李雪

(國網(wǎng)忻州供電公司,山西忻州 034000)

高壓輸電線路電力塔監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李雪

(國網(wǎng)忻州供電公司,山西忻州 034000)

本文根據(jù)高壓輸電線路和電力塔的實際環(huán)境及位置,設(shè)計實時在線監(jiān)測系統(tǒng),避免常規(guī)巡檢手段無法第一時間發(fā)現(xiàn)隱患的弊端?；谧钚碌臒o線傳輸技術(shù)ZigBee設(shè)計無線傳感系統(tǒng),建立高壓輸電線路和電力塔環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò),對人為破壞、自然災(zāi)害、系統(tǒng)本身故障等進行實時監(jiān)測預(yù)報,實現(xiàn)對高壓線路和電力塔等電力傳輸設(shè)施的安全保護。

高壓輸電線路 電力塔監(jiān)測 系統(tǒng)設(shè)計

電力設(shè)施是與生產(chǎn)、生活密不可分的一部分。高壓輸電線路和電力塔的設(shè)備完好情況以及周邊環(huán)境情況是電能安全遠程傳輸?shù)年P(guān)鍵。在實際電力線路傳輸中卻存在眾多可能損害電力設(shè)施的不確定因素，諸如人為損害、自然災(zāi)害等，造成巨大經(jīng)濟損失，使生產(chǎn)和生活蒙受無法估量的經(jīng)濟損失。所以對高壓線路和電力塔進行全方位的因素監(jiān)測是非常必要的，但是高壓線路和電力塔所處環(huán)境、位置不同，人工監(jiān)測和維護成本巨大且操作不方便。論文介紹如何實現(xiàn)對高壓線路和電力塔的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，對電力設(shè)施建立遠程的無線智能信息監(jiān)測，把各種預(yù)警信息采集遠程傳輸，從而實現(xiàn)對電力設(shè)施的實時安全監(jiān)控，減少損失。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及多學(xué)科，它能提高獲取信息的能力，把各種采集信息的傳感器與傳輸信息的網(wǎng)絡(luò)連接在一起組成采集與傳輸網(wǎng)絡(luò)，提供實時監(jiān)控信息，具有可擴展、低功耗及智慧化等優(yōu)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，用來實現(xiàn)物與物之間信息的交互。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點、基站和管理節(jié)點構(gòu)成。無線傳感器協(xié)議包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層等。如圖1所示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般包括電源模塊，傳感器模塊、處理器模塊和無線傳輸模塊。如圖2所示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖。電源模塊為整個系統(tǒng)提供可靠的能源，并進行能源狀態(tài)監(jiān)測。傳感器模塊是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的前端部分，用來采集各種被監(jiān)測目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)測量對象的不同包含各種不同種類的傳感器。處理器模塊接受傳感器采集的各種信息。并進行存儲與處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)的整體工作，并控制無線傳輸模塊的工作。無線傳輸模塊用來實現(xiàn)節(jié)點與節(jié)點之間、節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)信息無線傳輸。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

圖2 所示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)

1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)工作方案比較

電力設(shè)施監(jiān)測中常用的無線射頻技術(shù)是一種近距離、低功耗的無線通信技術(shù)，無需重新布線，利用點對點的射頻技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備的無線監(jiān)控。目前，常用的無線射頻技術(shù)主要有Wi-Fi、藍牙、ZigBee等，它們各有特點，下面針對傳輸速率和傳輸距離的不同進行比較和擇優(yōu)選擇。Wi-Fi無線通信采用IEEE802.llb標(biāo)準(zhǔn)，是目前WLAN的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，工作在2.4GHz，最高支持54M速度。Wi-Fi通信依賴TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)層，通信距離較短，且其功耗較大，故而在一些電源要求苛刻的場合應(yīng)用受限。

藍牙通信是一種短距離無線通信技術(shù)，是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范。藍牙采用IEEE802.15.1標(biāo)準(zhǔn)，也采用2.4GHz頻段，其傳輸距離最短，并且最多只能有7個節(jié)點，在大型無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中受限。ZigBee采用IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)，是一種新興的短距離、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)率的無線通信技術(shù)。它是開發(fā)有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用的通信技術(shù)。它具有省電、可靠、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全、高保密性等優(yōu)點。目前ZigBee在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域都得到了越來越廣泛的應(yīng)用。ZigBee具有組網(wǎng)靈活性、流動性的特點，可以大大節(jié)約費用和精力。其中，應(yīng)用層包括應(yīng)用支持層或應(yīng)用程序接口、ZigBee設(shè)備對象和由制造商制定的應(yīng)用對象。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和維護，以及命名和綁定服務(wù)，且完成尋址、路由和安全的任務(wù)。應(yīng)用層負(fù)責(zé)為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)通信的服務(wù)。

綜合以上分析，電力設(shè)施的監(jiān)測系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最終設(shè)計方案。監(jiān)控系統(tǒng)中無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用星型連接，主要包括了一個網(wǎng)關(guān)以及若干個無線通信子節(jié)點。網(wǎng)關(guān)上有一個無線收發(fā)模塊，其他的無線通信子節(jié)點安放在各個監(jiān)測點上，通過無線收發(fā)模塊，各種信息數(shù)據(jù)可以在主節(jié)點和子節(jié)點之間進行傳輸。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

圖3 高壓輸電線路和電力塔監(jiān)測系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)計遠程高壓線和電力塔監(jiān)測，對高壓線和電力塔的溫度、周邊實時信息進行感知并監(jiān)測，在遇到認(rèn)為損害或惡劣氣候環(huán)境以及自身運行狀態(tài)異常時進行預(yù)警處理。監(jiān)測點進行無線測量和傳輸，利用ZigBee棉模塊，通過布置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線快速傳輸，從而達到降低危害的效果。

因為高壓線和電力塔是高壓電力輸送的骨干傳輸設(shè)施，地域跨度非常大，基本是線性延伸的分布，所以在實際監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時，除了在終端使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為短距離通信方式，需要把監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行采集與簡單處理后，采用以太網(wǎng)實現(xiàn)集中遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)管理模塊，以實現(xiàn)遠程長距離監(jiān)測的要求。系統(tǒng)的傳感器節(jié)點部署在高壓輸電線路和電力塔基上，將高壓輸電線路和電力塔的受力、溫度、圖片等環(huán)境參數(shù)采集后進行處理，在幾公里或十幾公里的局部范圍內(nèi)，各電力塔之間構(gòu)成一個相互聯(lián)系的無線傳感器通信網(wǎng)路。最后再將多個區(qū)域內(nèi)的信息匯聚以后，通過以太網(wǎng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回系統(tǒng)管理中心。系統(tǒng)整體分為：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，主控模塊，以太網(wǎng)傳輸模塊，系統(tǒng)管理模塊，安全預(yù)警處理模塊等。其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊采用CC2430芯片實現(xiàn)無線收發(fā)及傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最終實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊，完成對監(jiān)測節(jié)點的控制與通信。數(shù)據(jù)采集模塊利用多種傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過布置在高壓線和電力塔上的溫度、壓力、視頻等傳感器對設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)采集。主控模塊通過中央處理器把采集到的實時數(shù)據(jù)進行簡單處理，以獲得設(shè)備的實時狀態(tài)信息，并控制安全預(yù)警處理模塊進行相應(yīng)的安全預(yù)警處理。以太網(wǎng)傳輸模塊利用網(wǎng)絡(luò)接口芯片實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，把采集到的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)管理模塊，進行數(shù)據(jù)比較存儲與處理。系統(tǒng)管理模塊利用高級語言設(shè)計用戶管理接口，實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)及控制管理。圖3所示為高壓輸電線路和電力塔監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

高壓輸電線路和電力塔是電能傳輸?shù)暮诵?，電力設(shè)施的完好是關(guān)系到電能安全遠程傳輸?shù)年P(guān)鍵，對其進行安全監(jiān)測是很有必要的。由于高壓輸電線路和電力塔所處環(huán)境復(fù)雜，如果單純依靠人力來進行監(jiān)測難度很大。根據(jù)高壓輸電線路和電力塔的特點，利用ZigBee技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對高壓輸電線路和電力塔的環(huán)境參數(shù)信息進行數(shù)據(jù)采集并處理，最后匯總多個節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)把監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸至系統(tǒng)管理中心，最終實現(xiàn)對高壓傳輸線路和電力塔的智能遠程監(jiān)測。設(shè)計的這套智能遠程監(jiān)測系統(tǒng)，可以利用短距離無線傳輸技術(shù)組建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在被監(jiān)測點設(shè)置不同類型傳感器，采集需要監(jiān)測的狀態(tài)信息，利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線傳輸，再把較大范圍的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總，通過以太網(wǎng)進行遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸，最終在系統(tǒng)管理中心實現(xiàn)實時對高壓輸電線路和電力塔進行監(jiān)測，避免人為或自然災(zāi)害。

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