無線傳感網(wǎng)絡(luò)在電力線健康監(jiān)測中的應(yīng)用

洪文明

（國家電網(wǎng) 福建安溪供電公司，安溪 350500）

0 引言

隨著能源短缺問題日益嚴峻，供電可靠性要求不斷提高，積極建設(shè)智能電網(wǎng)已成為世界電力發(fā)展的必然趨勢。我國政府不僅將智能電網(wǎng)上升為國家戰(zhàn)略，而且在產(chǎn)業(yè)政策支持、重大科技項目投入、示范工程建設(shè)等方面進行了全面部署。到2020年，我國將全面建成統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)。在輸電環(huán)節(jié)，智能電網(wǎng)需要對特高壓線路、重要輸電走廊、大跨越、災(zāi)害多發(fā)區(qū)的環(huán)境參數(shù)和運行狀態(tài)參數(shù)進行集中實時監(jiān)測，實現(xiàn)輸電線路運行狀態(tài)的可控、能控和在控目標[1]。

目前，電力線健康監(jiān)測的研究主要分為以下兩大類：第一類是對輸電線路覆冰的研究，包括覆冰計算、導(dǎo)線冰風(fēng)荷載計算及其對電力線斷裂的影響。此類研究通過分析輸電線路所處環(huán)境和氣象參數(shù)對輸電線路覆冰產(chǎn)生的影響，建立覆冰厚度模型，進而預(yù)測覆冰厚度。第二類是電力線覆冰和斷裂的實時監(jiān)測研究。通過對輸電線路所處環(huán)境因素進行實時采集、處理，通過分析這些參數(shù)對電力線斷裂的影響，實時監(jiān)測、預(yù)測電力線的健康狀況。當遇到非正常情況，則產(chǎn)生報警信息，以便實時處理異常狀況。然而，目前的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)在信息采集的全面性和時效性等方面還存在著明顯差距。隨著通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計有效的電力線健康監(jiān)測系統(tǒng)，具有極為重要的意義。

1 現(xiàn)有解決方案的缺陷

人工定時巡檢是最傳統(tǒng)、使用最頻繁的電力線健康監(jiān)測方式。但是由于高壓輸電線的地理跨度遠、所處環(huán)境變化大，往往需要經(jīng)過山區(qū)、河流等，如果采用人工定時巡檢的方式將會耗費大量的人力和物力資源，并且對于那些處于惡劣環(huán)境中的輸電線，監(jiān)測人員無法接近進行檢測，將會產(chǎn)生檢測盲區(qū)。尤其是隨著電網(wǎng)覆蓋范圍的日益增大和信息技術(shù)的高速發(fā)展，這類監(jiān)測方式正在逐步的被淘汰。

許多國家先后開展了利用小型無人駕駛飛機進行電力線健康狀況監(jiān)測的研究。在我國，中科院沈陽自動化研究所、武漢大學(xué)、山東大學(xué)等研究院所也開展了此類研究。但是，這種方式技術(shù)復(fù)雜、難度較大，系統(tǒng)總體成本較高，不利于在電力線健康監(jiān)測的應(yīng)用和推廣。

隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，GPRS/GSM技術(shù)已經(jīng)逐漸在電力線健康監(jiān)測中得到應(yīng)用。文獻[2]研制了基于GSM短信業(yè)務(wù)(SMS)的輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)，文獻[3]對輸電線路絕緣子污穢進行在線遙測，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給處理中心。然而，采用GPRS/GSM數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方式需要在每個節(jié)點上附帶GSM/GPRS模塊，而GSM/GPRS模塊的硬件成本比較高。同時，GPRS/GSM數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是收費的，這將會使監(jiān)測系統(tǒng)的成本額外增加。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在電力線健康監(jiān)測中的應(yīng)用

隨著無線通信、傳感器、微電子技術(shù)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Networks)越來越受到關(guān)注。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感節(jié)點組成，分布在其所要監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，以自組織的方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有無中心控制節(jié)點、高抗毀性、微型靈活部署、自組織、自適應(yīng)等顯著優(yōu)點，是《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(2006-2020年)》重點發(fā)展的前沿技術(shù)之一，在智能電網(wǎng)中有著重要的應(yīng)用價值[4]。

由于無線傳感節(jié)點體積小、價廉，適宜于部署在輸電線路和桿塔上， WSN逐漸成為監(jiān)測輸電線路運行狀態(tài)的有效通信手段。尤其在光纜資源緊張、移動公網(wǎng)無法覆蓋的區(qū)段，其作用就顯得更為突出。因此，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界已在面向輸電線路監(jiān)測的WSN這一領(lǐng)域做了許多有益的探索[5-10]。國家電力建設(shè)研究所已將Crossbow公司的WSN部署在高壓輸線電路和桿塔上，監(jiān)測大跨越輸電線路的應(yīng)力、溫度和震動等參數(shù)[5]。文獻[6]實驗研究了Mica 2節(jié)點所構(gòu)成的WSN在長距離輸電線路中的傳輸性能。文獻[7]提出了以提高輸電線路可靠性和利用率為目標的WSN初步架構(gòu)，著重設(shè)計和實現(xiàn)了多功能輸電線路傳感器模塊。文獻[8]提出了層次型異構(gòu)WSN，子網(wǎng)采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)采用基于IEEE 802.11的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。文獻[9]利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)進行短距離數(shù)據(jù)采集，并通過移動公網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳回監(jiān)測中心。文獻[10]提出了基于ZigBee的層次性網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，探討了簇首集群路由協(xié)議、節(jié)點查詢、數(shù)據(jù)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)安全性等方面的問題。然而，以上研究成果主要探討了WSN的基本概念和網(wǎng)絡(luò)/節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)，未曾深入研究網(wǎng)絡(luò)性能的改進策略。因此，還需要開展大量的研究工作，才能充分展示W(wǎng)SN在電力線健康監(jiān)測的應(yīng)用前景。

3 結(jié)束語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有無中心控制節(jié)點、高抗毀性、微型靈活部署、自組織、自適應(yīng)等顯著優(yōu)點。

本文在分析現(xiàn)有電力線健康監(jiān)測解決方案的缺陷的基礎(chǔ)上，總結(jié)了已有無線傳感網(wǎng)絡(luò)在電力線健康監(jiān)測中應(yīng)用的研究成果。本文認為，無線傳感網(wǎng)絡(luò)在電力線健康監(jiān)測中有著廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 國家電網(wǎng)公司. 國家電網(wǎng)智能化規(guī)劃總報告. 2010, 3.

[2] 黃新波, 劉家兵, 王向利. 基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的輸電線路絕緣子污穢在線遙測系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2004, 21(5): 21-25.

[3] 黃新波,孫欽東, 丁建國, 張冠軍, 劉家兵. 基于GSM/SMS的輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備,2008, 28(5): 27-31.

[4] V. C. Gungor, B. Lu, and G. P. Hancke. Opportunities and Challenges of Wireless Sensor Networks in Smart Grid.IEEE Transactions on Industrial Electronics, 57(10): 3557-3564, 2010.

[5] Crossbow公司. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng). www.xbow.com.cn/wsn/pdf/WSN_電力系統(tǒng). pdf

[6] S. Gumbo and H. N. Muyingi. Performance Investigation of Wireless Sensor Network for Long Distance Overhead Power Lines: Mica2 Motes, A Case Study. Third International Conference Broadband Communications,Information Technology & Biomedical Applications(Broadcom’ 08), 2008, Gauteng, South Africa, 443-450.

[7] Y. Yang, D. Divan, R. G. Harley, and T. G. Habetler.Design and Implementation of Power Line Sensornet for Overhead Transmission Lines. IEEE Power Engineering Society General Meeting 2009(PES’09), 2009, Calgary,USA, pp. 211-218.

[8] 趙增華, 石高濤, 韓雙立, 舒炎泰, 周文濤, 陳建民. 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 33(19): 80-84, 2009.

[9] 劉芹, 王鋼, 董鏑, 李昭廷, 郝艷捧, 戴棟, 李立, 朱功輝,羅兵. 線路在線監(jiān)測的自組織自愈無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案[J]. 高電壓技術(shù), 36(3): 666-670, 2010.

[10] 桂勛, 馮浩. 基于無線公網(wǎng)和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的輸電線路綜合監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 32(20): 40-43, 2008.