基于无线传感器网络的高压输电线在线监测系统研究

原殊皓,姚 俊

（1.国网山西省电力公司长治供电公司,山西 长治 046000;2.国网山西省电力公司朔州供电公司,山西 朔州 036000）

1 无线传感器网络设计要求

1.1 支持远距离传输

在高压输电线路中，越高的电压等级就常常会有越远的传送距离。往往可以经过很多不同的特殊区域，例如重冰区和大风区等。根据区域的不同情况，就要进行相应的部署，安排合适的监测设备，做重点监测。因为监控区域之间通常都可能相聚甚远，甚至可能会有几十公里远的距离，所以对网络也有着更高的要求，要就是要能进行远距离传输。

1.2 拓扑结构十分灵活

输电线路的排列方式通常都是呈现线性的结构，一个个变电站组成了一个个点。网络节点安装在杆塔上，它会随着排布而呈现出线性拓扑结构。为了使占地资源得到有效地节省，多是一个杆塔由多回输电线路共用，这就是所谓的“同塔多回”。而就局部位置的网络拓扑而言，这个时候通常会呈现出网状结构。若是对很多不同的输电线路进行一定时间段的共同监测，那么这一结构就会出现在线路汇聚的地方。所以，灵活的拓扑结构形式要求有很好的支持，即网络架构。

1.3 对数据传输的支持

就各网省公司的考察对象而言，最主要还是针对输电线路，具体考察其运行状况。最终发现线路故障的诱因主要包括污闪、微风振动和覆冰等等。相关的监测数据主要包括两大常用类:（1）标量数据类型。例如，主要负责监测杆塔绝缘子的电流数据等。（2）图像类型。无线传感器的节点通常都较为特殊，既有传统的标量，又有图像传感器。对网络的要求比较高，要求能够进行多种数据传输，且具备较高的传输带宽。此外，监控规模也在逐步增加，数据量大增，具体包括网络采集和传输在内，所以对网络的要求就是满足带宽需求。

2 对系统的设计

（1）高压输电线路在线监测系统。必须根据监测的具体需求来进行部署，具体指的是无线传感器节点(监测点)的部署，也不是一定要求安装在每级杆塔。监测子站基本上安排和部署在靠近无线传感器节点的地方，选择的安装地点通常都是在杆塔上。既负责收集数据，又得促成无线多跳网络，传送数据至节点(监测网关)，接下来把互联网或者内部网络接上汇聚节点，这样后面的监控中心就可以进行收到。通常设置节点都是在某些固定位置，并主要是高压变电站。若是进行较远距离的传输，那就能以监测点的布局为依据来对监测子站进行更灵活的部署，确保每一监测子站都能覆盖每个监测点，且监测子站全部可以对监测网关实现多跳连接。在此情况下，用到监测子站的机会是最少的，还能将安装和维护的工作量有效地减少。，要不然会因传输距离的局限，而需要专门的监测子站用于转发数据。应该以监测需求为依据来进行网络设计。

子网的组成主要包括两部分内容，一是监测子站，一是其周围的无线传感器节点，呈现出的网络为星形[1]。子网采用的无线通信技术为Zigbee技术，其可以实现距离近、功耗低和成本低等优势。若是网络范围小，那这种技术就不但可以使标量数据传输的需要得到满足，如温度、弧垂等，还能考虑到图片等大量数据传输的相关需求。监测子站是簇头节点，各方面处理能力比较强，主要由它们来构成骨干网络。采用的一种网络是自组织网络，与IEEE 802.11b/g标准相符合，能够进行较远距离的数据传输。

（2）采集终端的设计。采集终端包括传感器模块、电源模块和无线通信模块三大主要模块[2]。无线通信模块选用的模块可支持Zigbee标准。电源模块能以传感器节点放置位置为依据来确定。

（3）监测子站的设计。“监测子站主要包括主控模块、电源模块、Zigbee通信模块和基于IEEE 802.11标准的通信模块。”[3]因为监测子站是在杆塔上放置的，所以选择的供电方式是太阳供电。

（4）监控中心的设计。监控中心除了进行监控，还有最主要的任务是对数据进行分析处理。能够提供的有历史数据查询、定位故障点和报警紧急事件等功能。针对泄漏电流等特殊数据，还需要专家知识做进一步的处理和分析以实现辅助。

（5）诊断与维护。现在的形式是网络在持续扩大自己的规模，节点个数也在与日俱增，促使网络故障和维护成了关键问题，对该系统实施应用造成了限制。诊断和维护网络故障，进行这类工具的设置，主要就是为了起到协助作用，对于网络中的一些已经失效节点进行定位，并实时监测网络性能。

3 系统的实现

3.1 硬件实现

设计的系统既有监测子站，也有汇聚节点，其中的主、子板构成了监测子站，主板微处理器(MCU)用到的是低功耗芯片，可以面向通信，主频可实现400 MHz。使用这款芯片有助于监测子站的开发，尤其是对嵌入式监测子站而言。主要配置包括:（1）存储模块的存储器，主要包括了SDRAM和Flash；串口一个；将SPI接口引出，实现和子板之间的通信；（2）子板是Zigbee通信模块，这是独立于主板之外的，这样监测子站就会更为灵活；（3）对于汇聚节点而言，选用的是监测子站中的主板，将变电站内部网络接进来主要还是借助的以太网接口来。

3.2 软件实现

将嵌入式Linux系统安装在监测子站上，并对部分驱动程序进行了修改和开发，促使路由协议和数据查询协议得以实现。

4 结束语

在高压输电线路中应用无线传感器网络是有优势的，但同时又不得不需要应对一些困难，其中的一些关键问题主要包括传输带宽、传输距离和电磁兼容等。本文对高压输电线路的布局和监测需求进行了详细地分析，对实施中遇到的主要问题进行了详细的讨论。本文设计的这一系统具有很高的可靠性高和可扩展性，还有低运行费用等优点，对于我国一些偏远地区的高压输电线路而言，尤其适合其在线监测。

[1]杨树明,史胜达.独立光伏电源系统设计方法[J].太阳能,2001(03):194-198.

[2]黄敏,李达,朱婷.基于CDMA1X网络的架空输电线路无线视频监控系统[J].电力系统自动化,2007(05):105-107.

[3]傅正财,吴斌,黄宪东,等.基于GSM网络的输电线路故障在线监测系统[J].高电压技术,2007(05):69-72.