基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的電力變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘 要：電力變壓器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而且電力變壓器是電力系統(tǒng)中的高壓電氣設(shè)備，不同故障所表現(xiàn)出的征兆有時(shí)具有相同性、隨機(jī)性和人為的因素干擾以及現(xiàn)在的故障診斷手段存在的誤差等因素，所以，一般的電力變壓器故障診斷方法是不能滿(mǎn)足現(xiàn)代故障診斷的要求。本文通過(guò)利用無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)對(duì)變壓器故障進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控，通過(guò)這一技術(shù)手段，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；變壓器；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)是由3個(gè)部分組成。1個(gè)采集層，通過(guò)各種傳感器裝置，現(xiàn)場(chǎng)采集糧庫(kù)壓力、液位、溫度、液體表面的氣體濃度等參數(shù)，存儲(chǔ)到無(wú)線(xiàn)測(cè)控裝置；2個(gè)傳輸層，無(wú)線(xiàn)測(cè)控裝置將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送到智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)GPRS、TCP/IP、WiFi等方式，將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心。3個(gè)應(yīng)用層監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件把數(shù)據(jù)解析出來(lái)，按照客戶(hù)的要求顯示在屏幕上。以及組態(tài)軟件、觸摸屏等配套設(shè)備，并將相關(guān)信息通過(guò)多跳中繼發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)是一種特殊節(jié)點(diǎn)，擁有相對(duì)較強(qiáng)的處理器和較大的存儲(chǔ)器空間，具有更大的處理能力和發(fā)送范圍。

1 ZigBee技術(shù)及通訊技術(shù)

（1）ZigBee一種介于無(wú)線(xiàn)及標(biāo)記和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)提案，主要用于近距離的無(wú)線(xiàn)連接和低功率且傳輸率不高的電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。ZigBee傳輸距離為10～100m范圍內(nèi)，使用頻段為免費(fèi)的2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)，傳輸速率為20～250kb/s，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備Master/Slave屬性，并可達(dá)到雙向通信功用。ZigBee是為建立一種可靠的、高性?xún)r(jià)比的、低功耗的，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)而制定的，是一套完整的、開(kāi)放的、全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。被全球公認(rèn)的具有互操作性的解決方案。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括協(xié)議簡(jiǎn)單、功耗低、時(shí)延短、可靠、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全、工作頻段靈活。

（2）GPRS是一組采用無(wú)線(xiàn)分組交換的高效率數(shù)據(jù)傳輸，是一種新的承載業(yè)務(wù)，主要是為GSM用戶(hù)以分組形式提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。該新型的分組數(shù)據(jù)信道與目前的電路交換語(yǔ)音業(yè)務(wù)信道基本一致，而現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)直能夠提供全面的覆蓋。GPRS允許用戶(hù)以端到端的分組轉(zhuǎn)移模 式發(fā)送與接收信息，因此不需要利用電路交換模式中的網(wǎng)絡(luò)資源。為用戶(hù)提供了高效廉價(jià)的通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)，尤其適合于突發(fā)性的、少量的、間斷的、和頻繁的信號(hào)傳輸。利用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)分組數(shù)據(jù)傳輸，用戶(hù)上網(wǎng)可以免受斷線(xiàn)的痛苦并且永遠(yuǎn)在線(xiàn)是按流量計(jì)費(fèi)，大大地減少了使用成本。

2 通信體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)分為四層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和高層的應(yīng)用。建議增加的傳輸層的作用是確保與其他外部網(wǎng)絡(luò)的連接。物理層主要用于提供數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的物理通道，完成信道能量檢測(cè)、頻率選擇以及實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制解調(diào)等功能。物理層使用動(dòng)態(tài)功率管理、調(diào)整信號(hào)的頻率和調(diào)制方法、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度等途徑來(lái)滿(mǎn)足WSN的要求。數(shù)據(jù)鏈路層是建立可靠的點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)的通信鏈路，保證物理層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)盡量正確，同時(shí)提高系統(tǒng)頻譜效率。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括分組路由、擁塞控制，完成路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)等。傳輸層主要用于提供可靠的額外開(kāi)銷(xiāo)合理的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。應(yīng)用層提供各種具體的增值業(yè)務(wù)應(yīng)用，同時(shí)也提供時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位功能。考慮通信效率、實(shí)時(shí)性等因素，協(xié)議結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化。針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源有限這一特點(diǎn)對(duì)協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）能源管理

負(fù)責(zé)控制節(jié)點(diǎn)對(duì)能量的使用。在WSN中，電池供給的能源是有限的，為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須有效地利用能源。

（2）拓?fù)涔芾?/p>

負(fù)責(zé)保持網(wǎng)絡(luò)連接和有效傳輸數(shù)據(jù)。由于大量傳感器節(jié)點(diǎn)密集的部署于監(jiān)控區(qū)域，為了節(jié)約能源和延長(zhǎng)WSN的生存時(shí)間。拓?fù)涔芾淼哪康木褪窃诒３志W(wǎng)絡(luò)連接和有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯?，協(xié)調(diào)WSN中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作和休眠狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

（3）網(wǎng)絡(luò)管理

負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、診斷，并向用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)接口，一般包含數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理和故障處理等功能。需要根據(jù)WSN的能量受限、自組織、節(jié)點(diǎn)易損壞等特點(diǎn)設(shè)計(jì)新型的分布式管理機(jī)制。

（4）Qos支持與網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制

QoS是指一個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠利用各種基礎(chǔ)技術(shù)，為指定的網(wǎng)絡(luò)通信提供更好的服務(wù)能力，是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機(jī)制。由于WSN中的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性以及信道的不穩(wěn)定性，使傳統(tǒng)的安全機(jī)制無(wú)法適用，因此需要設(shè)計(jì)新型的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制來(lái)滿(mǎn)足WSN的應(yīng)用。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各種不同場(chǎng)合下的應(yīng)用分析及制作工藝，總結(jié)了基本設(shè)計(jì)原則如下：

（1）擴(kuò)展性在設(shè)計(jì)中是必須考慮的問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在具備通信模塊和通用處理器的基礎(chǔ)上擁有規(guī)范、完整的外部接口，與不同的組件相適應(yīng)。

（2）微型化是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)追求的最終目標(biāo)。節(jié)點(diǎn)本身足夠小，才會(huì)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)環(huán)境不產(chǎn)生影響；在戰(zhàn)爭(zhēng)偵查等特定的環(huán)境下，微型化也是首必須考慮的問(wèn)題。

（3）成本的是衡量無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)重要之一。要保證節(jié)點(diǎn)的廣泛使用，這就要求無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊和設(shè)計(jì)成本不能過(guò)高。

4 結(jié)語(yǔ)

變壓器狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在一些化工配電和電力生產(chǎn)企業(yè)中得到大范圍的應(yīng)用，但在其數(shù)據(jù)的傳輸方法和手段還有一定差距。ZigBee憑借其在線(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性、功耗低、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，即使傳輸速率不是很高，但完全能夠滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊的要求，但是針對(duì)檢測(cè)與控制領(lǐng)域的應(yīng)用，還是有較大的發(fā)展?jié)撃芎颓熬啊?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]李文仲，段朝玉.ZigBee2006無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn)定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：41-73.

[2]黃梅英.無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)GPRS發(fā)展分析及研究[D].北京郵電大學(xué)，2002.

（作者單位：國(guó)網(wǎng)四川省丹棱縣供電分公司）