基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高壓輸電線在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

原殊皓,姚 俊

（1.國網(wǎng)山西省電力公司長治供電公司,山西 長治 046000;2.國網(wǎng)山西省電力公司朔州供電公司,山西 朔州 036000）

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要求

1.1 支持遠距離傳輸

在高壓輸電線路中，越高的電壓等級就常常會有越遠的傳送距離。往往可以經(jīng)過很多不同的特殊區(qū)域，例如重冰區(qū)和大風區(qū)等。根據(jù)區(qū)域的不同情況，就要進行相應(yīng)的部署，安排合適的監(jiān)測設(shè)備，做重點監(jiān)測。因為監(jiān)控區(qū)域之間通常都可能相聚甚遠，甚至可能會有幾十公里遠的距離，所以對網(wǎng)絡(luò)也有著更高的要求，要就是要能進行遠距離傳輸。

1.2 拓撲結(jié)構(gòu)十分靈活

輸電線路的排列方式通常都是呈現(xiàn)線性的結(jié)構(gòu)，一個個變電站組成了一個個點。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安裝在桿塔上，它會隨著排布而呈現(xiàn)出線性拓撲結(jié)構(gòu)。為了使占地資源得到有效地節(jié)省，多是一個桿塔由多回輸電線路共用，這就是所謂的“同塔多回”。而就局部位置的網(wǎng)絡(luò)拓撲而言，這個時候通常會呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。若是對很多不同的輸電線路進行一定時間段的共同監(jiān)測，那么這一結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)在線路匯聚的地方。所以，靈活的拓撲結(jié)構(gòu)形式要求有很好的支持，即網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1.3 對數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С?/h3>

就各網(wǎng)省公司的考察對象而言，最主要還是針對輸電線路，具體考察其運行狀況。最終發(fā)現(xiàn)線路故障的誘因主要包括污閃、微風振動和覆冰等等。相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括兩大常用類:（1）標量數(shù)據(jù)類型。例如，主要負責監(jiān)測桿塔絕緣子的電流數(shù)據(jù)等。（2）圖像類型。無線傳感器的節(jié)點通常都較為特殊，既有傳統(tǒng)的標量，又有圖像傳感器。對網(wǎng)絡(luò)的要求比較高，要求能夠進行多種數(shù)據(jù)傳輸，且具備較高的傳輸帶寬。此外，監(jiān)控規(guī)模也在逐步增加，數(shù)據(jù)量大增，具體包括網(wǎng)絡(luò)采集和傳輸在內(nèi)，所以對網(wǎng)絡(luò)的要求就是滿足帶寬需求。

2 對系統(tǒng)的設(shè)計

（1）高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)。必須根據(jù)監(jiān)測的具體需求來進行部署，具體指的是無線傳感器節(jié)點(監(jiān)測點)的部署，也不是一定要求安裝在每級桿塔。監(jiān)測子站基本上安排和部署在靠近無線傳感器節(jié)點的地方，選擇的安裝地點通常都是在桿塔上。既負責收集數(shù)據(jù)，又得促成無線多跳網(wǎng)絡(luò)，傳送數(shù)據(jù)至節(jié)點(監(jiān)測網(wǎng)關(guān))，接下來把互聯(lián)網(wǎng)或者內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)接上匯聚節(jié)點，這樣后面的監(jiān)控中心就可以進行收到。通常設(shè)置節(jié)點都是在某些固定位置，并主要是高壓變電站。若是進行較遠距離的傳輸，那就能以監(jiān)測點的布局為依據(jù)來對監(jiān)測子站進行更靈活的部署，確保每一監(jiān)測子站都能覆蓋每個監(jiān)測點，且監(jiān)測子站全部可以對監(jiān)測網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)多跳連接。在此情況下，用到監(jiān)測子站的機會是最少的，還能將安裝和維護的工作量有效地減少。，要不然會因傳輸距離的局限，而需要專門的監(jiān)測子站用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。應(yīng)該以監(jiān)測需求為依據(jù)來進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

子網(wǎng)的組成主要包括兩部分內(nèi)容，一是監(jiān)測子站，一是其周圍的無線傳感器節(jié)點，呈現(xiàn)出的網(wǎng)絡(luò)為星形[1]。子網(wǎng)采用的無線通信技術(shù)為Zigbee技術(shù)，其可以實現(xiàn)距離近、功耗低和成本低等優(yōu)勢。若是網(wǎng)絡(luò)范圍小，那這種技術(shù)就不但可以使標量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰玫綕M足，如溫度、弧垂等，還能考慮到圖片等大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)需求。監(jiān)測子站是簇頭節(jié)點，各方面處理能力比較強，主要由它們來構(gòu)成骨干網(wǎng)絡(luò)。采用的一種網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)，與IEEE 802.11b/g標準相符合，能夠進行較遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）采集終端的設(shè)計。采集終端包括傳感器模塊、電源模塊和無線通信模塊三大主要模塊[2]。無線通信模塊選用的模塊可支持Zigbee標準。電源模塊能以傳感器節(jié)點放置位置為依據(jù)來確定。

（3）監(jiān)測子站的設(shè)計。“監(jiān)測子站主要包括主控模塊、電源模塊、Zigbee通信模塊和基于IEEE 802.11標準的通信模塊?！盵3]因為監(jiān)測子站是在桿塔上放置的，所以選擇的供電方式是太陽供電。

（4）監(jiān)控中心的設(shè)計。監(jiān)控中心除了進行監(jiān)控，還有最主要的任務(wù)是對數(shù)據(jù)進行分析處理。能夠提供的有歷史數(shù)據(jù)查詢、定位故障點和報警緊急事件等功能。針對泄漏電流等特殊數(shù)據(jù)，還需要專家知識做進一步的處理和分析以實現(xiàn)輔助。

（5）診斷與維護?，F(xiàn)在的形式是網(wǎng)絡(luò)在持續(xù)擴大自己的規(guī)模，節(jié)點個數(shù)也在與日俱增，促使網(wǎng)絡(luò)故障和維護成了關(guān)鍵問題，對該系統(tǒng)實施應(yīng)用造成了限制。診斷和維護網(wǎng)絡(luò)故障，進行這類工具的設(shè)置，主要就是為了起到協(xié)助作用，對于網(wǎng)絡(luò)中的一些已經(jīng)失效節(jié)點進行定位，并實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)性能。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 硬件實現(xiàn)

設(shè)計的系統(tǒng)既有監(jiān)測子站，也有匯聚節(jié)點，其中的主、子板構(gòu)成了監(jiān)測子站，主板微處理器(MCU)用到的是低功耗芯片，可以面向通信，主頻可實現(xiàn)400 MHz。使用這款芯片有助于監(jiān)測子站的開發(fā)，尤其是對嵌入式監(jiān)測子站而言。主要配置包括:（1）存儲模塊的存儲器，主要包括了SDRAM和Flash；串口一個；將SPI接口引出，實現(xiàn)和子板之間的通信；（2）子板是Zigbee通信模塊，這是獨立于主板之外的，這樣監(jiān)測子站就會更為靈活；（3）對于匯聚節(jié)點而言，選用的是監(jiān)測子站中的主板，將變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)接進來主要還是借助的以太網(wǎng)接口來。

3.2 軟件實現(xiàn)

將嵌入式Linux系統(tǒng)安裝在監(jiān)測子站上，并對部分驅(qū)動程序進行了修改和開發(fā)，促使路由協(xié)議和數(shù)據(jù)查詢協(xié)議得以實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

在高壓輸電線路中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是有優(yōu)勢的，但同時又不得不需要應(yīng)對一些困難，其中的一些關(guān)鍵問題主要包括傳輸帶寬、傳輸距離和電磁兼容等。本文對高壓輸電線路的布局和監(jiān)測需求進行了詳細地分析，對實施中遇到的主要問題進行了詳細的討論。本文設(shè)計的這一系統(tǒng)具有很高的可靠性高和可擴展性，還有低運行費用等優(yōu)點，對于我國一些偏遠地區(qū)的高壓輸電線路而言，尤其適合其在線監(jiān)測。

[1]楊樹明,史勝達.獨立光伏電源系統(tǒng)設(shè)計方法[J].太陽能,2001(03):194-198.

[2]黃敏,李達,朱婷.基于CDMA1X網(wǎng)絡(luò)的架空輸電線路無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化,2007(05):105-107.

[3]傅正財,吳斌,黃憲東,等.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的輸電線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù),2007(05):69-72.