面向變電站監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡設計?

李 靖 趙俊蕾 朱立明

（國網(wǎng)河北省電力有限公司滄州供電分公司 滄州 061000）

1 引言

變電站有許多關(guān)鍵部件，如斷路器和變壓器。為了減少停電的可能性，必須不斷地對這些關(guān)鍵部件進行監(jiān)測［1］。由于變電站設備和基礎設施的老化，對變電站監(jiān)控問題的研究已成國內(nèi)外研究的主要方向［2～5］。目前，對變電站的監(jiān)測主要使用周期性人工檢查［6］和昂貴的有線傳感器［7］進行實時測量相結(jié)合的方式。由于低功耗無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）［8］的日益普及，大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡應用到變電站中有著潛在的利用價值。無線傳感器網(wǎng)絡易于部署，可以提供一個低成本的監(jiān)控方案，且可以更早發(fā)現(xiàn)故障情況。

本文介紹了基于無線傳感器網(wǎng)絡的變電站監(jiān)控系統(tǒng)。在變電站幾個不同的子系統(tǒng)部署122 個無線傳感器節(jié)點來測量關(guān)鍵物理量。通過基站收集這些節(jié)點的數(shù)據(jù)，并利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)綄嶒灁?shù)據(jù)庫。該研究的主要目標是通過實驗驗證在變電站環(huán)境中使用無線傳感器的可行性，利用低功耗無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)變電站監(jiān)控所需的關(guān)鍵應用。

2 研究概述

2.1 設計要求

1）射頻環(huán)境/連接：變電站是在一個開闊的區(qū)域內(nèi)由許多金屬結(jié)構(gòu)分散，如圖1 所示?；疚挥?000m 400m的監(jiān)測區(qū)域一端。

2）應用程序開發(fā)：現(xiàn)有變電站監(jiān)測技術(shù)使用了許多傳感器和傳感方案，這些方案不是為無線傳感器網(wǎng)絡設計的。因此，對于無線節(jié)點的計算能力是有限的，本文的主要目標是確定診斷應用程序，特別有利于監(jiān)測變電站設備。

圖1 部署在變電站的基站車

3）電池壽命：快速部署和自適應重構(gòu)網(wǎng)絡是無線傳感器網(wǎng)絡的主要優(yōu)點，但在不需要更換電池的情況下足夠長的時間運行網(wǎng)絡成為研究的重點。在相對偏遠的地區(qū)出于對安全和監(jiān)管方面的考慮，本文設計部署在變電站區(qū)域內(nèi)建立太陽能電池板作為無線傳感器的電源。

2.2 監(jiān)控開發(fā)

1）斷路器監(jiān)控：變電站和配電中心使用斷路器開關(guān)電路控制整個系統(tǒng)。這些裝置通常充有油或SF6氣體［9］。在油斷路器（見圖2）中，油提供冷卻，并防止開關(guān)啟動時發(fā)生電弧。當設備故障發(fā)生故障時，才能使斷路器失效。因此，通過檢測油溫度的相對變化來判斷此類故障。

圖2 油斷路器表面溫度傳感器

2）變壓器監(jiān)測：變電站中的變壓器在向用戶傳輸之前是先將發(fā)電機電壓進行提升。本研究所使用的是油冷變壓器（見圖3）。在這些裝置中，核心和線圈組件被放置在一個裝滿高介電冷卻油的油箱中［10］，油罐溫度是所測量的物理量。此外，網(wǎng)絡還具有監(jiān)測振動和聲音信號的節(jié)點，以便跟蹤風扇、泵和其他與個別變壓器有關(guān)的機械部件的健康狀況。

3）環(huán)境溫度監(jiān)測：在不同的位置測量周圍的溫度，由于太陽的強度和陰影對地表溫度有很大的影響，且變電站位置的溫度往往在冬季低于0℃和夏季高于40℃。為了解決這種變化，本研究的無線傳感器網(wǎng)絡中的許多中間節(jié)點執(zhí)行額外的監(jiān)視環(huán)境溫度的任務（見圖4）。

圖3 油冷變壓器上的傳感器

圖4 環(huán)境溫度傳感器

4）SF6氣體密度監(jiān)測：現(xiàn)在的高壓斷路器充有SF6氣體，必須進行泄漏檢查。通常定期派人員到現(xiàn)場進行泄漏測試［11］。本研究設計開發(fā)一個基于太陽能采集節(jié)點的SF6氣體密度傳感器，定期監(jiān)測和傳輸SF6密度信號，且密度傳感器與太陽能電池相比可以獲得顯著的電流。

圖5 利用太陽能的SF6 氣體密度傳感器節(jié)點

3 系統(tǒng)描述

本研究使用MICAz 無線傳感器節(jié)點設計，ATMEL 公司生產(chǎn)的Atmega128 處理器，Chipcon As 公司生產(chǎn)的2.4 GHz CC2420 射頻收發(fā)器，128kb 程序存儲器，512kb 測量閃光燈和4KB 可編程只讀存儲器。靈活的開源應用開發(fā)系統(tǒng)配套硬件實現(xiàn)可用性和軟件支持。

對于太陽能發(fā)電的能量獲取，考慮了兩種類型的太陽能模塊：1）在一些表面溫度傳感節(jié)點，使用Atla 實驗室制造的Heliomote［12］收集太陽能，配備2.5h 4h 的太陽能電池板和充電器；2）開發(fā)了一個更大功率的太陽能收集裝置，對于三種SF6氣體密度節(jié)點分別使用三個2.5h 4h 的單晶硅太陽能電池。

采用XMesh 路由協(xié)議［13］以評估其性能，XMesh是基于動態(tài)路由協(xié)議而開發(fā)，它采用周期性從每個節(jié)點的鏈路質(zhì)量估計路由更新鏈路消息。鏈路質(zhì)量估計是通過監(jiān)測接收到的數(shù)據(jù)包和運行指數(shù)加權(quán)移動平均（EWMA）［14］進行平滑估計。因此，XMesh 使相互連接的無線傳感器節(jié)點組成一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡。

不同的傳感器節(jié)點底座設有9.9dBi 的全方向性天線使傳感器節(jié)點的連通性更好?；痉掌魍ㄟ^蜂窩網(wǎng)絡連接到因特網(wǎng)，并使用安全FTP自動將數(shù)據(jù)從無線傳感器網(wǎng)絡傳輸?shù)轿挥趯嶒炇业臄?shù)據(jù)庫中。對于所有應用程序，我們將數(shù)據(jù)傳輸間隔設置為15min。對于不同類型傳感器節(jié)點的描述如下：

1）溫度傳感節(jié)點：用于檢測斷路器和變壓器油箱表面溫度的無線傳感器節(jié)點使用1000 Ω 電阻溫度檢測器（RTD）和基于MDA320［15］的數(shù)據(jù)采集板，其中，MDA 產(chǎn)生2.5V 電壓和相應的壓降。本系統(tǒng)的溫度傳感實驗精度在i 1℃內(nèi)，RTD外殼裝有磁鐵并吸附在斷路器和變壓器的表面（見圖6）。

圖6 節(jié)點外殼上附著帶磁鐵的RTD

2）振動和聲音傳感節(jié)點：本研究使用雙軸加速度計在MTS310集成傳感器板上安裝麥克風。振動的強度是通過測量20 個采樣點的標準偏差得到，這些加速度計間隔為20ms。這種操作在15min 的間隔內(nèi)進行，即節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸間隔。同樣，聲音的強度通過時間間隔為10ms的話筒信號樣本的標準偏差得到。

3）環(huán)境溫度傳感節(jié)點：環(huán)境溫度傳感是在MTS300 集成傳感器板上安裝溫度傳感器［16］。在MTS300 和MICAz 之間利用51 個引腳將這些傳感器節(jié)點連接。傳感器節(jié)點單元使用與振動傳感節(jié)點相同的方法連接到金屬結(jié)構(gòu)上。

4）SF6氣體密度傳感節(jié)點：采用基于石英晶體振蕩原理的trafag 8774 傳感器［17］，對于測量氣體密度的精度在i 1.8%內(nèi)。Trafag 8774 傳感器需要在10V～30V 的交流電源條件下產(chǎn)生的輸出電流與被測氣體的密度成正比。因此，本研究設計了滿足電壓要求所需的升壓電路，如圖7 所示，將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓所需的跨阻抗放大器（TIA），以及用于獲得測量和計算傳感器穩(wěn)定時間所需的驅(qū)動和傳感代碼。

圖7 使用MICAz的SF6 氣體密度傳感器節(jié)點

4 電能消耗

電能消耗是設計一個成功的實用無線傳感器網(wǎng)絡最關(guān)鍵的指標。每個傳感器節(jié)點都有有限的電能。由于尺寸和成本限制、太陽輻照度的變化以及可充電電池的限制，太陽能采集模塊在持續(xù)供電方面也有局限性。因此，無線傳感器節(jié)點的所有設計方面都必須考慮到節(jié)能因素。在本研究中，利用XMesh路由協(xié)議的低功耗（LP）操作模式，其中節(jié)點大部分時間都處于休眠狀態(tài)，在短時間內(nèi)喚醒8次，以檢測活動。如果一個信號被檢測到，則會保持無線電接收信號。由于無線電傳輸和接收是主要的電能消耗活動，平均電能消耗主要依賴于節(jié)點傳輸和接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

由于大量的參數(shù)影響了無線傳感器節(jié)點的功耗，為了估計故障發(fā)生時的監(jiān)控設備電能消耗。本研究開發(fā)的不同應用程序所執(zhí)行各傳感器的電流檢測與持續(xù)時間如表1所示。

表1 使用MICAz的電流檢測與持續(xù)時間

使用上述數(shù)據(jù)，可以計算整套無線傳感器網(wǎng)絡的平均電流消耗：

其中，Ix和Tx分別代表x 類型檢測的電流和持續(xù)時間，N 是無線傳感器網(wǎng)絡中的鄰居節(jié)點數(shù)；TRUI和TD分別代表RUI 和數(shù)據(jù)間隔時間。通過將式（1）中的預測值與N=2 的鄰居節(jié)點數(shù)網(wǎng)絡中得到的實驗結(jié)果進行比較，驗證了該模型的有效性，如表2所示。

表2 N=2 時各種應用程序的電流和壽命估計

5 實驗分析

將122個傳感器節(jié)點部署在如圖8所示的變電站內(nèi)，本研究評估1000m 400m 的四個不同的區(qū)域。在變電站中部署的節(jié)點的位置，橢圓代表斷路器的組合，右邊的矩形是基站所在的拖車。垂直線用于描述網(wǎng)絡中的四個不同的區(qū)域。

圖8 變電站節(jié)點部署位置

5.1 能耗檢測

在2016年12月9日部署的122個電池組中，截至2017 年5 月22 日，94 個節(jié)點仍在運行。表3 描述了從上一次更換電池以來，每個應用程序在每個月運行的節(jié)點數(shù)。八個節(jié)點從開始就沒有操作，這可以歸因于硬件故障。某些節(jié)點中的電池部署時間比網(wǎng)絡其余部分早得多。在SF6氣體密度和表面溫度監(jiān)測節(jié)點中，只有一臺仍在運行，這是由太陽能采集模塊供電。

確定實際能耗，記錄MTS300 和MTS310 的每個程序節(jié)點周期性發(fā)送的電池電壓。這些應用程序節(jié)點運行具有非常相似的能耗。圖9 給出了2017 年1 月至5 月各區(qū)域的平均電池電壓下降。平均來看，離基站最遠的節(jié)點（Zone-A）的能耗最低，而Zone-C 的節(jié)點能耗最高。這主要是由于在所有這些節(jié)點中傳輸?shù)臄?shù)量大致相同，而靠近網(wǎng)絡中心（Zone-C）和基站附近的傳輸量則更高。這一區(qū)域的電池電壓降為0.2V，接近于預期的5個月。

表3 更換最后一批電池后的操作節(jié)點數(shù)

圖9 各區(qū)域平均電池電壓下降

5.2 路由性能

為了評估XMesh路由協(xié)議的性能，通過計算使用周期性傳輸?shù)乃协h(huán)境溫度敏感節(jié)點的平均包傳遞率，如表4所示。

表4 周期環(huán)境溫度敏感節(jié)點的包傳遞率

結(jié)果表明：盡管傳遞率隨時間略有下降，但平均約有75%的傳輸在網(wǎng)絡上是成功的。然而，即使是網(wǎng)絡最遠端的節(jié)點（Zone-A），也需要4個或更多的hops 將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)交?，成功地傳輸了超過60%的傳輸數(shù)據(jù)包。

6 結(jié)語

本研究針對大型變電站設備硬件監(jiān)控提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)控系統(tǒng)，通過在不同的子系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)部署無線傳感器節(jié)點來檢測斷路器和變壓器使用性能，結(jié)合無線網(wǎng)絡傳輸收集了實驗數(shù)據(jù)。通過分析傳感器的電能消耗驗證了本監(jiān)控系統(tǒng)的有效性和可行性，這對變電站的自動化監(jiān)控提供了一種新的參考。