架空输电线路无线监测系统研究

党 倩

(国网甘肃省电力公司信息通信公司，甘肃 兰州 730050)

架空输电线路无线监测系统研究

党 倩

(国网甘肃省电力公司信息通信公司，甘肃 兰州 730050)

为实现架空输电线路的自动监测，优化设计了一种架空输电线路无线监测系统。该系统可实时监测架空输电线路中的温度、湿度、风速、拉力等参数，并通过多跳的方式将数据传输到监控中心和云服务器。基于Zigbee技术，组建了链式无线传感器网络；基于CC2530芯片，设计了无线传感器节点；使用放大电路，将最大监测风速降至40 m/s，提高了测量精度；利用仪表放大器，设计了拉力传感器信号调理电路，并采用太阳能电池板供电。测试结果表明，该系统能够实现架空输电线路参数的监测，也可应用于其他类似场合的环境监测。

Zigbee； 架空输电线路； 链式网络； 无线传感器网络； 温度； 湿度； 风速； 拉力

0 引言

架空输电线路是电力系统进行远程输电的重要载体，在电力系统中占有举足轻重的地位。一旦输电线路出现故障，就会大面积影响居民用电，甚至会造成严重的经济损失[1]。因此，它对安全性的要求非常高。由于架空输电线路常年暴露在外界环境之下，很容易受到外界影响而出现故障，因此，需要对其进行长期监测。然而，电网输电线路一般相隔距离远、所处环境恶劣，不适合长期采用人工监测。

为了解决该问题，设计了一种基于Zigbee的架空输电线路参数监测系统。该系统将无线传感器网络技术应用到输电线路监测中，能实时监测架空输电线路中的温度、湿度、风速、拉力等参数，从而帮助监控人员提前排查安全隐患。

1 系统设计

架空输电线路一般通过双回路塔架设到空中，呈“长蛇”状。由于大部分线路处于城市郊区或者山区，距离监测站非常远[1]，因此必须选取传输距离远、能够逐级传递信号的无线传感器通信网络进行信号传递。

作为电力物联网建设项目的前期工作，本文主要对架空输电线路中的温度、湿度、风速、拉力等重要参数进行监测。

1.1 无线传感器网络协议

目前，无线网络领域常用的传输协议有WiFi、蓝牙和Zigbee，三者都工作在2.4 GHz频段。WiFi采用IEEE 802.11标准，其优点是传输速度快、覆盖范围广、技术较成熟；但其功耗大、组网能力低，不便于电池供电的设备使用。蓝牙是无线数据和语音传输的开放式标准，传输速率中等，安全性高；其缺点是传输距离短。Zigbee采用IEEE 802.15.4标准，是一种低速率、低功耗的传输协议，安全性高，可通过在多个节点之间多跳来实现远距离通信[2]。

本系统传输距离远，传感器节点较多，要求能易于扩展；但传输数据量较小，对速率要求不高。因此，本系统采用Zigbee无线传输协议。

1.2 系统架构设计

架空输电线路参数监测系统架构如图1所示。该系统可以分为3个部分：架空输电线路监测区、本地监测区、远程监测区[3]。

图1 系统架构图

无线传感器网络部署在架空输电线路监测区，可监测输电线路中的温度、湿度、风速、拉力等参数。由于架空输电线路呈“长蛇”状，距离监测站非常远，必须利用Zigbee技术的多跳功能，逐级传递到汇聚节点。因此，每个无线传感器节点都具有路由功能[4]。无线传感器节点配备4种传感器，监测输电线路两端的拉力及双回路塔周围的温度、湿度和风速信息。每个节点采集到数据之后，将这些数据进行组装并朝靠近汇聚节点的方向转发到下一个节点。下一个节点接收到该节点数据后，继续沿着该方向转发，直至将数据转发到汇聚节点。

本地监测区指负责该条输电线路运营工作的管理中心。在该区域部署了1个汇聚节点、1台本地服务器和监控系统[5]。汇聚节点接收到各个无线传感器节点的数据之后，通过RS-232串口转发到本地服务器。本地服务器(可采用通用计算机)接收到数据之后，通过Internet将这些数据上传到云端服务器。本地监测界面为LED显示屏，用VGA接口连接到本地服务器，并通过访问位于云端服务器的监测网站来实现本地监测。

为了实现电力系统监测数据的整合，本文将采集到的数据通过本地服务器上传到云服务器，并提供远程访问功能。云服务器上设有SQL Server 2000数据库和架空输电线路监测网站。云服务器通过Internet接收本地服务器上的监测数据，对数据进行解析，并将监测结果存入数据库。监测网站读取实时监测数据和历史监测数据，并将分析结果显示到网页上。远程用户可通过GPRS或Internet远程访问该网站，从而在任意时间、地点获取架空输电线路的监测数据。

本文的无线传感器节点硬件基于TI公司生产的CC2530处理器芯片设计；软件在IAR Embedded Workbench集成环境下开发；本地服务器采用普通计算机；位于云服务器上的网站基于Django网络框架，采用Python语言、HTML语言和JavaScript语言设计；数据库采用SQL Server 2000管理系统设计。

在每一座双回路塔上，安装有1个无线传感器节点。但架空输电线路的2座双回路塔之间的距离一般为40～1 000 m，超出了Zigbee节点的通信距离。为了保证通信链路正常，需要根据实际情况，在两座双回路塔之间的地面上部署数量不等、仅具有路由功能的路由节点，用于数据转发。

2 硬件系统设计

2.1 无线传感器节点

无线传感器节点实现传感器信号调理、A/D转换、数据处理及无线发送功能，由温度传感器、湿度传感器、风速传感器、拉力传感器、信号调理电路、中央处理器、无线通信以及电源等模块组成。

中央处理器选择TI公司的CC2530芯片。它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/Zigbee协议以及射频(radio frequency，RF)，功能强大，功耗较低，可在多种不同工作状态间切换。中央处理器模块包括GPIO、A/D转换器、控制模块和数据处理模块。温度传感器和湿度传感器采用AF3485管道式网络型温湿度变送器。该变送器为高品质电容式数字温湿度传感器，采用单总线协议通信，可以直接通过GPIO口来读取温湿度数据。风速传感器和拉力传感器采集到的模拟信号，需要通过信号调理电路将其转换为0～3.3 V电压信号，再由中央处理器CC2530的A/D转换器转换成数字信号。无线传感器节点功能框图如图2所示。

图2 无线传感器节点功能框图

在架空输电线路中，虽然电力供应非常充足，但是直接从架空高压输电线路上的高压降至12 V的环节非常复杂[5]。因此，本文采用太阳能电池板为无线传感器节点供电[6]。选用了单片功率为4 W的太阳能电池板，并将3块电池板串联。12 V电池组充电后，再由降压、稳压模块对其进行降压、稳压，从而为无线传感器节点提供12 V、10 V、9 V、5 V、3.3 V的电能。

2.2 风速测量模块

风速传感器用于测量双回路塔周围的风速v，以防止强风对输电线路和塔造成破坏。为了监测风速，本文选用了武汉易谷科技有限公司生产的YGC-FS型风速传感器。该传感器为传统三风杯结构，风杯选用碳纤维材料，强度高，启动风速小，测量范围为 0～70 m/s，测量精度为±(0.3+0.03v) m/s，启动风速≤0.3 m/s。

12级飓风的风速达到32.6 m/s以上。这种风的破坏力极大，在陆地上极少见到。本文选用的风速传感器测量范围为0～70 m/s。为了提高风速监测的精度，将测量的风速范围设置为 0～40 m/s。电路设计过程分析如下。

该风速传感器是线性传感器，输出电压符合:

(1)

式中:vmax为满量程时的风速，m/s；vmin为可测的最小风速，m/s；Umax为满量程时的传感器输出电压，V；Umin为vmin对应的传感器输出电压，V；vtr为实际风速，m/s；Uout为传感器输出电压，V。

由前文可知，vmax=70 m/s，vmin=0，Umax=5 V。则当风速最大量程定为40 m/s时，传感器输出电压由式(1)可得：

在线性放大电路中，放大倍数计算公式为：

(2)

式中：A为放大倍数；Uout_max为放大后的最大电压，V；Uout_max为放大后的最小电压，V；Uin_max为输入的最大电压，V；Uin_max为输入的最小电压，V。

将0～2.86 V电压放大到0～3 V，所需要的放大倍数可由式(2)计算为：

根据上述分析，所设计的风速传感器信号调理电路如图3所示。图3中：R2和R3选用误差为0.1%的高精密电阻。

图3 风速传感器信号调理电路

2.3 拉力测量模块

本文采用了百森公司生产的量程范围为0～200 kg的BSLM-3型拉力传感器进行导线拉力的测量。该传感器具有密封性好、体积小、强度大、性能稳定可靠的优点，常被用于电力系统高压导线监测。BSLM-3拉力传感器是一个惠斯通电桥。由于拉力不同将导致电桥一端的电阻发生变化，因此测量电桥的电压差即可测量出拉力。根据传感器参数，设计了拉力传感器信号调理电路[7]，如图4所示。拉力传感器采用10 V电压供电。U2、U3、U4组成了仪表放大器，R11～R17决定了电路的放大倍数，可计算如下：

(3)

则电路的输出电压可以表示为：

Uout=A(UI+-UI-)

(4)

图4 拉力传感器信号调理电路

3 系统软件设计

基于Zigbee的架空输电线路无线监测系统的软件部分包括无线传感器节点软件、本地服务器软件、云服务器软件等。

无线传感器节点软件由Zigbee组网、传感器信号A/D转换、数据分析和处理、无线通信等模块组成。这些软件在IAR Embedded Workbench 7.51集成开发环境下开发。

本地服务器软件主要包括RS-232数据接收、解析、存储和Internet上传等功能，采用Visual Basic开发。数据库采用SQL Server 2000设计。

云服务器软件包括前台的监控网站和后台的服务器管理等模块，可实现数据解析、存储、分析以及网页显示等功能。本项目中，云服务器软件基于Django网络框架，采用Python语言、HTML语言和JavaScript语言设计。数据库采用SQL Server 2000设计。

3.1 无线传感器节点软件设计

由于架空输电线路呈“长蛇”状，距离监测站非常远，因此安装到双回路塔上的无线传感器节点也必须组成链式网络结构，即每一个节点必须具有数据采集功能和路由功能。在设计节点地址时，按照与汇聚节点距离增加的方向逐步增加地址编码。网络结构及地址分配情况如图5所示。

图5 网络结构及地址分配示意图

汇聚节点地址设置为0x0000，在汇聚节点左右两侧各为1条子链，左侧子链地址从0x0001开始递增，右侧子链地址从0x8001开始递增。理论上，每一条子链可以容纳32 767个节点[8]。这种设置固定地址的方法还有利于监控中心对故障地点的定位分析[9-10]。

数据采集主要是从GPIO口读取温湿度传感器数据，从CC2530 A/D转换器读取风速传感器和拉力传感器数据[11]。每次读取10组数据，将其按照大小顺序排列后，去掉1个最大值和1个最小值，将剩余的8个数据的平均值作为最终的数据采集结果。由于无线传感器节点均相同，为了减少无线传感器节点数据处理量，数据解析工作在本地服务器和云服务器上完成[12]。

将CC2530的A/D转换器设置为12 b，则每一个传感器数据均为2 B，传感器节点地址为2 B，帧头、帧尾各1 B，总共14 B。数据通信接口的信号帧格式如表1所示。

表1 信号帧格式

3.2 云服务器软件设计

云服务器主要完成数据获取、存储和显示。其包括如下功能模块：本地服务器数据获取。数据解析、数据查询、数据分析、用户管理以及web页面显示。本地服务器数据获取模块通过Internet，从监测中心的本地服务器获取监测数据。然后，由数据解析模块对监测数据进行解析并存储到数据库中。数据查询模块可根据用户需要，查询最新监测数据和历史监测数据。数据分析模块可生成各种报表、曲线和报警信息。最后，由web页面显示这些信息。

本地服务器数据获取模块和数据解析功能采用Python语言编写。上层web服务功能基于Django网络框架，采用Python语言、HTML语言和JavaScript语言编写。

4 系统测试

本项目设计完成之后，在实验室进行了测试：部署了2个子链[13]，每个子链上有5个无线传感器节点。第一条子链的节点地址为0x0001～0x0005，第二条子链的节点地址为0x8001～0x8005。汇聚节点位置放置风扇循环扫风，以便测量风速。由于条件限制，主要对温湿度和风速进行了测量，数据采集周期为30 min，连续测量了24 h。试验结果表明，该网络能够以链状结构进行数据采集，并且数据监测准确，能够实现架空输电线路参数的监测。

5 结束语

架空输电线路是电力系统进行远程输电的重要载体，对安全性的要求较高。然而，电网输电线路一般具有传输距离远、所处环境恶劣等特点，容易受到外界环境的影响，且不适合长期人工监测。为此，本文提出了一种基于Zigbee的架空输电线路参数监测系统，将无线传感器网络技术应用到远程高压输电线路监测中，实时监测架空输电线路中的温度、湿度、风速、拉力等参数。系统设计完成后，在实验室进行了测试。测试结果表明，系统能够以链状结构进行数据采集，并且数据监测结果准确，能够实现架空输电线路参数的测量。因经费及技术等方面的问题，该监测系统尚未在现场环境中进行安装调试。在接下来的工作中，将对这方面作进一步研究。

[1] 张浩.基于物联网技术的电力开关成套设备远程监控系统[D].杭州:浙江工业大学,2015.

[2] FARAHANI S.ZigBee wireless networks and transceivers[M].Newnes:Elsevier,2008:329-339.

[3] 沈鑫,王昕,刘清蝉.基于物联网技术的架空输电线路监测与研究[C]// 第四届全国架空输电线路技术交流研讨会论文集.济南:中国电力企业联合会科技开发服务中心,2013：718-725.

[4] 樊汝森.基于无线传感器网络的输电线路覆冰监测系统设计[D].上海:上海电力学院,2015.

[5] 白杰.高压架空输电线路舞动监测系统设计[D].成都:西南交通大学,2015.

[6] 李海军.架空输电线路在线监测系统研究与设计[D].成都:西华大学,2015.

[7] 李新,龙婉艺.压力传感器混合信号调理电路的设计[J].仪表技术与传感器,2013,50(10):8-10.

[8] 李战明,刘宝,骆东松.Zigbee技术规范与协议栈分析[J].微型机与应用,2009,28(5):45-48.

[9] 崔文华.ZigBee协议栈的研究与实现[D].上海:华东师范大学,2007.

[10]王彤.基于Z-Stack协议栈的ZigBee网络组网研究与实现[D].保定:河北大学,2012.

[11]邬春明,姚冰,孙绪龙.风电监测系统中的物联网网关设计[J].自动化仪表,2014,35(11):56-59.

[12]高翔,邓永莉,吕愿愿,等.基于Z-Stack协议栈的ZigBee网络节能算法的研究[J].传感技术学报,2014,27(11):1534-1538.

[13]黎冠,刘永涛,卜祥丽,等.基于ZigBee的超低功耗冻结井壁无线测温系统[J].自动化仪表,2016,37(5):44-47.

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

国网甘肃省电力公司科技基金资助项目(52272315000X)

党倩(1981—)，女，硕士，高级工程师，主要从事电力信息化建设方向的研究，E-mail：71489962@qq.com

TH81; TP274

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712017