ZigBee技术和GPRS在输电线路在线监测中的应用

刘成印， 刘 伟， 何 凯

(山东工商学院 信息与电子工程学院，山东 烟台 264005)

ZigBee技术和GPRS在输电线路在线监测中的应用

刘成印， 刘 伟， 何 凯

(山东工商学院 信息与电子工程学院，山东 烟台 264005)

针对高压输电线路的分散性大，所处地理环境、气候条件复杂的现状，以实际项目开发为背景，设计了一套以GPRS和ZigBee无线传感器网络技术为基础的输电线路综合监测系统。该系统中由传感器节点采集导线拉力、倾角和气象等信息，由ZigBee无线传感器网络传输到监测子站系统进行数据融合处理，并通过GPRS公网把数据传回主站监测系统。文中详细阐述监测子站和无线传感器节点模块的硬件结构，以及导线弧垂在线监测装置的工作原理，给出主站系统、子站系统的软件工作流程。该系统经实际运行测试，结果表明:基于ZigBee技术的输电线路综合监测系统具有良好的可扩展性、可靠性，功耗较低，维护方便，是目前行之有效的方法，完全可以满足输电系统在线监测的需要。

无线传感器网络;ZigBee;GPRS;输电线路;综合在线监测

0 引言

工农业生产的发展，对电力系统供电质量提出了更高的要求。据统计，发生在2005年华中地区的雪灾及2008年初全国的雪灾，给电力输电系统造成了极大损失。因此，对高压输电线路的状态监测非常有必要［1］。高压输电线路大多分布在野外，线路覆盖面广，所处的地理环境、气候条件恶劣，加之电磁干扰严重等因素，一直以来没有有效的安全防范措施，线路维护工作量大、危险性高。如果采用常规巡检手段，检查一次周期长，而且无法第一时间发现隐患。同时，受到各类技术及条件的限制，输电线路上的实时信息也无法实时传输至控制中心。因此，研究基于无线传感器网络技术的输电线路综合在线监测系统，可以有效地通过集中监测与管理手段来获取线路自身运行状态及周边环境变化，为线路生产管理、设备运行维护、检修、应急防灾等提供动态信息，实现输电线路安全预警和辅助决策。鉴于此，笔者以GPRS和ZigBee无线传感器网络技术为基础，设计了一套输电线路综合监测系统。期望能够提高运行维护、生产管理的精益化水平，推动智能电网输电环节工作的开展。

1 ZigBee无线传感器网络简介

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是当前在国际上备受关注、涉及多学科交叉、知识高度集成的前沿热点研究之一。与其他无线通信技术相比，ZigBee具有省电、可靠、成本低、时延短、网络容量大、安全等优点。基于Zig-Bee技术的无线传感器网络不仅具有体积小、成本低的特点，还兼具感知能力、计算能力、通信能力三者技术为一体的功能，且网络的拓扑、信道的环境、信息传输模式皆随网络节点部署改变而变化［2－6］。

ZigBee技术特别适合数据传输速率低、设备间距小、电力供应困难的工业监测应用环境。输电线路中绝缘子、输电线、变压器等监测对象都离杆塔很近，需要采集的数据量少，采样时间间隔较长。另外，监测装置在电能获取方面很困难，若达到长期运行的目的，都需要太阳能电池板对蓄电池充电。由此可见，ZigBee技术非常适合应用于输电线路的监测［7－10］。

2 输电线路在线监测系统设计

2.1 系统架构

由于监测需求和线路类型不同，所以输电线路上传感器的部署差别很大。其典型的特点是，监测参数多样化，监测点分布以杆塔为中心，有一定区域性，沿输电线路呈线性或网状分布。因此，要求无线传感器网络具有较高的灵活性和可扩展性。

基于ZigBee技术和GPRS的输电线路综合在线监测系统拓扑如图1所示。输电线路综合在线监测系统主要包括传感器节点模块、子站系统、主站系统三个部分。

图1 输电线路综合在线监测系统架构Fig.1 Structure of on-line comprehensive monitoring system for power transmission line

部署在输电线路杆塔上的传感器节点模块主要完成高压输电线路的气象数据(如环境温度、湿度、风速、风向等)、导线拉力、倾角等数据采集，并通过自组网构建的ZigBee无线网络传输到子站系统，进行数据融合、处理，然后子站系统通过接入GPRS公众网络，将监测数据传回主站系统。主站系统对子站系统传回的监测数据，根据相应的数学模型计算导线覆冰厚度以及舞动情况，并以表格及图形界面相结合的方式显示杆塔的气象数据、图像视频数据以及导线情况等，为输电线路的运行维护提供决策依据。

2.2 子站系统硬件设计

子站系统中监测主机和监测终端传感器节点模块的硬件设计原理如图2和3所示。监测主机核心处理器单元采用 FreeScale公司的16位芯片MC9S12XS128。监测终端主处理器采用16位芯片MC9S12G128。射频收发芯片采用FreeScale公司的短距离、低功耗、工作在 2.4 GHz免费频段的MC13193。该芯片包含了IEEE802.15.4协议的物理层和MAC层，自带ZigBee协议栈，提供可编程的时钟供基带MCU使用，通过串行外设接口SPI与MCU通信，输出功率也可由编程设定。

图2 子站监测主机硬件原理Fig.2 Schematic of monitoring sub-station

图3 监测终端传感器节点硬件原理Fig.3 Schematic diagram of sensor nodes

子站系统监测主机由主控单元、无线通信、图像控制、电源、数据存储5个模块构成。其中数据存储模块包括Flash和SD卡。由图像控制模块采集的监控视频可以实时传输到主站系统，也可以存储在SD卡中，在后台进行传输。各个模块采用标准化设计，根据监测需求可以灵活配置及扩展。为方便运行维护和安装调试采用插件式结构，各功能独立的监测模块可以采用插件集成方式，也可以独立安装。监测终端的硬件结构比较简单，主要包括拉力、倾斜角、气象等数据采集模块和ZigBee通信模块。

监测主机一方面通过ZigBee无线传感器网络与监测终端通信，另一方面通过GPRS公网将监测数据传输至主站系统。

子站系统的电源采用太阳能/风能+蓄电池方式，根据在线监测子系统的功耗、区域日照状况和蓄电池备用时间，配合子站系统内的电源控制管理模块，具有电压监测、低电压保护、过电流保护、自动休眠和智能电源管理功能。当系统空闲时所有设备都处于休眠状态，可以节约大量电能;一旦有监测数据立即唤醒进入正常工作状态，监测数据传递完毕后，系统可以再次休眠。图4是子站系统的实物拍照。

图4 子站系统实物Fig.4 Installation of sub-station system

2.3 导线弧垂监测工作原理

2.3.1 监测内容

对架空线弧垂及对地距离进行在线监测，能通过能量值传递获取导线弧垂和对地距离的相关测量值，如导线倾角、导线温度、张力等，进行相应存储，并将测量结果通过通信网络传输到主站系统。主站系统中的专家软件把现场数据引入数据模型，计算出导线的弧垂，可及时发现导线对地、树木或建筑等的安全距离不足的危险。同时，根据计算拉力传感器上所承受拉力或倾角的变化频率进行判断，如果频率在0.1～10 Hz之间，则认为有导线舞动情况发生，自动发回报警信息。杆塔上安装的摄像机可自动调整至设置好的位置进行拍照或拍摄连续视频并传回监测中心。

2.3.2 装置组成

导线弧垂监测装置(含拉力、倾角和导线温度传感器)由数据集中器、通信网络和数据处理系统组成。它将采集到的导线张力、倾角和导线温度数据传输到子站，子站统一将导线张力、倾角、导线温度、电源电压、报警信号、装置心跳包、应答信息、通信连接状态等数据通过无线网络传输到数据处理系统。该装置还具有受控采集功能，能响应远程指令，按预置的采集方式、自动采集时间、采集时间间隔、采集点数启动采集。图5所示为拉力传感器的安装照片。

2.4 通信方式

图5 拉力传感器安装照片Fig.5 Installation photo of tension sensor

输电线路在线监测系统的通信，主要是指安装在杆塔或导线上各传感器与安装在杆塔上的子站系统之间的通信，以及子站系统与主站系统之间的通信。由于输电线路在线监测系统布点的随机性，所以传感器与子站之间主要是采取ZigBee无线通信方式，子站与主站之间的通信主要有公网和电力专网两种方式。

2.4.1 公网方式

公网是通过GSM/GPRS/CDMA等方式进行通信。其优点是见效快、成本低，缺点是通信性能差、数据传输能力低、数据安全性无保证，部分边远地区的线路公网存在覆盖面问题。此外，由于公网通信能力的限制，致使一部分监测功能无法实现，例如实时连续视频监控功能。

2.4.2 电力专网方式

电力专网方式是通过电力线路已经敷设的OPGW光缆线路进行通信，确定其中的两根光纤作为输电线路在线监测系统的光纤通道，依靠这两根光纤组建沿线分布式通信系统。在位于监测热点附近的OPGW光缆分接点上，进行上下分光处理实现光分接点，在光分接点部署专用的光通信设备，实现分接点到两端变电站的光通信，为状态监测提供宽带信息的传递能力。专网方式的优点是通信性能好、数据传递能力强、数据安全性有保障，尤其在需要传递动态视频信号的场合。更重要的是，由于专网方案是沿电力线部署的系统，不会产生边远地区线路的覆盖问题。专网方案可以为状态在线监测技术的发展打下坚实的通信基础。专网方案的唯一不足是需要一定的建设投资和建设周期。

综合成本、设计周期等因素，文中设计为子站与主站之间的通信采用GPRS公网方式。

2.5 软件系统设计

2.5.1 主站

主站监测系统包含导线弧垂、气象、覆冰和图像视频等监测功能。监测子站将监测结果通过相应的通信协议，将监测数据以报文的形式发送到主站监测系统。首先，主站监测系统对报文进行解析处理，得到监测数据，结合理论模型和运行经验计算相应杆塔的覆冰、杆塔不平衡张力差等情况，并给出预报警信息;其次，建立由导线重力变化计算覆冰厚度的数学模型，并采用软件进行覆冰厚度变化趋势及覆冰生长计算，对理论模型进行验证和修正，为运行监测人员提供准确的覆冰厚度;第三，建立覆冰监测参数的数据库，根据采集数据形成导线覆冰趋势曲线图。根据覆冰监测参数，自动生成建立在线路上的冰区分布图。

主站软件安装在监控中心的PC端。在启动后，首先对监测子站和监测终端进行参数设置，比如摄像机的预制位等。然后设定主站的IP地址和接收端口。主站监听接收端口，当有数据到达时，先在数据报文中寻找子站信息，并与主站中记录的子站进行匹配，匹配成功后再对报文进行分析处理;否则，便认为不是子站发来的数据，直接将数据丢弃。在对报文进行分析处理过程中，先需要判断子站时间与主站时间是否一致，如果不一致需要进行对时处理。

2.5.2 子站

监测子站开启后先读取配置信息，包括主站的IP、端口号、采集终端的采集时间、主周期时间、采集频率等。然后开启GPRS公网通信模块并连接主站。GPRS通信模块包括联通3G模块和移动2G通信模块，在地处偏远的地区，可能出现3G信号较弱，连接主站不成功的现象，此时，子站可自动切换到移动2G通信模块重连主站。连接成功后，等待接收气象采集终端和覆冰采集终端达到主周期时主动上传的采集数据，存储采集数据并上传主站，然后发送命令让各采集终端进入休低功耗模式。图6和7是输电线路综合在线监测系统主站软件运行的主界面。

图6 主站系统主界面Fig.6 User-interface of main station system

图7 主站图像监控画面Fig.7 Imaye monitor of main station

3 结束语

无线传感器网络技术采用免费无线频段，自由组网方式灵活，网络建设方便，对公众移动通信盲区的覆盖经济有效，成本较低，是目前在高压输电线路这种特殊环境下仅有的行之有效的手段;而且传感器节点模块功耗低，生命周期长，不用频繁更换设备。

笔者设计开发的基于GPRS和ZigBee技术的输电线路综合在线监测系统采用最新计算机技术、网络技术、通讯技术、传感技术、新能源开发研制，是集多种功能于一体的新一代输电线路在线监测系统，在软硬件方面均具有良好的扩展性，支持多种组网模式。在山东某电力公司输电线路115#杆塔安装和实际试用结果表明，系统功能完善，技术指标先进，完全满足输电系统在线监测的需要。

［1］黄旭勇.无线传感器网络及其在电力系统应用的基础研究［D］.武汉:华中科技大学，2008.

［2］KEMAL A，MOHAMED Y.A survey on routing protocols for wireless sensor networks［J］.IEEE Communications Magazines，2009，49(8):102－114.

［3］ZENG YONG，MA JIAN FENG.Location based reliability differentiation service for WSN ［J］.Journal on Communications，2008，29(2):71－78.

［4］HONGLI XU，LIUSHENG HUANG，et al.Accurate time synchronization for wireless sensor networks［J］.Computer Science，2005(12):153－163.

［5］崔 莉，鞠海玲，苗 勇，等.无线传感器网络研究进展［J］.计算机研究与发展，2005，42(1):163－174.

［6］朱永利，黄 敏，邸 剑.基于广域网的电力远动系统的研究［J］.中国电机工程学报，2005，2(7):119－124.

［7］汤 磊，孙宏斌，张伯明.基于信息理论的电力系统在线故障诊断［J］.中国电机工程学报，2003，23(7):5－11.

［8］李丽芬，朱永利，黄建才，等.基于无线传感器网络的绝缘子泄露电流在线监测系统［J］.电力系统保护与控制，2011，39(10):74－79.

［9］王 炫，李 红，从 琳.基于无线通信和光通信的高压输电线路监测系统［J］.电网技术，2009，33(18):198－203.

［10］ 全 茜，郑雪峰.基于GPRS的电力线路监控系统［J］.计算机工程与设计，2005，26(11):3053－3055.

On-line comprehensive monitoring application for power transmission line based on GPRS and ZigBee technology

LIU Chengyin， LIU Wei， HE Kai
(College of Information ＆ Electronics Engineering，Shandong Institute of Business＆ Technology，Yantai，264005，China)

Aimed at addressing the larger dispersion of the high-voltage transmission lines and more complicated geographical environment and climatic conditions to which these lines are exposed，this paper designs a set of on-line comprehensive monitoring system for power transmission line based on GPRS and ZigBee technology.The system works by enabling sensor nodes to obtain the information associated with wire tension，dip Angle and weather，which are transferred to sub-station monitoring system by wireless sensor networks for data fusion process before the sub-station system transfers these fused data to main station system by GPRS wireless public network.The paper details the hardware structure and software process of main station system，sub-station system and sensor nodes.The power transmission line monitoring system based on ZigBee technology boasts such advantages as a greater scalability，more reliable performance，lower power consumption，and easier maintenance and thus works as an effective method quite up to the needs of power transmission system for on-line monitoring.

wireless sensor network;ZigBee;GPRS;power transmission line;on-line comprehensive monitoring

TP212.9∶TN711

A

1671－0118(2012)04－0437－05

2012－06－13

刘成印(1962－)，男，黑龙江省勃利人，教授，博士，研究方向:电力电子技术、电力传动与自动化，E-mail:lcy9270@163.com。

(编辑 徐 岩)