覆冰狀況，再進(jìn)一步通過現(xiàn)場(chǎng)圖像的確認(rèn)，可以確定覆冰的實(shí)際情況，從而開啟相應(yīng)的除冰措施。

本系統(tǒng)根據(jù)高壓輸電線路電壓等級(jí)高、傳送距離長(zhǎng)、覆冰地區(qū)氣候狀況復(fù)雜、干擾嚴(yán)重等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了層次型異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 層次型異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測(cè)子站和附近的終端節(jié)點(diǎn)組成的子網(wǎng)采用ZigBee 網(wǎng)型與樹型相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和一系列路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，采用此結(jié)構(gòu)，若一個(gè)路由路徑出現(xiàn)問題，可以保證信息沿著其他路徑進(jìn)行傳輸，使網(wǎng)絡(luò)的可靠性提高。簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)和發(fā)布命令，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)采集到信號(hào)后，信號(hào)將以單跳或多跳的方式通過自組織骨干網(wǎng)傳送至監(jiān)控中心，同時(shí)，用戶通過監(jiān)控中心發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)。

子網(wǎng)內(nèi)采用Zigbee通信，最高帶寬為250 kbit/s，解決了以往采用GPRS(通用分組無線電業(yè)務(wù)) 通信，壓縮后平均傳輸速率（60～80 kbit/s）低，難以滿足高清晰圖片傳輸需求的問題。滿足溫濕度、壓力等標(biāo)量數(shù)據(jù)和高清圖片等大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。簇頭節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線多跳網(wǎng)絡(luò)，采用支持遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腎EEE 802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)，單跳鏈路的帶寬最高可達(dá)54 Mbit/s，滿足帶寬的需求，配上高增益天線，傳輸距離可達(dá)幾十公里[6,7]。

2 高壓輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)微氣象參數(shù)、絕緣子串拉力、絕緣子串傾角和現(xiàn)場(chǎng)圖像等信號(hào)的采集、處理和發(fā)送，終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖框圖

終端節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、控制模塊、無線 ZigBee模塊、系統(tǒng)電源模塊和電源監(jiān)測(cè)組成。傳感器模塊由多種類型的傳感器構(gòu)成，具體如表1所示。

電源模塊則根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)放置的位置確定，放在桿塔上的選擇太陽能電源供電，掛在導(dǎo)線上的采用電磁感應(yīng)電源供電。

無線通信模塊選用CC2430。CC2430是專門針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的片上系統(tǒng)，具有低功耗、抗復(fù)雜電磁環(huán)境干擾的特點(diǎn)，適合復(fù)雜電磁環(huán)境中的在線監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)測(cè)子站設(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IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的通信模塊。由于監(jiān)測(cè)子站放置在桿塔上，因此選用太陽能供電主控模塊選擇低功耗芯片。

2.3 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)中心主要負(fù)責(zé)將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)和分析。監(jiān)測(cè)中心與基站之間采用C/S客戶端服務(wù)器工作模式，將接收并根據(jù)數(shù)據(jù)包協(xié)議解析后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)需要，可從數(shù)據(jù)庫表中讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，并借助專家軟件分析線路的覆冰情況，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)未來覆冰趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)，給出預(yù)警信息。

3 輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)采集和數(shù)據(jù)分析軟件。信號(hào)采集軟件運(yùn)行在采集節(jié)點(diǎn)上。

3.1 監(jiān)控中心系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心系統(tǒng)軟件使用組態(tài)王軟件，采用模塊化設(shè)計(jì)，為滿足整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要，主要包括初始化模塊、自定義參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)分析和越線報(bào)警模塊等。

3.1.1 參數(shù)的初始化模塊

平臺(tái)的參數(shù)包括：采樣的時(shí)間間隔，各采集數(shù)據(jù)的報(bào)警門檻值，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和報(bào)警手機(jī)，中斷傳感器的使能參數(shù)，拍照的屬性參數(shù)，平臺(tái)的ID號(hào)碼，平臺(tái)的密碼，RF無線設(shè)備的一些參數(shù)，拉力傾角的一些參數(shù)等。這部分的參數(shù)初始化，步驟基本相同，只是參數(shù)的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)稍有不同而已。

表1 傳感器選型表

3.1.2 自定義參數(shù)配置模塊

本平臺(tái)中，自定義了很多的命令，通過串口或者短信，配置一些參數(shù)。這些命令主要有配置平臺(tái)的ID，配置上網(wǎng)的參數(shù)服務(wù)器端口，配置子機(jī)地址，配置球機(jī)地址(導(dǎo)線地線)，配置拉力傾角地址等命令。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)軟件主要包括信號(hào)采集模塊和信號(hào)發(fā)送模塊。

3.2.1 采集模塊軟件設(shè)計(jì)

每個(gè)信號(hào)采集的方法流程類似。采樣時(shí)間到，進(jìn)入采集程序，確定的參加順序，發(fā)送采樣命令，如果不成功重復(fù)發(fā)送此次采樣命令，重復(fù)次數(shù)大于三次或者本次采樣成功后，進(jìn)入下個(gè)設(shè)備的采樣；下個(gè)設(shè)備的采樣也類似此次采樣的方法，一直到最后的設(shè)備采樣完成。流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采樣流程圖

3.2.2 發(fā)送模塊軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)輸電線路監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)具有呈線性或網(wǎng)狀排布、數(shù)據(jù)流向單一、靠近簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量較大容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了能耗受限的可靠路由協(xié)議。同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型不同采取不同的查詢方式。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到異常事件時(shí)，如絕緣子串傾角超過正常范圍等, 將產(chǎn)生報(bào)警數(shù)據(jù)包,即時(shí)主動(dòng)上傳到監(jiān)控中心。對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的無異常數(shù)據(jù)則采用周期性地上傳到監(jiān)測(cè)子站，保存在外部的flash中，循環(huán)上傳到監(jiān)控中心避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞。同時(shí)在上傳周期間隔時(shí)間內(nèi)可以睡眠以節(jié)省能量。流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證本文提出的設(shè)計(jì)方案能否滿足設(shè)計(jì)需求，在浙江省500KV雙信5465線上進(jìn)行試驗(yàn)，該線最高覆冰最厚達(dá)9.5mm。沿線放置了10個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，簇首布置在149#桿塔上。

4.2 數(shù)據(jù)包傳輸率測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，各終端節(jié)點(diǎn)每小時(shí)采集1次信息，并將該信息發(fā)送到簇首。若無報(bào)警信息簇首每24h發(fā)送一次信息到監(jiān)測(cè)中心。在半年的實(shí)驗(yàn)期內(nèi)，各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸率如表2所示。因加入了CRC校驗(yàn)，排除傳輸錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包，所以統(tǒng)計(jì)的傳輸率為正確數(shù)據(jù)包的傳輸率。從表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，終端節(jié)點(diǎn)的總體數(shù)據(jù)包傳輸率10個(gè)節(jié)點(diǎn)中有9個(gè)高于96%，只有1個(gè)節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)8）為93.8%，接近94%，說明系統(tǒng)整體情況良好。

表2 各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸率

5 結(jié)論

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于輸電線路覆冰預(yù)警系統(tǒng)。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決了現(xiàn)有覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全倚賴移動(dòng)電信網(wǎng)，存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的區(qū)域就無法使用、難以實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控、可擴(kuò)展性差、運(yùn)行費(fèi)用高和傳輸速率受限等問題。提高極端災(zāi)害條件下監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。并結(jié)合輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了層次異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，丟包現(xiàn)象有明顯改善，能夠有效預(yù)防冰災(zāi)事故的發(fā)生。

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