基于IEEE 1451的輸電設(shè)備智能傳感器的研究與設(shè)計(jì)

翟少磊，陳葉倩，沈　鑫，李天文，張文斌，李　博，唐　標(biāo)

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.中國南方電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650217；3.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650500)

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基于IEEE 1451的輸電設(shè)備智能傳感器的研究與設(shè)計(jì)

翟少磊1，2，陳葉倩3，沈鑫1，2，李天文3，張文斌3，李博1，2，唐標(biāo)1，2

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.中國南方電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650217；3.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650500)

針對(duì)輸電設(shè)備監(jiān)測(cè)裝置傳感器存在種類多、各廠家規(guī)約協(xié)議不一致，導(dǎo)致其通用性差，無法即插即用及測(cè)試?yán)щy等問題，對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)研究。基于IEEE 1451的輸電設(shè)備智能傳感器軟硬件設(shè)計(jì)、即插即用及網(wǎng)絡(luò)化傳輸技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)輸電設(shè)備智能傳感器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約輸出、即插即用及網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)互通。與傳統(tǒng)傳感器比較，其具有協(xié)議規(guī)范、通用性強(qiáng)及即插即用等特點(diǎn)。

IEEE 1451；輸電設(shè)備；智能傳感器

輸電線路的地理環(huán)境比較復(fù)雜，近年來發(fā)生的冰災(zāi)導(dǎo)致倒塔等事故，使得輸電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。傳感器充當(dāng)著監(jiān)測(cè)裝置的“眼睛”?，F(xiàn)有輸電線路監(jiān)測(cè)傳感器存在各廠家協(xié)議不一致、智能化數(shù)據(jù)處理能力不足，導(dǎo)致后期損壞后更換通用性差、規(guī)約測(cè)試?yán)щy、即插即用無法實(shí)現(xiàn)及互聯(lián)互通能力弱等問題。隨著智能電網(wǎng)及電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳感器的通用性、智能化及互聯(lián)互通能力提出了更高的要求，傳統(tǒng)傳感器已無法滿足需要。另外，相對(duì)于變電設(shè)備智能傳感器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，輸電設(shè)備智能傳感器在實(shí)際應(yīng)用中仍存在各廠家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)混亂等問題，亟需實(shí)現(xiàn)基于IEEE 1451的輸電設(shè)備智能傳感器設(shè)計(jì)，滿足相應(yīng)要求。

本文研究的輸電設(shè)備智能傳感器，基于IEEE 1451協(xié)議設(shè)計(jì)，帶有微處理器，可滿足即插即用、網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)互通，并成功應(yīng)用于國家863計(jì)劃課題“輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”示范工程。

1　輸電設(shè)備傳感器

1.1輸電設(shè)備智能傳感器要求

輸電設(shè)備監(jiān)測(cè)裝置由傳感器與主裝置組成。傳感器包括溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、氣壓傳感器、拉力傳感器、傾角傳感器和攝像頭等。傳感器采集數(shù)據(jù)信息后采用廠家私有協(xié)議上傳至監(jiān)測(cè)裝置，由監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，按照網(wǎng)省公司標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上傳至主站；但傳統(tǒng)傳感器私有協(xié)議帶來規(guī)約測(cè)試?yán)щy、后期硬件維護(hù)更換通用性差等問題。本文設(shè)計(jì)的智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比較，不同要求包括[1]：1)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 1451協(xié)議；2)實(shí)現(xiàn)即插即用；3)帶有嵌入式微處理器，具有采集、處理和網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)互通能力。

1.2智能傳感器IEEE 1451協(xié)議要求

隨著傳感器的智能化發(fā)展，輸電設(shè)備能夠采用TEDS智能傳感器，用于高效、可靠地獲取到輸變電設(shè)備狀態(tài)信息。IEEE 1451協(xié)議是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會(huì)(National Institute of Standards and Technology，NIST)制定的智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)一共包含7個(gè)相互獨(dú)立又成一體的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其中主要內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)通信的軟硬件模型、通信接口協(xié)議、傳感器的數(shù)據(jù)操作和TEDS，具體標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1　IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn)體系

TEDS智能傳感器除了使用通用電子傳感器來輸出模擬信號(hào)以外，還提供了傳感器電子數(shù)據(jù)表格窗口，用于存儲(chǔ)產(chǎn)品編號(hào)型號(hào)、制造商信息、測(cè)量范圍、校正信息與用戶信息，同時(shí)提供了可存取存儲(chǔ)器[2]。

IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)定義了傳感器軟件和硬件的接口標(biāo)準(zhǔn)，支持TEDS，處于不同的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器之間，可以通過IEEE 1451的接口標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互操作，解決了兼容問題。同時(shí)，IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)定義了TEDS和10線傳感器數(shù)字獨(dú)立接口(Transducer Independent Interface，TII)，傳感器與微處理器之間的通信協(xié)議，給智能傳感器增加了即插即用的功能。即插即用要求在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變時(shí)，能夠及時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，需要采用波特率自適應(yīng)技術(shù)(Sorting Pulse Width Difference，SPWD)和TEDS的定義、配置[3]。

1.3智能傳感器網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)互通要求

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于IEEE 1451協(xié)議和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸電設(shè)備傳感器可以逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。每個(gè)輸電線設(shè)備的傳感器可以成為網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，能夠跨越區(qū)域顯示，直接通過網(wǎng)絡(luò)傳輸輸電線設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)化的智能傳感器，不需要普通傳感器的現(xiàn)場(chǎng)布線，使得傳感器的節(jié)點(diǎn)布置更靈活，其基本組成原理如圖1所示。

圖1　無線網(wǎng)絡(luò)智能傳感器基本組成原理

2　智能傳感器的總體設(shè)計(jì)方案

該輸電線設(shè)備智能傳感器集成了傳感器、嵌入式微處理器、接口電路、存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)控制器等。傳感器的功能框圖如圖2所示，能夠?qū)⑤旊娋€設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如信號(hào)調(diào)理、數(shù)模轉(zhuǎn)換等，能夠存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，或者再通過IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議傳輸給本地接口以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)端。

圖2　IEEE 1451智能傳感器功能框圖

2.1輸電線設(shè)備智能傳感器的即插即用技術(shù)設(shè)計(jì)

在輸電線設(shè)備中，經(jīng)常需要用到溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、氣壓傳感器、拉力傳感器、傾角傳感器和攝像頭等各類硬件模塊。無論采用哪種傳感器，最后都需要將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻、電感和電容等電量信號(hào)。由于電量信號(hào)的變化，引起檢測(cè)電流或檢測(cè)電壓的變化，這些模擬電信號(hào)經(jīng)采樣和A-D變換后，變成計(jì)算機(jī)能接受的數(shù)字信號(hào)。輸電線設(shè)備的傳感器個(gè)數(shù)較多，分布地點(diǎn)較廣，多個(gè)傳感器所獲得的數(shù)據(jù)要集中到一個(gè)處理中心進(jìn)行分析、處理，信號(hào)獲取與信號(hào)傳輸之間的接口技術(shù)成為信息交流的關(guān)鍵。

實(shí)現(xiàn)輸電線設(shè)備智能傳感器的即插即用，關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)的資源調(diào)整。采用SPWD(Sorting Pulse Width Difference)的波特率自適應(yīng)技術(shù)，并結(jié)合IEEE 1451的TEDS定義、配置技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能傳感器即插即用。TEDS系統(tǒng)地描述STIM及各類智能傳感器通道的類型、參數(shù)、屬性以及操作方式。

波特率自適應(yīng)機(jī)制的基本原理是STIM(Smart Transducer Interface Module)采集、測(cè)量總線上的脈沖，并對(duì)脈沖寬度進(jìn)行重復(fù)排序、差分計(jì)算，得出最小的脈沖寬度，利用該最小的脈沖寬度求解波特率，具體過程如圖3所示。STIM波特率與NCAP(Network Capable Application Processor)匹配通信后，通過TEDS向NCAP提供傳感器的信息與相關(guān)參數(shù)(包括傳感器類型、制造商、通道數(shù)、時(shí)間參數(shù)和數(shù)據(jù)校正模型等)，再進(jìn)行資源分配，實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用。

圖3　波特率配置過程

2.2輸電線設(shè)備智能傳感器的嵌入式微控制器設(shè)計(jì)

在輸電線設(shè)備中，需要大數(shù)量的傳感器參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和處理。目前，一部分傳感器采用單片機(jī)進(jìn)行控制，智能性較低。嵌入式智能傳感器組成原理框圖如圖4所示，該輸電線設(shè)備傳感器采用的嵌入式控制器設(shè)計(jì)，將智能理論與傳感器進(jìn)行集合，具有采集、處理和交換信息的能力。

圖4　嵌入式智能傳感器組成原理框圖

嵌入式微處理器傳感器具有如下特點(diǎn)：執(zhí)行效率高，成本低，尋址方式靈活，功耗低，成本低。與傳統(tǒng)的傳感器相比較，利用嵌入式微處理器的傳感器具有信息處理和判斷的功能；提高了傳感器測(cè)量的精度和可靠性；具有統(tǒng)一通用的數(shù)據(jù)通信接口，可以實(shí)現(xiàn)有線或者無線傳輸；同時(shí)自帶存儲(chǔ)器，方便數(shù)據(jù)的存取。

2.3網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的設(shè)計(jì)

智能傳感器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的核心技術(shù)是TCP/IP、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，可以采用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、WiFi以及ZigBee等技術(shù)[4]。以TCP/IP為例，傳感器在數(shù)據(jù)通信過程中都以Intranet、Internet為載體組建成系統(tǒng)[5]，信息傳遞系統(tǒng)如圖5所示。具體表現(xiàn)為：1)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)看在Intranet內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)共享，可以通過瀏覽器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信息的獲??；2)Intranet連通至Internet，可以實(shí)現(xiàn)全球各地區(qū)輸電線信息的共享；3)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制輸電線路。

圖5　TCP/IP信息傳遞系統(tǒng)圖

3　結(jié)語

本文基于IEEE 1451協(xié)議設(shè)計(jì)了輸電設(shè)備智能傳感器，將傳感器技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合，在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上，集成創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了傳感器智能化和網(wǎng)絡(luò)信息化，同時(shí)滿足即插即用，提高了傳感器的通用性。

[1] 繆曉波. 智能傳感器·網(wǎng)絡(luò)傳感器·信息傳感器[J]. 傳感器世界,2000(1):21-25.

[2] 王立剛. 對(duì)嵌入式智能傳感器的理論研究[J]. 科技資訊,2005(26):1-2.

[3] 邵鶴帥. TEDS技術(shù)在傳感器智能化中的應(yīng)用研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程,2011(3):609-611,615.

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[5] 吳猛,程良倫. 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)方法[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2008(12):14-16.

責(zé)任編輯鄭練

Research and Design about Intellectual Sensor of Power Transmission Equipment based on IEEE 1451

ZHAI Shaolei1,2, CHEN Yeqian3, SHEN Xin1,2, LI Tianwen3, ZHANG Wenbin3, LI Bo1,2, TANG Biao1,2

(1.Electric Power Research Institute, Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming 650217, China; 2.Key Laboratory of Electric Power Measurement(China Southern Power Grid), Kunming 650217, China; 3.Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

The environment of the power transmission equipment is complex, the traditional sensor could not meet the requirement of the various testing. Design the intellectual sensor of power transmission equipment based on IEEE 1451. The function of plug-and-play is realized, and it could connect other different sensors. With the embedded micro-processor, it is an intellectual sensor of signal DAQ system which could exchange the information of power equipment and realize the communication of network. Compared with the traditional sensor, this intellectual sensor has extra precision, reliability, high resolution, and universal property.

IEEE 1451, power transmission equipment, intellectual sensor

TP 212.6

A

翟少磊(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)及輸變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)等方面的研究。

2016-05-06