基于无线传感网络的电力线监测系统设计

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摘 要：本文简述了无线传感网络的概念，提出了一种基于无线传感网络的电力线监测系统方案，通过分布于电力铁塔的无线传感器和ZigBee无线网络技术，建立了一个铁塔及输电线路的在线监测的无线网络模型，并在此基础上给出了无线传感器网络及其监控平台的软件结构和实现方法。

关键词：电力线监测；ZigBee；无线传感网络

随着国民经济的快速发展，企业日益增长的电力需求，对电力部门的电力供应质量，尤其是稳定性和不间断性，提出了更高的要求。定期巡视输电线路线是确保供电安全的重要手段之一，但在某些偏远山区、林地，人工巡线不便，无法及时发现输电线路存在的安全隐患，这严重影响了输电线路的安全。特别是近年来，冰雪灾害天气频繁侵袭输电线路，导致铁塔和输电线路因覆冰原因受到严重损害。轻则线路跳闸，重则断线倒塔，严重制约了电力系统电网的发展，进而影响了社会生产和居民供电。传统的无线网络也难以覆盖，而无线传感网络的出现正好能弥补这方面的缺陷。

1 无线传感网络简介

1.1 WSN（wireless sensor networks）

无线传感网络（Wireless sensor network），是由许多在空间中分布的自动装置组成的一种无线通讯计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物）。

无线传感器网络以微型传感器节点为中心，节点通常是一种嵌入式系统设备，集成了网络终端和路由器的功能，执行全新的信息获取和处理模式。可实现数据采集、处理、存储和转发以及无线通信、协同合作等功能，其目的是感知、采集和处理覆盖范围内所感知对象的信息，并转发给用户[1-2]。

无线传感网络是属于多学科交叉研究领域，涉及多种前沿技术，包括嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、现代网络及无线通信技术、传感器技术等，最早由美国卡内基梅隆大学于上世纪七十年代末开始进行研究。

无线传感网络由分布在各处的无线传感器节点和传输至传统网络的网关两部分组成。

1.2 Zigbee

Zigbee技术是近几年发展起来的一种短距离无线通信技术，由于具有低功耗、低成本、支持多种网络拓扑结构、低复杂度快速、可靠和安全等特征，应用日趋广泛。它主要是2.4GHz频段，采用直接序列扩频（DSSS）技术。ZigBee技术主要面向低速率的应用场景，主要分为20-250Kb/秒（2.4GHz的），40Kb/秒（915MHz的）和20Kb/秒（868MHz的）的三种数据速率。普通的两节5号电池可以维持ZigBee节点工作半年到两年时间，协议简单且无需专利费，这也不同程度上减少了其开发成本。

ZigBee网络主要包括三种功能设备：网络路由器（Router）、网络协调器（Coordinator），网络终端设备（End Device）。网络路由器和网络协调器属于全功能设备（FFD），可以和同一网络中任何设备进行通信，网络终端设备属于简化功能设备（RFD），只能和FFD进行通信，进行传感器数据收集工作。

ZigBee网络的拓扑结构有星型、树型和网型三种，可以根据实际应用来选择合适的网络拓扑结构，由于ZigBee网络拓扑以相互独立的工作节点为依托，因此每个ZigBee网络至少有一个全功能设备（FFD）来进行网络建立和协调。

ZigBee技术已获得业界的认可，ZigBee技术的低成本，低功耗和低速率，决定了将无线传感器网络应用于电力线监控系统，将会有着良好的前景。

2 系统设计

2.1 总体设计

本系统的目的就是依靠无线传感网络监控电力输电线路和电力铁塔等设备。用各种小型无线传感器分布在设备和线路的各种不同的位置，并采集采样各种数据信息，通过Zigbee技术组成无线传感网络来传输信息至各监控服务器处理。

整个监控系统由无线传感器网络子系统和计算机上层管理软件两部分组成，无线传感器网络子系统由传感器节点群组成，每个节点采集对应的监控数据并通过射频通信模块进行转发。计算机上层管理软件部署在主机上，针对无线传感器网络转发的数据进行处理和储存，一旦数据异常，还能根据提前设定的策略发出相应的告警。无线传感器子系统与上层计算机系统依靠FFD设备节点互联。不同于RFD设备节点，FFD设备节点功能相对复杂，可与网络内的RFD进行数据通信，在此基础上形成的多级FFD节点的分层结构更加复杂，可以应用于更大网络规模和更多有效节点的场景。基站可以是一台服务器，位于计算机网络的末端。FFD节点和基站之间，通过串口等接口相连。FFD节点是网络的汇聚点，将传感器节点采集的数据整理后发送到基站的计算机系统。若是计算机系统用户要向传感器发送指令，只需通过FFD节点分发到指定的传感器节点。

2.2 网络结构

架空输电线路的基本结构利用不同的铁塔中继，将导线一级级的连接延伸。所有的铁塔都会按照一定规律布置，无限接力传输也依赖这些铁搭进行短距离传输。每座塔在一组被称为Zigbee网络，两个FFD设备将被安装在中间，作为中央节点互为主备用。在铁塔上和输电线路上设置各种RDF设备的传感器用于采集各种数据。

多个铁塔形成多个Zigbee网络，这些网络共同组成一个区域，汇集所有的数据传输至网关节点。如图1所示：

按照电力铁塔的分布，基本的结构为线型，带状网络。虽然目前已有长距离带状网络的优化协议，但整个网络的传输效率毕竟不高。为了提高网络的效率和可靠性，我们可以摆脱电力线的束缚，用无线跨越铁塔等级。

电力传输上有明确的等级观念，各种不同电压等级的电力传输线路必须使用不同高度不同结构的铁塔。各种电压等级输电线路互相并行、交叉或者穿越必须严格的在空间上保持一定的距离。但这个距离在无线传输的领域上可以视为相邻。经济发达地区整个输电网络都已完善，都已组成较为完善的输电网络。因此，我们可以形成大规模的Zigbee网络，不以线路划分来区分网络而是以区域或片区来组成一个结构更为合理的网状网络。以各个变电站汇聚各片区传输的数据，并通过光纤传输至数据处理中心来分析监视采集的数据内容。

2.3 无线监视节点的功能

无线传感器网络节点一般由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源单元四部分组成：

监视区域的信息将被数据采集单元采集。通用模块包括温度，湿度等，也包括WSN路由器/采集器一体化设备。数据经过采集单元之后，会被传输到处理单元，在这里对每个传感器的节点进行处理，同步，定位，路由协议，管理功耗。设备支持多种接口，如RS-232、RJ-4，高性能的微型处理器也可以高效的处理数据。数据经过处理单元后会被送入传输单元，控制信息和收发数据将会通过这个单元进行无线传输。

⑴环境监测感应器。用于对周边环境进行检测，包括温、湿度感应器、风速感应器等。而这些感应器又可分为越限感应器和度量感应器两种。越限感应器用于实时监测，平时不发送数据，或者定时发送少量正常状态的信号，一旦越限实时发送数据。而度量感应器则定时发送采集的数据。多种感应器搭配使用既可达到实时监控预警的目的又可减少网络传输的数据量，提高网络利用率。

⑵设备状态感应器。用于对铁塔、输电线路、瓷瓶等电力设施状态的监控。采用重力感应器、拉力感应器、电负荷感应器、振幅感应器等装置对设备的运行状态等实时监控，预防各种事故的发生。

⑶视频图像声音多媒体监视。由于视频图像或者声音等都需要传输大量的数据，因此并不适用于无线感应网络，但少量的经过压缩的照片和图像等可以按需进行采集。

2.4 监控中心设计

针对多种检测技术并存的情况，如何对数据进行整合，将采集来的数据集中运算处理成为了一个难题。但由此可见，开发在线检测平台对节约成本，合理有效的利用数据显得尤为重要。这个检测平台由软件和硬件两部分组成，主要可以完成以下功能：数据检测，数据将被采集传输集成，供用户查询记载分析。运行状态检测，实时检测设备的运行状态，并有效的处理数据；报表统计，方便用户提取日常报表，使用各种曲线，饼状图，柱状图去展示数据信息。通过对分布在各个电力杆塔上的监测点的数据收集，汇聚到监控中心，电力监测系统能实现在线数据分析处理。无线传感网络能自主完成组织维护功能，从而确保无线传感器网络内部数据的可靠传输。

主要实现以下功能：

⑴各类数据进行详细的分类/分项采集：可以采集温湿度、发热量、风速等信息；

⑵统计分析：监测单元的年度、月度、每日、每小时乃至每分钟的状态曲线，生成报表，并提供详细的数据分析报表，及时发现隐患；

⑶网络拓扑管理：基于无线传感器网络的网络状态，实时更新和显示设备间的信号强度和设备运行状态等信息；

⑷提供用户权限、密码、系统参数配置等基本管理功能；

⑸根据用户需求，提供GIS服务功能；

另外监控中心还必须满足以下的几个条件：

⑴建立开放性的标准数据接口。利用Web服务提供的接口，将不同厂家不同的数据格式进行统一转换并接收。

⑵建立标准化的数据库，实现所有在线监测数据的集中存储、管理和应用。

⑶进一步可建立数据仓库，利用数据挖掘等智能技术来分析大量数据，来发现和探索潜藏的电力传输的规律、特性、隐患、缺陷等。

3 结语

基于无线传感网络的电力传感系统在满足各项监测要求的前提下，组网便捷、覆盖区域广和适用性高，并且扩展升级潜力巨大。无线传感网络是目前研究的热点，但其目前还存在许多的问题，如Zigbee网络的容量限制、传感器之间传输距离限制，网络协议效率低等。

本方案下一步的研究重点包括：多种无线传输协议的研究；多种监测节点设计和整合；高压环境下设备的电磁兼容性；无线传感网络的网络传输性能和安全机制；监视管理平台数据的采集、分析、利用等。

[参考文献]

[1]RAJRAVIVARMA V.YANG Y.YANG T.An overview of Wireless Sensor Network and applications [C].IEEE Proceedings of 35th Southeastern Sympo sium on System Theory，2003：432-436.

[2]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感网络综述.通信学报，2004，25（4）：114-123.