4G转WIFI无线传感器网络的输电线路监测系统

邓红雷，师留阳

(华南理工大学 电力学院，广东 广州510640)



4G转WIFI无线传感器网络的输电线路监测系统

邓红雷，师留阳

(华南理工大学 电力学院，广东 广州510640)

摘要：提出一种新的解决输电线路监测系统数据发送的通信网络方法——基于4G转WIFI无线传感器网络的输电线路监测系统。该方法通过数据汇集平台和云平台，将数据采集网络、数据通信网和后端数据平台连接，实现输电线路监测数据的采集、处理、发送和显示整个过程。系统具有传输速度快、监测范围广、网络建设方便等优点。

关键词：4G转WIFI；无线传感器网络；输电线路监测系统；数据通信网络；云平台

输电线路作为电力系统重要电力设施，对于电网的安全、可靠、经济运行极为关键。特别是随着输电线路电压等级的不断提高，对输电线路的安全运行进行在线监测显得尤为重要。国内外专家和学者[1-14]对无线传感器网络在输电线路在线监测的应用进行了研究，目前应用在无线传感器网络的无线通信技术主要包括卫星通信、通用无线分组业务(generalpacketradioservice,GPRS)、ZigBee、3G、4G和无线保真(wirelessfidelity,WIFI)，其中卫星通信覆盖范围广，数据通信量大，但发送有延迟，易受太阳活动及气候影响；ZigBee免费频段，时延小，容量大，但数据传输速率较低；GPRS、3G、4G均利用公网，无需建设网络，监测范围广，但需要运营费用，GPRS数据传输速率较低，3G和4G都比较高；WIFI建设网络方便，数据传输速率较高，但监测范围小。高压输电线路现场监测环境复杂，线路运行电压高，容量大，会产生一定的电磁干扰，对无线网络通信产生影响。文献[15]表明当频率超过20MHz后，干扰水平很小，4G和WIFI无线通信技术工作频率都远大于20MHz，因此几乎不用考虑高压输电线路复杂环境对于4G和WIFI无线网络通信的强干扰影响。综合考虑上述无线通信技术的优缺点，本文提出了一种基于4G转WIFI无线传感器网络的输电线路监测系统，监测现场采用WIFI无线网络，充分利用其建设网络简单、通信速率较高的优点；远程通信采用4G通信方式，该方式无需建设网络，利用公网，监测范围广，数据发送快；WIFI无线网络和4G通信可以通过4G转WIFI模块实现转换和数据发送。该系统具有传输速度快、监测范围广、网络建设方便等优点。本文首先介绍了4G转WIFI无线传感器网络输电线路监测系统总体结构，然后阐述了各个部分的作用和特点，着重说明数据通信网络的实现过程。

1基于4G转WIFI的无线传感器网络输电线路监测系统

针对无线传感器网络输电线路监测系统的数据采集和数据通信两个核心问题，提出了4G转WIFI无线网络方案，通过数据汇集平台和云平台将数据采集网络、数据通信网和后端数据平台连接，实现输电线路监测数据的采集、处理、发送和显示整个过程。传感器节点采集到监测对象的信息通过WIFI无线网络发送到数据汇总平台；数据汇总平台信息通过4G公网发送到云平台；最后用户通过后端数据平台访问云平台获取监测数据，实现对输电线路的在线监测。监测系统结构如图1所示。

图1　4G转WIFI的无线传感器网络输电线路监测系统

2数据采集网

基于4G转WIFI的无线传感器网络的输电线路监测系统数据采集网部分主要包括监测区域、监测对象、传感节点等。监测区域给出了所要监测输电线路对象的具体位置和现场环境；监测对象则指出了要监测的输电线路具体对象；传感器节点给出了数据采集装置传感器的安装位置和类型。这三部分的选择关系到能否采集正确监测信息，需要认真分析研究，其结构如图2所示。

图2　数据采集网结构

本文提出的输电线路数据采集网采用WIFI无线网络进行采集数据的发送，使传感器节点、监测对象和监测区域组成的数据采集网与传统方式有所不同。由于WIFI无线网络数据传输速率快，传感器节点数可以根据需要相应的增加，同样的时间内可以发送更多的数据，采集更多的对象信息；WIFI无线网络在监测区域范围形成的局域网络，传感节点可以随时接入网络，大大方便了传感节点的布置和安装工作，对于监测对象和区域的选择更加灵活。

3数据通信网络

基于4G转WIFI的无线传感器网络的输电线路监测系统数据通信网络由WIFI无线网络、数据汇集平台、4G通信网络和云平台组成，其中监测现场采用WIFI无线网络，充分利用其建设网简单、通信速率较高的优点；远程通信采用4G通信方式，该方式无需建设网络，监测范围广，数据发送快；同时通过4G转WIFI模块实现两种不同方式的通信网络之间的转换和数据发送。传感器采集数据通过WIFI无线网络发送到数据汇集平台进行简单分类和处理，之后再通过4G通信网络将处理后数据实现远程通信发送到云平台。

3.1WIFI无线网络

由于输电线路监测区域对象需要采集的信息分布不集中，对于传感器的安装和数据采集都有了更高的要求，传统有线的方式已经不能满足监测的需要，无线方式进行数据的采集得以广泛采用，本文提出的无线传感器网络通过数据转WIFI模块来产生WIFI无线网络，与传感器节点组成WIFI无线传感器网络。该无线网络通信速率较快，可以满足分布式传感器节点发送数据的要求，传感节点采集到的数据通过WIFI无线网络发送到数据汇总平台，传输线路如图3所示。

图3　WIFI无线传感器网络结构

从图3可知，WIFI无线网络通过数据转WIFI模块实现，电源采用太阳能发电或者蓄电池。产生的WIFI无线网络分布在监测对象周围，各个传感器节点可以随时接入该无线网络，形成无线传感器网络。相比于其他无线通信方式，WIFI无线网络建设方便，只需要简单数据转换WIFI模块即可产生用于通信的无线网络，装置设备较小，易于安装；WIFI无线网络通信速率高，可以实现数据实时发送，发送数据容量大，可以实现多个传感节点同时发送数据；WIFI无线网络可以在监测现场形成一个较大的局域网络，分布在监测对象附近，便于传感节点随时接入，满足输电线路分布式传感节点发送数据的要求，大大提高数据发送效率。

3.2数据汇集平台

数据汇集平台实现对传感器节点数据的汇总、处理和发送，实际上就是一个软硬件主机平台来实现数据接收、处理和发送，其结构如图4所示。

图4　数据汇总平台结构框

从图4可看到，数据汇集平台连接WIFI无线网络，根据WIFI通信协议，通过WIFI无线网络将监测现场传感器节点数据发送到数据汇集平台的数据汇总模块；对已经接收到的无线传感节点数据信息进行分类处理和缓存，每个传感节点拥有自己独立的数据处理和缓存区域，相互之间没有影响，同时将数据按1到n顺序排好，方便后续数据的发送；经过数据处理模块的数据，由数据发送部分按照缓存时的数据顺序发送，发送数据利用4G通信公网，发送到云平台。

3.34G通信网络

4G通信网络连接数据汇集节点与云平台，实现传感节点数据的发送。输电线路周围覆盖通信公网4G信号，4G模块插入SIM数据卡后，通过天线模块接收4G信号，具体实现过程如图5所示。

图5　4G通信网络结构

从图5可看到，数据汇集平台接入由4G转换WIFI模块产生的WIFI无线网络，将之前处理过的传感器节点数据通过该无线网络发送，由天线模块接收，然后利用带有客户识别模块数据卡4G模块通过天线模块接收4G信号，接入4G通信网络，将数据发送到云平台。与其他的远程通信相比，该4G通信网络通信速率较高，无需重新建设网络，实时数据发送，覆盖范围广。

3.4云平台

基于4G转WIFI的无线传感器网络输电线路监测系统采用云平台作为监测数据的后台存储平台，与后端数据平台相呼应，一方面：改变了原有的远距离数据通信模式，以往都是将数据直接发送到后端数据平台，通信距离远，通信时间长，通信效率较低，采用云平台则可以实现数据就地上传，利用4G通信基站直接将数据发送到云服务器中，由云平台对数据进行存储；另一方面：云平台的提出也可以实现分布式数据的接收和存储，只需要能够上网，人们便可以通过后端数据平台随时随地访问云平台的数据，监测输电线路的运行状态。

4后端数据平台

后端数据平台是基于4G转WIFI的无线传感器网络输电线路监测系统的终端部分，对数据进行分析，通过界面形式呈现出来，供用户来获取输电线路监测区域里监测对象的实际运行状况，反映输电线路运行的正常与否，如图6所示。

图6　后端数据平台结构

从图6可了解到，后端数据平台可对输电线路的运行状况给出评价，预测输电线路监测对象运行状况，给出监测对象风险评估方案。

5结束语

综合考虑目前各种无线通信技术的优缺点，提出了一种新的解决输电线路监测数据发送的通信网络方法——基于4G转WIFI无线传感器网络的输电线路监测系统，该系统由数据采集网、数据通信网和后端数据平台三部分组成，数据采集网和数据通信网通过数据汇总平台连接，数据通信网和后端数据平台通过云平台连接。传感器节点利用WIFI无线网络发送数据到数据汇集节点，数据汇集节点利用4G通信公网发送到云平台，用户再通过云平台获得监测数据，判断输电线路的运行状态，从理论上阐述了该方案的可行性，并将应用到东莞供电局“输电铁塔动态风荷载风险评估研究”的在线监测系统中，对提高该系统的数据传输速度将起到非常重要的作用。

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Monitoring System for Power Transmission lines Based on 4G Transforming intoWIFIWirelessSensorNetwork

DENG Honglei, SHI Liuyang

(SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510640,China)

Abstract：Thispaperpresentsanewkindofcommunicationnetworksolutionfordatasendingofmonitoringsystemforpowertransmissionlinesnamedmonitoringsystemforpowertransmissionlinesbasedon4GtransformingintoWIFIwirelesssensornetwork.Bydataacquisitionplatformandcloudplatform,itisabletoconnectdataacquisitionnetwork,datacommunicationnetworkandrear-enddataplatformsoastorealizethewholeprocessofmonitoringdataacquisition,processing,sendinganddisplayofpowertransmissionlines.Thissystemhasadvantagesoffasttransmissionspeed,widemonitoringrange,convenientnetworkconstruction.

Keywords：4GtransformsintoWIFI;wirelesssensornetwork;monitoringsystemforpowertransmissionline;datacommunicationnetwork;cloudplatform

收稿日期：2016-01-08修回日期：2016-03-11

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.021

中图分类号：TM764

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)06-0117-04

作者简介：

邓红雷(1975)，男，湖南武冈人。副教授，工学博士，主要研究方向为输电线路电力设备在线监测与故障诊断。

师留阳(1991)，男，河南周口人。在读硕士研究生，主要研究方向为输电线路在线监测。

(编辑王夏慧)