黨 倩

(國網(wǎng)甘肅省電力公司信息通信公司，甘肅 蘭州 730050)

架空輸電線路無線監(jiān)測系統(tǒng)研究

黨 倩

(國網(wǎng)甘肅省電力公司信息通信公司，甘肅 蘭州 730050)

為實現(xiàn)架空輸電線路的自動監(jiān)測，優(yōu)化設(shè)計了一種架空輸電線路無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時監(jiān)測架空輸電線路中的溫度、濕度、風速、拉力等參數(shù)，并通過多跳的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心和云服務(wù)器。基于Zigbee技術(shù)，組建了鏈式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；基于CC2530芯片，設(shè)計了無線傳感器節(jié)點；使用放大電路，將最大監(jiān)測風速降至40 m/s，提高了測量精度；利用儀表放大器，設(shè)計了拉力傳感器信號調(diào)理電路，并采用太陽能電池板供電。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)架空輸電線路參數(shù)的監(jiān)測，也可應(yīng)用于其他類似場合的環(huán)境監(jiān)測。

Zigbee； 架空輸電線路； 鏈式網(wǎng)絡(luò)； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 溫度； 濕度； 風速； 拉力

0 引言

架空輸電線路是電力系統(tǒng)進行遠程輸電的重要載體，在電力系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。一旦輸電線路出現(xiàn)故障，就會大面積影響居民用電，甚至會造成嚴重的經(jīng)濟損失[1]。因此，它對安全性的要求非常高。由于架空輸電線路常年暴露在外界環(huán)境之下，很容易受到外界影響而出現(xiàn)故障，因此，需要對其進行長期監(jiān)測。然而，電網(wǎng)輸電線路一般相隔距離遠、所處環(huán)境惡劣，不適合長期采用人工監(jiān)測。

為了解決該問題，設(shè)計了一種基于Zigbee的架空輸電線路參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到輸電線路監(jiān)測中，能實時監(jiān)測架空輸電線路中的溫度、濕度、風速、拉力等參數(shù)，從而幫助監(jiān)控人員提前排查安全隱患。

1 系統(tǒng)設(shè)計

架空輸電線路一般通過雙回路塔架設(shè)到空中，呈“長蛇”狀。由于大部分線路處于城市郊區(qū)或者山區(qū)，距離監(jiān)測站非常遠[1]，因此必須選取傳輸距離遠、能夠逐級傳遞信號的無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)進行信號傳遞。

作為電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)項目的前期工作，本文主要對架空輸電線路中的溫度、濕度、風速、拉力等重要參數(shù)進行監(jiān)測。

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

目前，無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域常用的傳輸協(xié)議有WiFi、藍牙和Zigbee，三者都工作在2.4 GHz頻段。WiFi采用IEEE 802.11標準，其優(yōu)點是傳輸速度快、覆蓋范圍廣、技術(shù)較成熟；但其功耗大、組網(wǎng)能力低，不便于電池供電的設(shè)備使用。藍牙是無線數(shù)據(jù)和語音傳輸?shù)拈_放式標準，傳輸速率中等，安全性高；其缺點是傳輸距離短。Zigbee采用IEEE 802.15.4標準，是一種低速率、低功耗的傳輸協(xié)議，安全性高，可通過在多個節(jié)點之間多跳來實現(xiàn)遠距離通信[2]。

本系統(tǒng)傳輸距離遠，傳感器節(jié)點較多，要求能易于擴展；但傳輸數(shù)據(jù)量較小，對速率要求不高。因此，本系統(tǒng)采用Zigbee無線傳輸協(xié)議。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

架空輸電線路參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)可以分為3個部分：架空輸電線路監(jiān)測區(qū)、本地監(jiān)測區(qū)、遠程監(jiān)測區(qū)[3]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在架空輸電線路監(jiān)測區(qū)，可監(jiān)測輸電線路中的溫度、濕度、風速、拉力等參數(shù)。由于架空輸電線路呈“長蛇”狀，距離監(jiān)測站非常遠，必須利用Zigbee技術(shù)的多跳功能，逐級傳遞到匯聚節(jié)點。因此，每個無線傳感器節(jié)點都具有路由功能[4]。無線傳感器節(jié)點配備4種傳感器，監(jiān)測輸電線路兩端的拉力及雙回路塔周圍的溫度、濕度和風速信息。每個節(jié)點采集到數(shù)據(jù)之后，將這些數(shù)據(jù)進行組裝并朝靠近匯聚節(jié)點的方向轉(zhuǎn)發(fā)到下一個節(jié)點。下一個節(jié)點接收到該節(jié)點數(shù)據(jù)后，繼續(xù)沿著該方向轉(zhuǎn)發(fā)，直至將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點。

本地監(jiān)測區(qū)指負責該條輸電線路運營工作的管理中心。在該區(qū)域部署了1個匯聚節(jié)點、1臺本地服務(wù)器和監(jiān)控系統(tǒng)[5]。匯聚節(jié)點接收到各個無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)之后，通過RS-232串口轉(zhuǎn)發(fā)到本地服務(wù)器。本地服務(wù)器(可采用通用計算機)接收到數(shù)據(jù)之后，通過Internet將這些數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器。本地監(jiān)測界面為LED顯示屏，用VGA接口連接到本地服務(wù)器，并通過訪問位于云端服務(wù)器的監(jiān)測網(wǎng)站來實現(xiàn)本地監(jiān)測。

為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的整合，本文將采集到的數(shù)據(jù)通過本地服務(wù)器上傳到云服務(wù)器，并提供遠程訪問功能。云服務(wù)器上設(shè)有SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫和架空輸電線路監(jiān)測網(wǎng)站。云服務(wù)器通過Internet接收本地服務(wù)器上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解析，并將監(jiān)測結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。監(jiān)測網(wǎng)站讀取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將分析結(jié)果顯示到網(wǎng)頁上。遠程用戶可通過GPRS或Internet遠程訪問該網(wǎng)站，從而在任意時間、地點獲取架空輸電線路的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

本文的無線傳感器節(jié)點硬件基于TI公司生產(chǎn)的CC2530處理器芯片設(shè)計；軟件在IAR Embedded Workbench集成環(huán)境下開發(fā)；本地服務(wù)器采用普通計算機；位于云服務(wù)器上的網(wǎng)站基于Django網(wǎng)絡(luò)框架，采用Python語言、HTML語言和JavaScript語言設(shè)計；數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000管理系統(tǒng)設(shè)計。

在每一座雙回路塔上，安裝有1個無線傳感器節(jié)點。但架空輸電線路的2座雙回路塔之間的距離一般為40～1 000 m，超出了Zigbee節(jié)點的通信距離。為了保證通信鏈路正常，需要根據(jù)實際情況，在兩座雙回路塔之間的地面上部署數(shù)量不等、僅具有路由功能的路由節(jié)點，用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 無線傳感器節(jié)點

無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)傳感器信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及無線發(fā)送功能，由溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器、拉力傳感器、信號調(diào)理電路、中央處理器、無線通信以及電源等模塊組成。

中央處理器選擇TI公司的CC2530芯片。它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/Zigbee協(xié)議以及射頻(radio frequency，RF)，功能強大，功耗較低，可在多種不同工作狀態(tài)間切換。中央處理器模塊包括GPIO、A/D轉(zhuǎn)換器、控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。溫度傳感器和濕度傳感器采用AF3485管道式網(wǎng)絡(luò)型溫濕度變送器。該變送器為高品質(zhì)電容式數(shù)字溫濕度傳感器，采用單總線協(xié)議通信，可以直接通過GPIO口來讀取溫濕度數(shù)據(jù)。風速傳感器和拉力傳感器采集到的模擬信號，需要通過信號調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)換為0～3.3 V電壓信號，再由中央處理器CC2530的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。無線傳感器節(jié)點功能框圖如圖2所示。

圖2 無線傳感器節(jié)點功能框圖

在架空輸電線路中，雖然電力供應(yīng)非常充足，但是直接從架空高壓輸電線路上的高壓降至12 V的環(huán)節(jié)非常復(fù)雜[5]。因此，本文采用太陽能電池板為無線傳感器節(jié)點供電[6]。選用了單片功率為4 W的太陽能電池板，并將3塊電池板串聯(lián)。12 V電池組充電后，再由降壓、穩(wěn)壓模塊對其進行降壓、穩(wěn)壓，從而為無線傳感器節(jié)點提供12 V、10 V、9 V、5 V、3.3 V的電能。

2.2 風速測量模塊

風速傳感器用于測量雙回路塔周圍的風速v，以防止強風對輸電線路和塔造成破壞。為了監(jiān)測風速，本文選用了武漢易谷科技有限公司生產(chǎn)的YGC-FS型風速傳感器。該傳感器為傳統(tǒng)三風杯結(jié)構(gòu)，風杯選用碳纖維材料，強度高，啟動風速小，測量范圍為 0～70 m/s，測量精度為±(0.3+0.03v) m/s，啟動風速≤0.3 m/s。

12級颶風的風速達到32.6 m/s以上。這種風的破壞力極大，在陸地上極少見到。本文選用的風速傳感器測量范圍為0～70 m/s。為了提高風速監(jiān)測的精度，將測量的風速范圍設(shè)置為 0～40 m/s。電路設(shè)計過程分析如下。

該風速傳感器是線性傳感器，輸出電壓符合:

(1)

式中:vmax為滿量程時的風速，m/s；vmin為可測的最小風速，m/s；Umax為滿量程時的傳感器輸出電壓，V；Umin為vmin對應(yīng)的傳感器輸出電壓，V；vtr為實際風速，m/s；Uout為傳感器輸出電壓，V。

由前文可知，vmax=70 m/s，vmin=0，Umax=5 V。則當風速最大量程定為40 m/s時，傳感器輸出電壓由式(1)可得：

在線性放大電路中，放大倍數(shù)計算公式為：

(2)

式中：A為放大倍數(shù)；Uout_max為放大后的最大電壓，V；Uout_max為放大后的最小電壓，V；Uin_max為輸入的最大電壓，V；Uin_max為輸入的最小電壓，V。

將0～2.86 V電壓放大到0～3 V，所需要的放大倍數(shù)可由式(2)計算為：

根據(jù)上述分析，所設(shè)計的風速傳感器信號調(diào)理電路如圖3所示。圖3中：R2和R3選用誤差為0.1%的高精密電阻。

圖3 風速傳感器信號調(diào)理電路

2.3 拉力測量模塊

本文采用了百森公司生產(chǎn)的量程范圍為0～200 kg的BSLM-3型拉力傳感器進行導(dǎo)線拉力的測量。該傳感器具有密封性好、體積小、強度大、性能穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，常被用于電力系統(tǒng)高壓導(dǎo)線監(jiān)測。BSLM-3拉力傳感器是一個惠斯通電橋。由于拉力不同將導(dǎo)致電橋一端的電阻發(fā)生變化，因此測量電橋的電壓差即可測量出拉力。根據(jù)傳感器參數(shù)，設(shè)計了拉力傳感器信號調(diào)理電路[7]，如圖4所示。拉力傳感器采用10 V電壓供電。U2、U3、U4組成了儀表放大器，R11～R17決定了電路的放大倍數(shù)，可計算如下：

(3)

則電路的輸出電壓可以表示為：

Uout=A(UI+-UI-)

(4)

圖4 拉力傳感器信號調(diào)理電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于Zigbee的架空輸電線路無線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分包括無線傳感器節(jié)點軟件、本地服務(wù)器軟件、云服務(wù)器軟件等。

無線傳感器節(jié)點軟件由Zigbee組網(wǎng)、傳感器信號A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析和處理、無線通信等模塊組成。這些軟件在IAR Embedded Workbench 7.51集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)。

本地服務(wù)器軟件主要包括RS-232數(shù)據(jù)接收、解析、存儲和Internet上傳等功能，采用Visual Basic開發(fā)。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000設(shè)計。

云服務(wù)器軟件包括前臺的監(jiān)控網(wǎng)站和后臺的服務(wù)器管理等模塊，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)解析、存儲、分析以及網(wǎng)頁顯示等功能。本項目中，云服務(wù)器軟件基于Django網(wǎng)絡(luò)框架，采用Python語言、HTML語言和JavaScript語言設(shè)計。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000設(shè)計。

3.1 無線傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

由于架空輸電線路呈“長蛇”狀，距離監(jiān)測站非常遠，因此安裝到雙回路塔上的無線傳感器節(jié)點也必須組成鏈式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即每一個節(jié)點必須具有數(shù)據(jù)采集功能和路由功能。在設(shè)計節(jié)點地址時，按照與匯聚節(jié)點距離增加的方向逐步增加地址編碼。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及地址分配情況如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及地址分配示意圖

匯聚節(jié)點地址設(shè)置為0x0000，在匯聚節(jié)點左右兩側(cè)各為1條子鏈，左側(cè)子鏈地址從0x0001開始遞增，右側(cè)子鏈地址從0x8001開始遞增。理論上，每一條子鏈可以容納32 767個節(jié)點[8]。這種設(shè)置固定地址的方法還有利于監(jiān)控中心對故障地點的定位分析[9-10]。

數(shù)據(jù)采集主要是從GPIO口讀取溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，從CC2530 A/D轉(zhuǎn)換器讀取風速傳感器和拉力傳感器數(shù)據(jù)[11]。每次讀取10組數(shù)據(jù)，將其按照大小順序排列后，去掉1個最大值和1個最小值，將剩余的8個數(shù)據(jù)的平均值作為最終的數(shù)據(jù)采集結(jié)果。由于無線傳感器節(jié)點均相同，為了減少無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)處理量，數(shù)據(jù)解析工作在本地服務(wù)器和云服務(wù)器上完成[12]。

將CC2530的A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)置為12 b，則每一個傳感器數(shù)據(jù)均為2 B，傳感器節(jié)點地址為2 B，幀頭、幀尾各1 B，總共14 B。數(shù)據(jù)通信接口的信號幀格式如表1所示。

表1 信號幀格式

3.2 云服務(wù)器軟件設(shè)計

云服務(wù)器主要完成數(shù)據(jù)獲取、存儲和顯示。其包括如下功能模塊：本地服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取。數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、用戶管理以及web頁面顯示。本地服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取模塊通過Internet，從監(jiān)測中心的本地服務(wù)器獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。然后，由數(shù)據(jù)解析模塊對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行解析并存儲到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)查詢模塊可根據(jù)用戶需要，查詢最新監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析模塊可生成各種報表、曲線和報警信息。最后，由web頁面顯示這些信息。

本地服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取模塊和數(shù)據(jù)解析功能采用Python語言編寫。上層web服務(wù)功能基于Django網(wǎng)絡(luò)框架，采用Python語言、HTML語言和JavaScript語言編寫。

4 系統(tǒng)測試

本項目設(shè)計完成之后，在實驗室進行了測試：部署了2個子鏈[13]，每個子鏈上有5個無線傳感器節(jié)點。第一條子鏈的節(jié)點地址為0x0001～0x0005，第二條子鏈的節(jié)點地址為0x8001～0x8005。匯聚節(jié)點位置放置風扇循環(huán)掃風，以便測量風速。由于條件限制，主要對溫濕度和風速進行了測量，數(shù)據(jù)采集周期為30 min，連續(xù)測量了24 h。試驗結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)能夠以鏈狀結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)采集，并且數(shù)據(jù)監(jiān)測準確，能夠?qū)崿F(xiàn)架空輸電線路參數(shù)的監(jiān)測。

5 結(jié)束語

架空輸電線路是電力系統(tǒng)進行遠程輸電的重要載體，對安全性的要求較高。然而，電網(wǎng)輸電線路一般具有傳輸距離遠、所處環(huán)境惡劣等特點，容易受到外界環(huán)境的影響，且不適合長期人工監(jiān)測。為此，本文提出了一種基于Zigbee的架空輸電線路參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到遠程高壓輸電線路監(jiān)測中，實時監(jiān)測架空輸電線路中的溫度、濕度、風速、拉力等參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計完成后，在實驗室進行了測試。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠以鏈狀結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)采集，并且數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果準確，能夠?qū)崿F(xiàn)架空輸電線路參數(shù)的測量。因經(jīng)費及技術(shù)等方面的問題，該監(jiān)測系統(tǒng)尚未在現(xiàn)場環(huán)境中進行安裝調(diào)試。在接下來的工作中，將對這方面作進一步研究。

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StudyontheWirelessMonitoringSystemforOverheadTransmissionLines

DANG Qian

(Information & Communication Corporation,State Grid Gansu Electric Power Company,Lanzhou 730050,China)

In order to implement the automatic monitoring of overhead transmission lines,the wireless monitoring system is optimized and designed.The parameters of overhead transmission lines,such as temperature,humidity,wind speed and tension can be monitored in real time,and then transferred to the monitoring center and cloud server via multi-hop mode.Based on Zigbee technology,a chained wireless sensor network is constructed.Based on the CC2530 chip,the wireless sensor nodes are designed to enhance the measurement accuracy,the amplification circuit is used to reduce the maximum monitoring wind speed to 40 m/s; the tension sensor signal conditioning circuit is designed by adopting instrument amplifier;the nodes are powered by solar panels.The results of experimental tests show that the monitoring of the parameters of overhead transmission lines can be achieved by this system.It can be used for environmental monitoring in other similar fields.

Zigbee； Overhead transmission line； Chained network； Wireless sensor network; Temperature； Humidity； Wind speed； Tension

修改稿收到日期:2017-06-15

國網(wǎng)甘肅省電力公司科技基金資助項目(52272315000X)

黨倩(1981—)，女，碩士，高級工程師，主要從事電力信息化建設(shè)方向的研究，E-mail：71489962@qq.com

TH81; TP274

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712017