无线传感器网络在电力铁塔山火监测中的应用*

张丰伟， 李英娜， 彭庆军， 邹立峰， 王达达， 李 川

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化院,云南 昆明 650504; 2.云南电网公司 博士后工作站,云南 昆明 650217; 3.云南电网公司 昆明供电局,云南 昆明 650011;4.云南电网公司,云南 昆明 650011)

0 引 言

山火导致的输电线路跳闸与停运事故时有发生，严重威胁到电网的可靠运行。国内外把输电线路山火跳闸的机理归结为火焰温度、火焰电导率和灰烬等因素，而研究和试验表明,输电线路在山火条件下发生跳闸是火焰温度、火焰电导率以及灰烬和烟雾导致间隙绝缘水平剧烈下降的结果[1～5]。1998年,易浩若等人采用GIS软件平台分析和处理山火监测数据，得出未来两天之内的森林火险天气预报[6]；2013年,梁允等人利用极轨气象卫星对输电线路进行了山火数据监测[7]；2013年,广西电网公司电力科学研究院的朱时阳等人采用卫星遥感林火监测技术，开发了广西电网输电线路走廊山火监测系统[8]。现有的输电线路火灾监测的技术手段主要还有：视频/图像监测、红外传感，CO2传感、卫星遥感[9～14]。

本文采用烟雾传感器、温湿度传感器、CO和H2S传感器构成无线传感器网络，实现了对变电站周围山区的烟雾、温湿度、CO和H2S的浓度的监测，并通过对数据的分析实现了对山火的有效预警。

1 工作原理

山火发生时影响输电线路电气外绝缘的主要因素是：空气温度高、山火的烟尘浓度变大和空气湿度小。在输电线路下方发生山火时，输电线路附近的空气温度能在短时间内得到大幅升高，随着空气温度的升高气隙的击穿电压减小；随着相对湿度的下降气隙放电电压减小。火焰温度、火焰电导率和颗粒等能够促进放电的发展，并导致间隙的绝缘水平下降；导线对火焰顶部的预放电能促进燃烧，电弧则能够增强山火燃烧的强度并抬升火焰的高度，导致击穿电压降低。由试验与分析可知，输电线路因山火击穿是由火焰温度、电导率以及灰烬与烟雾等3个因素促进放电发展的结果。

根据上述测量要求，系统采用温湿度传感器、CO传感器、H2S传感器和离子烟雾传感器对输电线路的周围环境进行监测,监测模型如图1。智能温湿度传感器采用高精度的水合物探头，1 s内完成90 %读数，能投自动的完成温湿度数据采集、校准及自动温度补偿等功能，温度的测量范围为-40～120 ℃，测量精度为0.5 ℃，湿度的测量范围为0 %～100 %RH，测量精度为4.5 %。智能CO传感器采用高精度CO电化学探头，测量范围是(0～2 000)×10-6，分辨率小于1×10-6。智能硫化氢传感器采用高精度H2S电化学探头，测量范围为(0～100)×10-6，分辨率为0.1×10-6。智能离子烟雾传感器采用离子式感烟探测器，能检测20 m2内的烟雾情况。

图1 监测信息模型图

2 测量应用

220 kV腰站变电站位于楚雄禄丰县勤丰镇羊街村北面约2 km的山丘上，海拔高度1 923 m，占地面积22 876 m2，是楚雄禄丰地区的重要变电站之一。主供电源由500 kV和平变220 kV和腰I回线、220 kV和腰II回线供电。

根据楚雄腰站变电站的工程情况和周围输电线路的火灾监测需求，在变电站外围选取腰洪线001#、禄腰德线157#和腰I回线43#铁塔，将防水箱装在铁塔的横杆上，防水箱中安装一套火灾监测的传感器，包括智能温湿度传感器、离子烟雾传感器、H2S传感器和CO传感器各一支，功能设备通过太阳能板供电。由于3个塔架分布在变电站的周围，距离变电站的主控楼400～600 m，而且塔架与主控顶的无线接收网关中间有树木的遮挡，为了保证信号准确无误的传送，采用增益天线通过2.4 GHz无线信道传输到主控室的网关上，后由网线传至主控室中的服务器中，对3个塔架周围的环境进行实时监测，无线传感器网络火灾监测的拓扑图如图2所示。

图2 无线传感网火灾监测拓扑图

为避免雨水等天气原因对传感器的影响，将H2S传感器、温湿度传感器、CO传感器和烟雾传感器放置在防水百叶箱中，并通过航插插头与防水箱中的基站相连。基站由太阳能供电板和蓄电池进行供电，保证阴雨天和夜晚传感器的正常工作。基站每隔2 min将传感器采集到的数据通过增益天线传至主控楼服务器。图3为现场施工图。

图3 现场施工图

3 监测结果

系统检测至今，已累计采集2个月的监测数据，选取4月23日～6月16日的监测数据进行分析处理，图4为腰洪线001#铁塔附近山火监测温度的曲线图，从图中可以看出温度在每日7时开始呈上升趋势，14时～16时都达到最大值，每日2时～5时跌至最小值。

图4 温度曲线图

图5为4月23日～6月16日腰洪线001#铁塔附近山火监测的湿度曲线，从图中可以看出:每日15时开始呈上升趋势，4～6时达到湿度最大值，每日11～13时跌至最小值。

图5 湿度曲线图

图6为4月23日～6月16日腰洪线001号铁塔附近山火监测CO曲线，从图中可以看出:CO总体变化范围在(0～7)×10-6。

图6 CO曲线图

设备运行期间，离子烟雾传感器成功监测楚雄腰站变电站周围两次森林火灾。第一次为4月23日禄丰县勤丰镇可里村委会旱冲箐发生的森林火灾；第二次为5月21日安宁市禄脿街道北冲村附近发生的森林火灾，火势随后蔓延至楚雄彝族自治州禄丰县境内，距离腰站变电站约为12 km。

图7为4月23日～6月16日腰I回线43#铁塔附近离子烟雾传感器的监测曲线。

4 结 论

基于无线传感网的变电站火灾监测系统运行至今，对变电站周围的温湿度、烟雾、CO和H2S进行了持续在线监测，经过数据处理和分析可以看出：温度的变化范围为10～35 ℃，湿度的变化范围为20 %～80 %RH，CO的变化范围为(0～7)×10-6，并成功监测两次森林火灾。系统的运行为变电站火灾监测积累了长期的历史数据，极大地提高了山火火点监测能力，对于及时发现线路附近的火灾、提高输电线路的防火灾能力具有重要意义。

图7 离子烟雾曲线图

参考文献:

[1] 黄 乐,舒双焰.南方电网2010年第一季度线路山火跳闸情况分析[J].广东电力,2011,24(3):95-97.

[2] 徐海宁.输电线路防山火措施[J].电力安全技术,2013,15(1):51-54.

[3] 王浩东.输电线路山火跳闸原因分析及对策[J].广西电力,2009(4):43-45.

[4] 吴 田,阮江军,胡 毅,等.500 KV输电链路的山火击穿特性及机制研究[J].中国电机工程学报,2011,31:163-170.

[5] 宋嘉婧,郭创新,张金江,等.山火条件下的架空输电线路停运概率模型[J].电网技术,2013,37(1):100-105.

[6] 易浩若，纪 平，覃先林．全国森林火险预报系统的研究与运行[J]．林业科学，2004，40(3)：203-207．

[7] 梁 允，李 哲，曲燕燕，等.极轨气象卫星在输电线路防山火监测中的应用[J].河南科技,2013,31(10):1665-1667.

[8] 朱时阳,邓雨荣.输电线路走廊山火监测技术研究与应用[J].广西电力,2013,36(3):25-27.

[9] 陆佳政,林 峰,方 针,等.输电线路灾情监测系统在湖南电网中的应用[J].华中电力,2007(3):8-10.

[10] 胡 湘.电网的山火防治与运行优化研究[D].长沙:长沙理工大学,2001.

[11] 张从力,邓 皓,张立志，等.基于Zig Bee 的森林火灾远程监测技术研究[J].研究与开发,2007，26(7):31-34.

[12] 徐 凡,袁 杰.基于视频的嵌入式森林火灾预警系统 [J].计算机应用,2008,28(1):264-266.

[13] 闰 厚,王金海,吴宇平.气象卫星在森林火灾监测中的应用及其原理[J]．森林防火,2005(3)：29-32．

[14] 李晓龙,李 川,王达达,等.FBG传感技术在云南山地高压变电站及输变电设备在线监测中的应用研究[J].高压电器,2013,49(3):36-45.