基于無線傳感網(wǎng)的智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)的研制

吳衛(wèi)華 ，唐 健 ，楊瑞景 ，王 斌 ，李勇輝 ，龍福剛 ，張鳳國

（1.貴州電網(wǎng)公司興義供電局，貴州 興義 562400；2.北京國電海明科技發(fā)展有限公司，北京 100081）

智能電網(wǎng)建設是我國電力行業(yè)的頭等大事，未來十年將取得飛速發(fā)展。智能電網(wǎng)數(shù)字傳感器作為關(guān)鍵性的技術(shù)之一，需要進行重新設計和研發(fā)，實現(xiàn)高度智能化、集成化和長壽命。

只有解決了用量最大的傳感器問題，才能保證整個智能電網(wǎng)建設的成功。智能電網(wǎng)建立在集成的高速雙向通信網(wǎng)絡的基礎上，通過應用先進的傳感和測量技術(shù)、先進的設備技術(shù)、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術(shù)應用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標。其主要特征包括自愈、激勵和保護用戶、抵御攻擊、提供滿足21世紀用戶需求的電能質(zhì)量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、啟動電力市場以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運行。

本文研制的智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的“眼睛”，是智能電網(wǎng)的最基本構(gòu)成部分，該傳感器將廣泛用于電力建設的一線運行線路，對智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略具有突出的貢獻。

1 智能電網(wǎng)線路傳感器的設計方案

由于傳統(tǒng)傳感器都是單參數(shù)檢測，無法實現(xiàn)智能化、高精度、復合多參數(shù)集成和中小型化，因此本文綜合現(xiàn)代電力電子技術(shù)、電源技術(shù)、傳感技術(shù)和GPRS通信技術(shù)，研制開發(fā)出一種新型智能電網(wǎng)集成線路傳感器。該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對輸電和配電線路的電場、負荷電流、導線溫度、線路風偏、線路舞動和覆冰等7種參數(shù)的實時監(jiān)測。可方便地面監(jiān)控人員及時獲取線路當前運行狀況，對運行狀態(tài)作出評估，并及時采取措施加以維護或維修。該智能電網(wǎng)線路傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能電網(wǎng)傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 感應取電設計

智能電網(wǎng)線路傳感器是一款從高壓母線上提取能量供電，實現(xiàn)同時監(jiān)測輸電和配電線路的運行電場、負荷電流、導線溫度、線路風偏、舞動和覆冰等7種參數(shù)的集成傳感器。該傳感器采用專用高效互感器技術(shù)和特殊能源轉(zhuǎn)換芯片解決目前的高壓隔離和電壓供電不穩(wěn)的難題，實現(xiàn)從高壓輸電線路直接獲取低壓電源，在提高電網(wǎng)供電可靠性、減少事故隱患及保障安全生產(chǎn)等方面具有積極的意義。

整個在線感應取電結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由于一次側(cè)電流變化范圍較大，在正常的電流變化范圍內(nèi)，特制的線圈直接從一次側(cè)感應出交流電壓，經(jīng)過前端沖擊保護電路、整流濾波電路后輸出直流電，為后端系統(tǒng)提供足夠的能量。當一次側(cè)電流較小，感應出的電能不能滿足后端采集系統(tǒng)的需要時，運用超級電容儲存的電能供電。當一次側(cè)電流較大，感應出的電能大大超過后端采集系統(tǒng)的需要時，可通過電壓取樣和保護電路來保證后端溫度采集系統(tǒng)的安全運行，同時給超級電容充電儲能，以便在感應取電電能不足時使用。

圖2 在線感應取電裝置框圖

當一次側(cè)發(fā)生短路故障時，暫態(tài)電流可能達到數(shù)十千安，會在感應線圈中產(chǎn)生沖擊電流，但在經(jīng)過前端沖擊保護電路以及后續(xù)電路的多重保護后，完全可以將輸入到模塊的電壓值箝位到允許電壓以內(nèi)，保護了后端子電路的安全。

1.2 智能微控制器

本文研制的傳感器硬件系統(tǒng)CPU單元采用德州儀器公司的MSP430微控制器，該微控制器具有低供電電壓范圍、豐富的片上外圍模塊、多種時鐘模塊、強大的處理能力、方便高效的開發(fā)方式、高安全性、管腳功能封裝的兼容性等特點。

由于該傳感器的設計采用在線感應取能供電，因此該傳感器必須具備低功耗、小體積等特點，所以選用MSP430。而且該微控制器在線系統(tǒng)設計、開發(fā)調(diào)試及實際應用上都表現(xiàn)出非常明顯的優(yōu)勢。

1.3 射頻處理電路

由于該傳感器采用無線的方式進行數(shù)據(jù)傳送，因此必須具有無線通信的處理電路及相關(guān)模塊。GPRS數(shù)傳終端系統(tǒng)為用戶提供永遠在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡；可提供點對點、外圍設備間、外圍設備與中心節(jié)點之間的通信方式，適用于信息互傳、遠程數(shù)據(jù)采集等；可實現(xiàn)點對點、中心對多點以及多點之間實時、對等的數(shù)據(jù)傳輸。中心對多點的傳輸方式是電力等行業(yè)較常見的應用。

由于GPRS的這些特點，所有在線的線路傳感器都可以同時向數(shù)據(jù)采集站發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。但是GPRS通信必須在有GPRS信號的情況下才能進行數(shù)據(jù)通信，因此，為了在沒有GPRS信號的情況下也能把傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到千米以外的數(shù)據(jù)采集站，該傳感器同時采用433 MHz的無線通信方式，這樣就可以保證傳感器采集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r地發(fā)送至數(shù)據(jù)采集站。

本文無線射頻模塊采用上海邏迅信息科技有限公司的“Smart Port-Wireless USB”無線收發(fā)模塊，該模塊具有體積小、功耗低和傳輸距離遠等優(yōu)點。

2 在線傳感器的軟件設計

在具備線路傳感器的同時，為了實現(xiàn)輸配電線路的實時檢測，必須具有對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理的軟件系統(tǒng)。在傳感器硬件設計的基礎上，本文把整個系統(tǒng)管理分析軟件開發(fā)完畢，可以對全線路安裝的在線監(jiān)測設備采集裝置進行數(shù)據(jù)管理，按照指定的時間間隔自動與每個監(jiān)測儀通信，讀取測量數(shù)據(jù)，保存在數(shù)據(jù)庫中，并能夠作誤差初步處理，計算平均值。能夠根據(jù)要求采用一定的判斷規(guī)則對所測量的數(shù)據(jù)進行分析，給出每個被監(jiān)測設備的工作參數(shù)，當出現(xiàn)潛在的故障威脅時發(fā)出故障預警信號報警或發(fā)送短信到指定手機上。程序的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 程序的功能結(jié)構(gòu)圖

3 無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)

無線傳感器網(wǎng)絡 WSN （Wireless Sensor Network）通常是由一組帶有嵌入式處理器、傳感器以及無線收發(fā)裝置的節(jié)點以自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，通過節(jié)點間的協(xié)同工作來采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中的目標信息。典型的WSN網(wǎng)絡架構(gòu)如圖4所示。

圖4 WSN的典型網(wǎng)絡架構(gòu)

利用無線傳感器網(wǎng)絡可以簡單方便地獲取輸電和配電線路的運行電壓、負荷電流、導線溫度、線路風偏及線路舞動等參數(shù)，同時通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到千米外的數(shù)據(jù)采集站，為電網(wǎng)運行和管理人員提供更為全面、完整的電網(wǎng)運營數(shù)據(jù)，有利于決策系統(tǒng)控制實施方案和應對預案，使其成為智能電網(wǎng)的有效組成部分。

無線傳感器網(wǎng)絡將傳統(tǒng)的傳感器信息獲取技術(shù)從獨立的單一化模式向集成化、微型化、網(wǎng)絡化和智能化方向發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡由隨機分布的集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡，借助于節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器進行測量，采用短距離的無線低功率通信技術(shù)，能夠協(xié)作地感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象的信息，并傳送給觀測者。

在不同應用中，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的組成不盡相同，但一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源這4部分組成。無線傳感器的類型由被監(jiān)測物理信號的形式?jīng)Q定。處理器通常選用嵌入式CPU，數(shù)據(jù)傳輸單元主要由低功耗、短距離的無線通信模塊組成。無線傳感器網(wǎng)絡體系構(gòu)架如圖5所示。

圖5 無線傳感器網(wǎng)絡體系構(gòu)架圖

數(shù)據(jù)采集層主要是對各個電力設備以及變電站設備進行實時的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。通過無線傳感器節(jié)點的部署，對不同設備進行信息采集時，節(jié)點上裝備的無線傳感器不同。這些節(jié)點按照區(qū)域進行劃分，每一個區(qū)域的數(shù)據(jù)存儲在對應變電站的存儲器中，存儲器對采集的數(shù)據(jù)進行初步處理，然后加上地域標簽傳輸?shù)缴弦粚印?/p>

數(shù)據(jù)傳輸層分為變電站層級、區(qū)級、縣市級、省級國家級4個級別。上一層的數(shù)據(jù)管理中心可以查看下一層的數(shù)據(jù)，下一層的數(shù)據(jù)管理中心有義務定時地向上一層的數(shù)據(jù)管理中心上傳最新采集的數(shù)據(jù)。不同的層向上一層提交數(shù)據(jù)的時間間隔是不同的。

數(shù)據(jù)處理層不同，其數(shù)據(jù)處理能力也是不同的，因此得到的數(shù)據(jù)形式和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不同。第一層是在無線傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)進行簡單處理，主要是去掉冗余的數(shù)據(jù)；第二層是各個變電站將自己管轄范圍內(nèi)的各個區(qū)域的數(shù)據(jù)收集后，周期性地進行處理，確定是否該區(qū)域有異常事件發(fā)生，并將一些基本的檢測數(shù)據(jù)進行上傳；第三、四層分別是區(qū)級、市縣級的數(shù)據(jù)處理，分別確定該級別的數(shù)據(jù)是否有異常，并做好備份處理；最后是國家級的數(shù)據(jù)收集處理中心，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一格式的存儲和管理。

應用系統(tǒng)層主要是對不同層次的數(shù)據(jù)進行分析處理，并進行相應的預測和故障排除。及時地預報電力元件是否出現(xiàn)或?qū)收?，如果出現(xiàn)故障，則分析問題出現(xiàn)在何處，是什么原因造成的，并將分析結(jié)果提供給維修人員進行相應的維修處理。

4 基于無線傳感網(wǎng)的線路傳感器系統(tǒng)

智能電網(wǎng)線路傳感器在線監(jiān)測系統(tǒng)通過各種探測器探測到輸電和配電線路的溫度、濕度、風速、風向、泄漏電流、覆冰狀況、視頻圖像或圖片等數(shù)字化信息，通過GPRS/CDMA通道上傳到輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測監(jiān)視中心，實現(xiàn)輸配電線路的實時檢測。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖6所示。

圖6 在線傳感器系統(tǒng)原理示意圖

本智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)的成功研究為我國智能電網(wǎng)建設做出了基礎性和革命性的貢獻，極大提高我國數(shù)字智能電網(wǎng)的整體技術(shù)水平。本文不僅介紹了智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)的組成，而且研究開發(fā)了功能完善的監(jiān)測分析軟件，最終形成一套實用的智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)為智能電網(wǎng)電力線的實時狀態(tài)進行檢測，保證電力線的正常運行，在提高電網(wǎng)供電可靠性、減少事故隱患、保障安全生產(chǎn)等方面具有積極意義。

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