无线传感网络在电力线健康监测中的应用

洪文明

（国家电网 福建安溪供电公司，安溪 350500）

0 引言

随着能源短缺问题日益严峻，供电可靠性要求不断提高，积极建设智能电网已成为世界电力发展的必然趋势。我国政府不仅将智能电网上升为国家战略，而且在产业政策支持、重大科技项目投入、示范工程建设等方面进行了全面部署。到2020年，我国将全面建成统一的坚强智能电网。在输电环节，智能电网需要对特高压线路、重要输电走廊、大跨越、灾害多发区的环境参数和运行状态参数进行集中实时监测，实现输电线路运行状态的可控、能控和在控目标[1]。

目前，电力线健康监测的研究主要分为以下两大类：第一类是对输电线路覆冰的研究，包括覆冰计算、导线冰风荷载计算及其对电力线断裂的影响。此类研究通过分析输电线路所处环境和气象参数对输电线路覆冰产生的影响，建立覆冰厚度模型，进而预测覆冰厚度。第二类是电力线覆冰和断裂的实时监测研究。通过对输电线路所处环境因素进行实时采集、处理，通过分析这些参数对电力线断裂的影响，实时监测、预测电力线的健康状况。当遇到非正常情况，则产生报警信息，以便实时处理异常状况。然而，目前的输电线路监测系统在信息采集的全面性和时效性等方面还存在着明显差距。随着通信技术和传感器技术的发展，设计有效的电力线健康监测系统，具有极为重要的意义。

1 现有解决方案的缺陷

人工定时巡检是最传统、使用最频繁的电力线健康监测方式。但是由于高压输电线的地理跨度远、所处环境变化大，往往需要经过山区、河流等，如果采用人工定时巡检的方式将会耗费大量的人力和物力资源，并且对于那些处于恶劣环境中的输电线，监测人员无法接近进行检测，将会产生检测盲区。尤其是随着电网覆盖范围的日益增大和信息技术的高速发展，这类监测方式正在逐步的被淘汰。

许多国家先后开展了利用小型无人驾驶飞机进行电力线健康状况监测的研究。在我国，中科院沈阳自动化研究所、武汉大学、山东大学等研究院所也开展了此类研究。但是，这种方式技术复杂、难度较大，系统总体成本较高，不利于在电力线健康监测的应用和推广。

随着通信网络技术的发展，GPRS/GSM技术已经逐渐在电力线健康监测中得到应用。文献[2]研制了基于GSM短信业务(SMS)的输电线路覆冰在线监测系统，文献[3]对输电线路绝缘子污秽进行在线遥测，利用GPRS网络将数据传输给处理中心。然而，采用GPRS/GSM数据业务方式需要在每个节点上附带GSM/GPRS模块，而GSM/GPRS模块的硬件成本比较高。同时，GPRS/GSM数据业务是收费的，这将会使监测系统的成本额外增加。

2 无线传感网络在电力线健康监测中的应用

随着无线通信、传感器、微电子技术的发展，无线传感网络(WSN，Wireless Sensor Networks)越来越受到关注。无线传感网络是由大量的传感节点组成，分布在其所要监测区域内，以自组织的方式构成无线网络。无线传感网络具有无中心控制节点、高抗毁性、微型灵活部署、自组织、自适应等显著优点，是《国家中长期科学与技术发展规划(2006-2020年)》重点发展的前沿技术之一，在智能电网中有着重要的应用价值[4]。

由于无线传感节点体积小、价廉，适宜于部署在输电线路和杆塔上， WSN逐渐成为监测输电线路运行状态的有效通信手段。尤其在光缆资源紧张、移动公网无法覆盖的区段，其作用就显得更为突出。因此，工业界和学术界已在面向输电线路监测的WSN这一领域做了许多有益的探索[5-10]。国家电力建设研究所已将Crossbow公司的WSN部署在高压输线电路和杆塔上，监测大跨越输电线路的应力、温度和震动等参数[5]。文献[6]实验研究了Mica 2节点所构成的WSN在长距离输电线路中的传输性能。文献[7]提出了以提高输电线路可靠性和利用率为目标的WSN初步架构，着重设计和实现了多功能输电线路传感器模块。文献[8]提出了层次型异构WSN，子网采用Zigbee网络，骨干网采用基于IEEE 802.11的多跳自组织网络。文献[9]利用Zigbee网络进行短距离数据采集，并通过移动公网把数据传回监测中心。文献[10]提出了基于ZigBee的层次性网络拓扑结构，探讨了簇首集群路由协议、节点查询、数据传输速率和网络安全性等方面的问题。然而，以上研究成果主要探讨了WSN的基本概念和网络/节点的体系结构，未曾深入研究网络性能的改进策略。因此，还需要开展大量的研究工作，才能充分展示WSN在电力线健康监测的应用前景。

3 结束语

无线传感网络具有无中心控制节点、高抗毁性、微型灵活部署、自组织、自适应等显著优点。

本文在分析现有电力线健康监测解决方案的缺陷的基础上，总结了已有无线传感网络在电力线健康监测中应用的研究成果。本文认为，无线传感网络在电力线健康监测中有着广泛的应用前景。

[1] 国家电网公司. 国家电网智能化规划总报告. 2010, 3.

[2] 黄新波, 刘家兵, 王向利. 基于GPRS网络的输电线路绝缘子污秽在线遥测系统[J]. 电力系统自动化, 2004, 21(5): 21-25.

[3] 黄新波,孙钦东, 丁建国, 张冠军, 刘家兵. 基于GSM/SMS的输电线路覆冰在线监测系统[J].电力自动化设备,2008, 28(5): 27-31.

[4] V. C. Gungor, B. Lu, and G. P. Hancke. Opportunities and Challenges of Wireless Sensor Networks in Smart Grid.IEEE Transactions on Industrial Electronics, 57(10): 3557-3564, 2010.

[5] Crossbow公司. 无线传感器网络与电力系统. www.xbow.com.cn/wsn/pdf/WSN_电力系统. pdf

[6] S. Gumbo and H. N. Muyingi. Performance Investigation of Wireless Sensor Network for Long Distance Overhead Power Lines: Mica2 Motes, A Case Study. Third International Conference Broadband Communications,Information Technology & Biomedical Applications(Broadcom’ 08), 2008, Gauteng, South Africa, 443-450.

[7] Y. Yang, D. Divan, R. G. Harley, and T. G. Habetler.Design and Implementation of Power Line Sensornet for Overhead Transmission Lines. IEEE Power Engineering Society General Meeting 2009(PES’09), 2009, Calgary,USA, pp. 211-218.

[8] 赵增华, 石高涛, 韩双立, 舒炎泰, 周文涛, 陈建民. 基于无线传感网络的高压输电线路在线监测系统[J]. 电力系统自动化, 33(19): 80-84, 2009.

[9] 刘芹, 王钢, 董镝, 李昭廷, 郝艳捧, 戴栋, 李立, 朱功辉,罗兵. 线路在线监测的自组织自愈无线传感器网络方案[J]. 高电压技术, 36(3): 666-670, 2010.

[10] 桂勋, 冯浩. 基于无线公网和ZigBee无线传感器网络技术的输电线路综合监测系统[J]. 电网技术, 32(20): 40-43, 2008.