曾華榮++張迅++劉宇++曾鵬

摘 要：針對當前電力電纜在實際應(yīng)用中易發(fā)生的故障與缺陷，設(shè)計了一種無線傳感器節(jié)點，通過自組網(wǎng)對電力電纜局部放電進行在線監(jiān)測。文中著重闡述了檢測系統(tǒng)的構(gòu)成、無線監(jiān)測節(jié)點的軟硬件設(shè)計等內(nèi)容。該系統(tǒng)通過核心模塊ATmega128L和CC2420連接外圍傳感器并對監(jiān)測的電纜局放參數(shù)進行傳輸控制。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量準確，傳輸穩(wěn)定，功耗低，適用于電力電纜在線監(jiān)測領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：WSN；電力電纜在線監(jiān)測；局放；抗干擾

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

當前電纜在鋪設(shè)、運行中在線監(jiān)測較方便，在未來有廣泛的應(yīng)用，在當前系統(tǒng)中，35 kV及以上電壓等級電纜應(yīng)用面最廣。據(jù)電網(wǎng)公司統(tǒng)計，當前已經(jīng)鋪設(shè)的 110 kV 及以上電壓等級的電纜總長度超過 3 000 km，最高電壓等級為 1 000 kV[1]。交聯(lián)聚乙烯電纜目前已經(jīng)在國內(nèi)許多城市大面積進行現(xiàn)場應(yīng)用，且鋪設(shè)數(shù)量越來越多[2]。隨著電力電纜的應(yīng)用增多，其運行可靠性將直接關(guān)系電網(wǎng)的可靠與安全性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）在應(yīng)用中有一大類以環(huán)境參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)作為監(jiān)控對象[3]，適用于構(gòu)建室外環(huán)境下的電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理簡介

WSN電力電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由WSN裝置（由GPRS 收發(fā)模塊、GPRS 基站、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和客戶端等組成）、電感耦合傳感器、局放監(jiān)測單元、現(xiàn)場取電裝置等組成。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電感耦合傳感器檢測并采集三相電纜的外屏蔽層接地線上的局部放電信號，由局放監(jiān)測單元自動選頻、混頻、濾波、峰值檢波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，顯示在液晶顯示屏上，再由 WSN節(jié)點把監(jiān)測數(shù)據(jù)周期上傳到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析[4]。最后客戶端通過訪問服務(wù)器、瀏覽局放監(jiān)測單元的詳細信息來遠程控制和修改在線監(jiān)測單元的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.1 電感耦合器

本系統(tǒng)選用德方電子自主開發(fā)的開口式寬頻電流互感器作為電感耦合器，此傳感器靈敏度高，適用于電纜接地線局部放電測量，結(jié)合一定的抗干擾算法后具有較好的工程應(yīng)用價值[5]。檢測靈敏度為10 pC，頻帶范圍為10 kHz～30MHz，外形尺寸為128 mm×130 mm×35 mm，信號傳輸借助0.8 kg，阻值50 ?的同軸電纜。

1.2 在線監(jiān)測Sink節(jié)點硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

（1） 信號調(diào)理模塊：該模塊由過壓保護、選通電路、預(yù)選器、衰減網(wǎng)絡(luò)、混頻電路和峰值檢測電路組成，把采集的信號轉(zhuǎn)換為單片機處理信號。

（2）控制模塊：該模塊對信號進行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲。

（3） 液晶模塊：該模塊可實時顯示數(shù)據(jù)，并與按鍵電路實現(xiàn)友好的人機交互。

（4） GPRS模塊：該模塊可提供物理傳輸通道。

1.3 系統(tǒng)工作原理

局部放電信號由傳感器采集進入信號調(diào)理模塊[6]，再由過壓保護電路泄放可能存在的過電壓信號后，選通電路選擇參數(shù)的通道，然后經(jīng)濾除干擾和雜波處理后，再由衰減和前置放大模塊對信號幅值進行調(diào)整，轉(zhuǎn)變?yōu)?55 kHz的中頻信號并進一步降頻后完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，最后經(jīng)顯示模塊顯示在液晶顯示屏上，由GPRS上傳至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。

2 WSN在線監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

WSN選擇ATmega128L作為控制核心[7]，采用CC2420收發(fā)射頻數(shù)據(jù)。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓撲由普通節(jié)點、中心節(jié)點和匯聚節(jié)點組成?？紤]到電纜架設(shè)環(huán)境會使網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大，故采用中心拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過監(jiān)測普通節(jié)點的狀態(tài)，選取若干中心節(jié)點進行信息傳輸，而其它節(jié)點休眠可以減少能量消耗[8]。中心拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

節(jié)點定時采集數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)經(jīng)中心節(jié)點通過多跳路由傳給Sink 節(jié)點。Sink 節(jié)點將數(shù)據(jù)上傳至控制中心，同時通過GPRS模塊把信息傳遞給PC機。

目前國內(nèi)外出現(xiàn)了多種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件平臺。主要有Mica、Smart Dust、Telos等，采用不同的處理器、射頻、路由協(xié)議并選擇不同功能的傳感器作為區(qū)分。

2.1 普通節(jié)點結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)對功耗有特殊的要求，因此采取模塊化體系設(shè)計，按功能分為傳感采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、射頻發(fā)送模塊、供電模塊。

2.2 傳感采集模塊

本系統(tǒng)選用性能較好的傳感器來實現(xiàn)電纜環(huán)境的在線監(jiān)測，如加速度傳感器、溫濕度傳感器等。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊完成節(jié)點的數(shù)據(jù)處理、路由、時間同步、定位等，是計算的核心。

本系統(tǒng)選用Atmega128L單片機[9]。與外圍結(jié)構(gòu)連接電路如圖4所示。

2.4 射頻收發(fā)模塊

本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的CC2420射頻收發(fā)芯片作為核心構(gòu)建射頻收發(fā)模塊，可實現(xiàn)點對點快速組網(wǎng)。該系統(tǒng)具有體積小、成本低、功耗小等特點， 適用于電池長期供電的情況。還具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等優(yōu)點[3]。射頻收發(fā)模塊電路如圖5所示。

2.5 供電模塊

本系統(tǒng)采用鋰電池供電與現(xiàn)場取電結(jié)合的供電模塊。原因在于高壓電纜鋪設(shè)在野外，長度不等，對它進行在線監(jiān)測時，通過現(xiàn)場電纜取電裝置從運行的電纜中感應(yīng)出電流，利用電流電壓轉(zhuǎn)換裝置形成直流電壓。

2.6 交互接口

節(jié)點交互接口包括ISP編程接口、JTAGE接口、232接口、鋰電池充電接口等[10]。

3 結(jié) 語

本文介紹了目前電纜局部放電在線監(jiān)測相關(guān)方法，然后設(shè)計了一套基于WSN的在線監(jiān)測系統(tǒng)，并進行了相關(guān)系統(tǒng)的硬件選型和設(shè)計，具有一定的應(yīng)用價值。

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