作者簡(jiǎn)介：董愛(ài)華（1955—），男，河南鹿邑縣人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：信號(hào)檢測(cè)與數(shù)字信號(hào)處理方面的教學(xué)（E-mail：dah@hpu.edu.cn）；孫士棟（1972—），男，河南鹿邑人，高級(jí)工程師，研究方向：供電生產(chǎn)、技術(shù)管理。

摘要：無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)是高壓供電線路故障定位系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)供電線路故障信號(hào)的可靠傳輸，作者在分析比較現(xiàn)有無(wú)線傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用Zigbee無(wú)線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)出高壓供電線路故障定位系統(tǒng)的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)電路。選用帶功率放大模塊的Zigbee芯片，使信號(hào)無(wú)線傳輸距離達(dá)一千米以上，節(jié)省了傳輸節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，降低了成本。該無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)具有性能可靠、傳輸距離遠(yuǎn)、運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)；Zigbee模塊；高壓線路；故障定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TM726.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用電負(fù)荷大幅度增加，致使很多供電線路滿負(fù)荷、甚至超負(fù)荷運(yùn)行，再加上有些線路運(yùn)行年限已久，線路老化嚴(yán)重，因此高壓供電線路短路故障及接地故障時(shí)有發(fā)生，給用戶的正常生產(chǎn)和安全帶來(lái)極大隱患[1]。另外，由于高壓輸電線路多處于山區(qū)、丘陵地帶，地形地貌比較復(fù)雜，且線路分支線多。目前缺少實(shí)用性強(qiáng)的線路故障檢測(cè)及定位系統(tǒng)，所以當(dāng)供電線路出現(xiàn)故障時(shí)，需要人工沿線路進(jìn)行排查，尋找故障點(diǎn)位置，要花費(fèi)大量的人力物力。由于人工查找故障點(diǎn)，很難做到故障點(diǎn)的快速發(fā)現(xiàn)、故障線路快速恢復(fù)，因此，一旦發(fā)生故障停電事故，不僅會(huì)影響用戶的正常生產(chǎn)，降低生產(chǎn)效率，還會(huì)損壞大型電氣設(shè)備，造成重大的安全事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電弧造成爆炸事故，危及生命財(cái)產(chǎn)的安全[2]。為了提高供電線路的可靠性，實(shí)現(xiàn)故障線路的快速恢復(fù)，極大限度的減小停電時(shí)間，我們開(kāi)展了高壓輸電線路故障分段定位系統(tǒng)研究，其中一個(gè)重要內(nèi)容是選擇適合的信號(hào)無(wú)線傳輸方式，設(shè)計(jì)出高性能的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模塊高壓線路線路故障信號(hào)的可靠傳輸。

2技術(shù)方案

目前對(duì)于故障點(diǎn)的檢測(cè)與定位主要利用故障指示器實(shí)現(xiàn)線路故障分段定位，由于通常故障指示器沒(méi)有信號(hào)的自動(dòng)發(fā)射、傳輸功能，當(dāng)線路出現(xiàn)故障后，需要人工沿線查找，增加了故障查找時(shí)間和難度。為了實(shí)現(xiàn)故障的快速查找，目前也出現(xiàn)了“線路故障定位系統(tǒng)”，現(xiàn)有系統(tǒng)大都采用信號(hào)檢測(cè)電路對(duì)線路短路、接地故障信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)傳輸采用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)通信方式[3]。信號(hào)傳輸為多點(diǎn)發(fā)射方式，即每一個(gè)發(fā)射點(diǎn)都相當(dāng)一部手機(jī)在工作。所以，一條距離較長(zhǎng)的供電線路需要幾百個(gè)甚至上千個(gè)發(fā)射點(diǎn)。由于這種無(wú)線傳輸方式需租用通信網(wǎng)絡(luò)，每年需要給網(wǎng)絡(luò)公司上繳大量的通信費(fèi)，因此運(yùn)行費(fèi)用高，不適用于長(zhǎng)距離供電線路。除此之外，常用無(wú)線傳輸方式還有如下幾種：①CDMA（Code Division Multiple Access）技術(shù)：這種碼分多址通信技術(shù)具有頻率利用率高、手機(jī)功耗低的優(yōu)點(diǎn)，最大的缺點(diǎn)就是必須依賴無(wú)線通訊運(yùn)營(yíng)商，這樣會(huì)大大增加運(yùn)行成本。②藍(lán)牙（BlueTooth）技術(shù)：它是一種能使手機(jī)與其附件（如耳機(jī)）之間互相通信的無(wú)線模塊，它的工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m 半徑內(nèi)，屬于短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，不適合線路故障信號(hào)的傳輸。③Zigbee無(wú)線通信技術(shù)：它是最近發(fā)展起來(lái)的一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。如與功放模塊結(jié)合，傳輸距離可達(dá)數(shù)千米。經(jīng)過(guò)分析比較本技術(shù)方案采用Zigbee無(wú)線通信技術(shù)，選用帶功放、型號(hào)為IP-Link 1223-51模塊，它是赫立訊公司推出的基于IEEE802.15.4/ ZigBee技術(shù)的嵌入式無(wú)線傳輸模塊。它包含一個(gè)高性能的8-bit 8051微處理器和一個(gè)符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。其主要技術(shù)性能如下：①工作頻率2.4GHz；②符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)；③數(shù)據(jù)傳輸率250Kbps；④支持625K增強(qiáng)模式；⑤傳輸距離可達(dá)1500m以上；⑥低功耗設(shè)計(jì)；⑦時(shí)鐘頻率24.5MHz；⑧最大支持65535個(gè)節(jié)點(diǎn)；⑨體積最小的PA模塊，支持UFL外置天線。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是能夠自成體系，將線路的故障信號(hào)逐級(jí)、接力式地傳輸?shù)椒终綶4]，再由最后一級(jí)分站將接收到的信號(hào)送給上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)對(duì)故障信號(hào)分析處理后，確定出故障類(lèi)型、故障點(diǎn)位置。

該系統(tǒng)主要由線路故障檢測(cè)器與ZigBee無(wú)線發(fā)射器、無(wú)線接收器、變電站工控計(jì)算機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)等部分組成。在每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)上裝設(shè)故障檢測(cè)與發(fā)射器，通過(guò)逐級(jí)傳送方式將故障信號(hào)傳給變電站處的收發(fā)裝置，再經(jīng)過(guò)有線方式送給分站工控機(jī)，對(duì)故障信息進(jìn)行分析、處理、顯示或打印。發(fā)生故障時(shí)，還可進(jìn)行聲音報(bào)警，并顯示出故障類(lèi)型和故障點(diǎn)位置。

3無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)是高壓線路故障檢測(cè)與定位系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，各個(gè)故障檢測(cè)點(diǎn)的信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)也通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將指令傳輸?shù)母鱾€(gè)檢測(cè)點(diǎn)。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)包括ZigBee收發(fā)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器電路設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2013年9月

第32卷第3期董愛(ài)華等：高壓供電線路故障定位系統(tǒng)的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.1無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了網(wǎng)絡(luò)性能及傳輸速度。ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為[5]：星形網(wǎng)絡(luò)、鏈狀網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)高壓供電線路故障定位系統(tǒng)實(shí)際情況，為了提高數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性，采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)技術(shù)方案。該結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)協(xié)調(diào)器，用于建立網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)鏈路、接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。

由于需要對(duì)高壓供電系統(tǒng)的三相線路進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此每一個(gè)傳輸點(diǎn)必須安裝A、B、C三個(gè)無(wú)線發(fā)射/接收裝置，即在選定的線路桿塔上分別對(duì)A、B、C三相線路設(shè)置三個(gè)路由器，如：路由器n1、路由器n2、路由器n3。其中，1

3.2路由節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)電路主要由單片機(jī)、ZigBee模塊組成[6]。其中單片機(jī)選用ATmega16，它是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，其內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏輯單元（ALU） 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。ZigBee模塊選用IP-Link 1223-51型，該模塊為飛思卡爾的專(zhuān)用集成芯片，帶功率放大，傳輸距離超過(guò)1km，傳輸數(shù)據(jù)速率大于50kB，路由等級(jí)可達(dá)50級(jí)，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)小于2ms。該模塊具有TTL電平收發(fā)接口和標(biāo)準(zhǔn)RS232數(shù)據(jù)串口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣播方式發(fā)送，按照目標(biāo)地址發(fā)送模式，除可實(shí)現(xiàn)一般的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信功能外，還可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通訊，串口通信使用方法簡(jiǎn)單便利。Zigbee路由節(jié)點(diǎn)電路原理圖如圖3所示。

3.3協(xié)調(diào)器電路設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器電路主要有IP-Link 1223-51型ZigBee模塊以及信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片組成[7]。其中ZigBee模塊主要用來(lái)接收無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)及時(shí)送給工控PC機(jī)。由于PC機(jī)的串行口為標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，采用的是負(fù)邏輯，而ZigBee模塊具有TTL電平收發(fā)接口，采用的是正邏輯，兩者之間存在電氣特性的不匹配，通常需要進(jìn)行串行口輸入/輸出電平的轉(zhuǎn)換，這里采用MAX3232芯片來(lái)完成電平轉(zhuǎn)換。將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镻C機(jī)能接收處理的電平信號(hào)，然后再由工控機(jī)進(jìn)行分析處理。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，顯示故障類(lèi)型和故障點(diǎn)位置。協(xié)調(diào)器電路圖如圖4所示。3.4數(shù)據(jù)傳輸模擬測(cè)試

為了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸距離，對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了初步模擬測(cè)試。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，該模擬無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)間隔距離為1500 m。數(shù)據(jù)傳輸模擬測(cè)試示意圖如圖5所示。

測(cè)試結(jié)果如下：

1）傳輸距離：離地高度1.7m，傳輸視在距離達(dá)到1500 m；

2）網(wǎng)絡(luò)延遲：遠(yuǎn)小于0.5秒；

3）數(shù)據(jù)丟幀：小于0.1%。

測(cè)試結(jié)果表明，該無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸距離、速度等性能能滿足高壓供電線路故障系統(tǒng)的信號(hào)無(wú)線傳輸要求。

4結(jié)束語(yǔ)

高壓架空線作為輸配電的重要環(huán)節(jié)，在我國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。然而對(duì)供電系統(tǒng)的安全可靠性要求越來(lái)越高，亟需可靠的供電線路故障的定位裝置。在高壓供電線路故障定位系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸則是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，選取適合高壓供電線路故障定位系統(tǒng)傳輸方式，研制出性能可靠、安裝使用方便、運(yùn)行費(fèi)用低的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)務(wù)之急。

本文采用新興的Zigbee無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)出了高壓供電線路故障定位系統(tǒng)的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。由于選用的Zigbee模塊帶有功率放大功能，使傳輸點(diǎn)之間的距離有了很大提高，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，無(wú)障礙傳輸距離最高可達(dá)1500m，因而減少了傳輸節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，降低了成本。Zigbee模塊本身具有自組網(wǎng)能力，當(dāng)中間某個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，還可通過(guò)其它節(jié)點(diǎn)自成系統(tǒng)，因而該無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的傳輸可靠性，能以逐點(diǎn)接力傳輸方式將故障信息（故障點(diǎn)、故障類(lèi)型、發(fā)生時(shí)間等）傳送到監(jiān)控中心，而不需要租用通信網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用大大降低。

該無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)已用于高壓架空輸電線路的故障檢測(cè)與定位系統(tǒng)中，并在河南某大型煤業(yè)集團(tuán)的高壓供電線路中投入運(yùn)行[8]。應(yīng)用結(jié)果表明該無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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