架空輸電線路無線監測系統研究

黨 倩

(國網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測系統研究

黨 倩

(國網甘肅省電力公司信息通信公司，甘肅 蘭州 730050)

為實現架空輸電線路的自動監測，優化設計了一種架空輸電線路無線監測系統。該系統可實時監測架空輸電線路中的溫度、濕度、風速、拉力等參數，并通過多跳的方式將數據傳輸到監控中心和云服務器?；赯igbee技術，組建了鏈式無線傳感器網絡；基于CC2530芯片，設計了無線傳感器節點；使用放大電路，將最大監測風速降至40 m/s，提高了測量精度；利用儀表放大器，設計了拉力傳感器信號調理電路，并采用太陽能電池板供電。測試結果表明，該系統能夠實現架空輸電線路參數的監測，也可應用于其他類似場合的環境監測。

Zigbee； 架空輸電線路； 鏈式網絡； 無線傳感器網絡； 溫度； 濕度； 風速； 拉力

0 引言

架空輸電線路是電力系統進行遠程輸電的重要載體，在電力系統中占有舉足輕重的地位。一旦輸電線路出現故障，就會大面積影響居民用電，甚至會造成嚴重的經濟損失[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境之下，很容易受到外界影響而出現故障，因此，需要對其進行長期監測。然而，電網輸電線路一般相隔距離遠、所處環境惡劣，不適合長期采用人工監測。

為了解決該問題，設計了一種基于Zigbee的架空輸電線路參數監測系統。該系統將無線傳感器網絡技術應用到輸電線路監測中，能實時監測架空輸電線路中的溫度、濕度、風速、拉力等參數，從而幫助監控人員提前排查安全隱患。

1 系統設計

架空輸電線路一般通過雙回路塔架設到空中，呈“長蛇”狀。由于大部分線路處于城市郊區或者山區，距離監測站非常遠[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絡進行信號傳遞。

作為電力物聯網建設項目的前期工作，本文主要對架空輸電線路中的溫度、濕度、風速、拉力等重要參數進行監測。

1.1 無線傳感器網絡協議

目前，無線網絡領域常用的傳輸協議有WiFi、藍牙和Zigbee，三者都工作在2.4 GHz頻段。WiFi采用IEEE 802.11標準，其優點是傳輸速度快、覆蓋范圍廣、技術較成熟；但其功耗大、組網能力低，不便于電池供電的設備使用。藍牙是無線數據和語音傳輸的開放式標準，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、低功耗的傳輸協議，安全性高，可通過在多個節點之間多跳來實現遠距離通信[2]。

本系統傳輸距離遠，傳感器節點較多，要求能易于擴展；但傳輸數據量較小，對速率要求不高。因此，本系統采用Zigbee無線傳輸協議。

1.2 系統架構設計

架空輸電線路參數監測系統架構如圖1所示。該系統可以分為3個部分：架空輸電線路監測區、本地監測區、遠程監測區[3]。

圖1 系統架構圖

無線傳感器網絡部署在架空輸電線路監測區，可監測輸電線路中的溫度、濕度、風速、拉力等參數。由于架空輸電線路呈“長蛇”狀，距離監測站非常遠，必須利用Zigbee技術的多跳功能，逐級傳遞到匯聚節點。因此，每個無線傳感器節點都具有路由功能[4]。無線傳感器節點配備4種傳感器，監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。每個節點采集到數據之后，將這些數據進行組裝并朝靠近匯聚節點的方向轉發到下一個節點。下一個節點接收到該節點數據后，繼續沿著該方向轉發，直至將數據轉發到匯聚節點。

本地監測區指負責該條輸電線路運營工作的管理中心。在該區域部署了1個匯聚節點、1臺本地服務器和監控系統[5]。匯聚節點接收到各個無線傳感器節點的數據之后，通過RS-232串口轉發到本地服務器。本地服務器(可采用通用計算機)接收到數據之后，通過Internet將這些數據上傳到云端服務器。本地監測界面為LED顯示屏，用VGA接口連接到本地服務器，并通過訪問位于云端服務器的監測網站來實現本地監測。

為了實現電力系統監測數據的整合，本文將采集到的數據通過本地服務器上傳到云服務器，并提供遠程訪問功能。云服務器上設有SQL Server 2000數據庫和架空輸電線路監測網站。云服務器通過Internet接收本地服務器上的監測數據，對數據進行解析，并將監測結果存入數據庫。監測網站讀取實時監測數據和歷史監測數據，并將分析結果顯示到網頁上。遠程用戶可通過GPRS或Internet遠程訪問該網站，從而在任意時間、地點獲取架空輸電線路的監測數據。

本文的無線傳感器節點硬件基于TI公司生產的CC2530處理器芯片設計；軟件在IAR Embedded Workbench集成環境下開發；本地服務器采用普通計算機；位于云服務器上的網站基于Django網絡框架，采用Python語言、HTML語言和JavaScript語言設計；數據庫采用SQL Server 2000管理系統設計。

在每一座雙回路塔上，安裝有1個無線傳感器節點。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節點的通信距離。為了保證通信鏈路正常，需要根據實際情況，在兩座雙回路塔之間的地面上部署數量不等、僅具有路由功能的路由節點，用于數據轉發。

2 硬件系統設計

2.1 無線傳感器節點

無線傳感器節點實現傳感器信號調理、A/D轉換、數據處理及無線發送功能，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間切換。中央處理器模塊包括GPIO、A/D轉換器、控制模塊和數據處理模塊。溫度傳感器和濕度傳感器采用AF3485管道式網絡型溫濕度變送器。該變送器為高品質電容式數字溫濕度傳感器，采用單總線協議通信，可以直接通過GPIO口來讀取溫濕度數據。風速傳感器和拉力傳感器采集到的模擬信號，需要通過信號調理電路將其轉換為0～3.3 V電壓信號，再由中央處理器CC2530的A/D轉換器轉換成數字信號。無線傳感器節點功能框圖如圖2所示。

圖2 無線傳感器節點功能框圖

在架空輸電線路中，雖然電力供應非常充足，但是直接從架空高壓輸電線路上的高壓降至12 V的環節非常復雜[5]。因此，本文采用太陽能電池板為無線傳感器節點供電[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。12 V電池組充電后，再由降壓、穩壓模塊對其進行降壓、穩壓，從而為無線傳感器節點提供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。為了監測風速，本文選用了武漢易谷科技有限公司生產的YGC-FS型風速傳感器。該傳感器為傳統三風杯結構，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。為了提高風速監測的精度，將測量的風速范圍設置為 0～40 m/s。電路設計過程分析如下。

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，放大倍數計算公式為：

(2)

式中：A為放大倍數；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，所需要的放大倍數可由式(2)計算為：

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

圖3 風速傳感器信號調理電路

2.3 拉力測量模塊

本文采用了百森公司生產的量程范圍為0～200 kg的BSLM-3型拉力傳感器進行導線拉力的測量。該傳感器具有密封性好、體積小、強度大、性能穩定可靠的優點，常被用于電力系統高壓導線監測。BSLM-3拉力傳感器是一個惠斯通電橋。由于拉力不同將導致電橋一端的電阻發生變化，因此測量電橋的電壓差即可測量出拉力。根據傳感器參數，設計了拉力傳感器信號調理電路[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，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 拉力傳感器信號調理電路

3 系統軟件設計

基于Zigbee的架空輸電線路無線監測系統的軟件部分包括無線傳感器節點軟件、本地服務器軟件、云服務器軟件等。

無線傳感器節點軟件由Zigbee組網、傳感器信號A/D轉換、數據分析和處理、無線通信等模塊組成。這些軟件在IAR Embedded Workbench 7.51集成開發環境下開發。

本地服務器軟件主要包括RS-232數據接收、解析、存儲和Internet上傳等功能，采用Visual Basic開發。數據庫采用SQL Server 2000設計。

云服務器軟件包括前臺的監控網站和后臺的服務器管理等模塊，可實現數據解析、存儲、分析以及網頁顯示等功能。本項目中，云服務器軟件基于Django網絡框架，采用Python語言、HTML語言和JavaScript語言設計。數據庫采用SQL Server 2000設計。

3.1 無線傳感器節點軟件設計

由于架空輸電線路呈“長蛇”狀，距離監測站非常遠，因此安裝到雙回路塔上的無線傳感器節點也必須組成鏈式網絡結構，即每一個節點必須具有數據采集功能和路由功能。在設計節點地址時，按照與匯聚節點距離增加的方向逐步增加地址編碼。網絡結構及地址分配情況如圖5所示。

圖5 網絡結構及地址分配示意圖

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

數據采集主要是從GPIO口讀取溫濕度傳感器數據，從CC2530 A/D轉換器讀取風速傳感器和拉力傳感器數據[11]。每次讀取10組數據，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個數據的平均值作為最終的數據采集結果。由于無線傳感器節點均相同，為了減少無線傳感器節點數據處理量，數據解析工作在本地服務器和云服務器上完成[12]。

將CC2530的A/D轉換器設置為12 b，則每一個傳感器數據均為2 B，傳感器節點地址為2 B，幀頭、幀尾各1 B，總共14 B。數據通信接口的信號幀格式如表1所示。

表1 信號幀格式

3.2 云服務器軟件設計

云服務器主要完成數據獲取、存儲和顯示。其包括如下功能模塊：本地服務器數據獲取。數據解析、數據查詢、數據分析、用戶管理以及web頁面顯示。本地服務器數據獲取模塊通過Internet，從監測中心的本地服務器獲取監測數據。然后，由數據解析模塊對監測數據進行解析并存儲到數據庫中。數據查詢模塊可根據用戶需要，查詢最新監測數據和歷史監測數據。數據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。

本地服務器數據獲取模塊和數據解析功能采用Python語言編寫。上層web服務功能基于Django網絡框架，采用Python語言、HTML語言和JavaScript語言編寫。

4 系統測試

本項目設計完成之后，在實驗室進行了測試：部署了2個子鏈[13]，每個子鏈上有5個無線傳感器節點。第一條子鏈的節點地址為0x0001～0x0005，第二條子鏈的節點地址為0x8001～0x8005。匯聚節點位置放置風扇循環掃風，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，數據采集周期為30 min，連續測量了24 h。試驗結果表明，該網絡能夠以鏈狀結構進行數據采集，并且數據監測準確，能夠實現架空輸電線路參數的監測。

5 結束語

架空輸電線路是電力系統進行遠程輸電的重要載體，對安全性的要求較高。然而，電網輸電線路一般具有傳輸距離遠、所處環境惡劣等特點，容易受到外界環境的影響，且不適合長期人工監測。為此，本文提出了一種基于Zigbee的架空輸電線路參數監測系統，將無線傳感器網絡技術應用到遠程高壓輸電線路監測中，實時監測架空輸電線路中的溫度、濕度、風速、拉力等參數。系統設計完成后，在實驗室進行了測試。測試結果表明，系統能夠以鏈狀結構進行數據采集，并且數據監測結果準確，能夠實現架空輸電線路參數的測量。因經費及技術等方面的問題，該監測系統尚未在現場環境中進行安裝調試。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方向的研究，E-mail：71489962@qq.com

TH81; TP274

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712017