基于无线传感网络的输电线路覆冰预警系统设计

王海伦，余世明，范一鸣

（1. 衢州学院 信电系，衢州 324000；2. 浙江工业大学 智能信息系统研究所， 杭州 310014）

0 引言

输电线路覆冰有可能引起输电线路过载、跳闸，导线舞动、绝缘子串覆冰闪络等事故，目前，我国输电线路事故较多，尤其是2008年历史罕见的雪灾，导致南方电网覆冰严重，多处发生倒塔、折塔、断线等事故，造成的经济损失和社会影响较大[1,2]。因此，应加强对电网覆冰在线监测、预警和诊断方法的研究，以减少输电线路覆冰事故的发生。

目前，国内外学者在输电线路覆冰机理与导线覆冰载荷的计算等理论方面已取得大量的成果。在技术应用方面，虽然也研制出了一些装置，但在实际运行中还存在许多不足[3～5]。基于此，本文设计了基于无线传感网络的输电线路覆冰预警系统，该系统运用了气象数据、覆冰力学监测和覆冰图像/视频监测两种监测技术，对架空输电线路进行状态检测，在覆冰初期及时发现并处理，防止事故发生。

1 系统的整体设计方案

高压输电线路覆冰后，绝缘子串处受力，其角度会发生相应的变化，所以，通过测量绝缘子串拉力、角度和当时的气象条件，可以分析出覆冰状况，再进一步通过现场图像的确认，可以确定覆冰的实际情况，从而开启相应的除冰措施。

本系统根据高压输电线路电压等级高、传送距离长、覆冰地区气候状况复杂、干扰严重等特点，设计了层次型异构无线传感器网络，其架构如图1所示。

图1 层次型异构无线传感器网络结构图

监测子站和附近的终端节点组成的子网采用ZigBee 网型与树型相结合的网络，由一个簇头节点和一系列路由节点和终端节点构成，采用此结构，若一个路由路径出现问题，可以保证信息沿着其他路径进行传输，使网络的可靠性提高。簇头节点负责收集数据和发布命令，当簇头节点采集到信号后，信号将以单跳或多跳的方式通过自组织骨干网传送至监控中心，同时，用户通过监控中心发布监测任务。

子网内采用Zigbee通信，最高带宽为250 kbit/s，解决了以往采用GPRS(通用分组无线电业务) 通信，压缩后平均传输速率（60～80 kbit/s）低，难以满足高清晰图片传输需求的问题。满足温湿度、压力等标量数据和高清图片等大量数据传输的需要。簇头节点构成的无线多跳网络，采用支持远距离传输的IEEE 802.11b/g标准，单跳链路的带宽最高可达54 Mbit/s，满足带宽的需求，配上高增益天线，传输距离可达几十公里[6,7]。

2 高压输电线路在线监测系统的硬件设计

2.1 终端节点设计

终端节点是网络的基本单元，本系统的终端节点主要负责微气象参数、绝缘子串拉力、绝缘子串倾角和现场图像等信号的采集、处理和发送，终端节点的结构框图如图2所示。

图2 终端节点的结构图框图

终端节点主要由传感器模块、控制模块、无线 ZigBee模块、系统电源模块和电源监测组成。传感器模块由多种类型的传感器构成，具体如表1所示。

电源模块则根据传感器节点放置的位置确定，放在杆塔上的选择太阳能电源供电，挂在导线上的采用电磁感应电源供电。

无线通信模块选用CC2430。CC2430是专门针对无线传感器网络开发的片上系统，具有低功耗、抗复杂电磁环境干扰的特点，适合复杂电磁环境中的在线监测。

2.2 监测子站设计

监测子站主要包括主控模块、电源模块、Zigbee通信模块和基于IEEE802.11标准的通信模块。由于监测子站放置在杆塔上，因此选用太阳能供电主控模块选择低功耗芯片。

2.3 监控中心设计

监测中心主要负责将监测到的数据进行接收、存储和分析。监测中心与基站之间采用C/S客户端服务器工作模式，将接收并根据数据包协议解析后的数据存储到数据库中，根据需要，可从数据库表中读取测量数据，并借助专家软件分析线路的覆冰情况，根据分析结果对未来覆冰趋势做出预测，给出预警信息。

3 输电线路监测系统的软件实现

软件设计主要包括信号采集和数据分析软件。信号采集软件运行在采集节点上。

3.1 监控中心系统软件设计

监控中心系统软件使用组态王软件，采用模块化设计，为满足整个监测系统的需要，主要包括初始化模块、自定义参数配置模块、数据分析和越线报警模块等。

3.1.1 参数的初始化模块

平台的参数包括：采样的时间间隔，各采集数据的报警门槛值，网络参数和报警手机，中断传感器的使能参数，拍照的属性参数，平台的ID号码，平台的密码，RF无线设备的一些参数，拉力倾角的一些参数等。这部分的参数初始化，步骤基本相同，只是参数的数据类型和结构稍有不同而已。

表1 传感器选型表

3.1.2 自定义参数配置模块

本平台中，自定义了很多的命令，通过串口或者短信，配置一些参数。这些命令主要有配置平台的ID，配置上网的参数服务器端口，配置子机地址，配置球机地址(导线地线)，配置拉力倾角地址等命令。

3.2 终端节点软件设计

终端节点软件主要包括信号采集模块和信号发送模块。

3.2.1 采集模块软件设计

每个信号采集的方法流程类似。采样时间到，进入采集程序，确定的参加顺序，发送采样命令，如果不成功重复发送此次采样命令，重复次数大于三次或者本次采样成功后，进入下个设备的采样；下个设备的采样也类似此次采样的方法，一直到最后的设备采样完成。流程图如图3所示。

图3 数据采样流程图

3.2.2 发送模块软件设计

根据输电线路监测网络具有呈线性或网状排布、数据流向单一、靠近簇头节点数据量较大容易造成网络拥塞的特点，设计了能耗受限的可靠路由协议。同时根据数据包的类型不同采取不同的查询方式。当传感器节点监测到异常事件时，如绝缘子串倾角超过正常范围等, 将产生报警数据包,即时主动上传到监控中心。对于传感器节点检测到的无异常数据则采用周期性地上传到监测子站，保存在外部的flash中，循环上传到监控中心避免了网络拥塞。同时在上传周期间隔时间内可以睡眠以节省能量。流程图如图4所示。

图4 数据发送流程图

4 试验分析

4.1 试验方案

为验证本文提出的设计方案能否满足设计需求，在浙江省500KV双信5465线上进行试验，该线最高覆冰最厚达9.5mm。沿线放置了10个终端节点，簇首布置在149#杆塔上。

4.2 数据包传输率测试结果

试验时，各终端节点每小时采集1次信息，并将该信息发送到簇首。若无报警信息簇首每24h发送一次信息到监测中心。在半年的实验期内，各终端节点的数据包传输率如表2所示。因加入了CRC校验，排除传输错误的数据包，所以统计的传输率为正确数据包的传输率。从表2的实验结果可以看出，终端节点的总体数据包传输率10个节点中有9个高于96%，只有1个节点（节点8）为93.8%，接近94%，说明系统整体情况良好。

表2 各终端节点的数据包传输率

5 结论

本文将无线传感器网络用于输电线路覆冰预警系统。利用无线传感器网络解决了现有覆冰监测系统完全倚赖移动电信网，存在网络覆盖不到的区域就无法使用、难以实现全方位监控、可扩展性差、运行费用高和传输速率受限等问题。提高极端灾害条件下监测预警系统通信网络的可靠性。并结合输电系统的特点，提出了层次异构型网络结构，在实际的测试实验中，丢包现象有明显改善，能够有效预防冰灾事故的发生。

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