基于IEEE 1451的输电设备智能传感器的研究与设计

2016-11-01翟少磊陈叶倩李天文张文斌

新技术新工艺 2016年9期

翟少磊，陈叶倩，沈　鑫，李天文，张文斌，李　博，唐　标

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明 650217；2.中国南方电网公司电能计量重点实验室，云南昆明 650217；3.昆明理工大学，云南昆明 650500)

翟少磊1，2，陈叶倩3，沈鑫1，2，李天文3，张文斌3，李博1，2，唐标1，2

针对输电设备监测装置传感器存在种类多、各厂家规约协议不一致，导致其通用性差，无法即插即用及测试困难等问题，对其进行了标准化设计研究。基于IEEE 1451的输电设备智能传感器软硬件设计、即插即用及网络化传输技术，可实现输电设备智能传感器的标准规约输出、即插即用及网络化互联互通。与传统传感器比较，其具有协议规范、通用性强及即插即用等特点。

IEEE 1451；输电设备；智能传感器

输电线路的地理环境比较复杂，近年来发生的冰灾导致倒塔等事故，使得输电设备在线监测技术得到广泛应用。传感器充当着监测装置的“眼睛”。现有输电线路监测传感器存在各厂家协议不一致、智能化数据处理能力不足，导致后期损坏后更换通用性差、规约测试困难、即插即用无法实现及互联互通能力弱等问题。随着智能电网及电力物联网技术的发展，对传感器的通用性、智能化及互联互通能力提出了更高的要求，传统传感器已无法满足需要。另外，相对于变电设备智能传感器产业化发展，输电设备智能传感器在实际应用中仍存在各厂家设计标准混乱等问题，亟需实现基于IEEE 1451的输电设备智能传感器设计，满足相应要求。

本文研究的输电设备智能传感器，基于IEEE 1451协议设计，带有微处理器，可满足即插即用、网络化互联互通，并成功应用于国家863计划课题“输变电设备物联网关键技术及应用”示范工程。

1　输电设备传感器

1.1输电设备智能传感器要求

输电设备监测装置由传感器与主装置组成。传感器包括温湿度传感器、风速风向传感器、气压传感器、拉力传感器、倾角传感器和摄像头等。传感器采集数据信息后采用厂家私有协议上传至监测装置，由监测装置进行数据分析后，按照网省公司标准协议上传至主站；但传统传感器私有协议带来规约测试困难、后期硬件维护更换通用性差等问题。本文设计的智能传感器与传统传感器相比较，不同要求包括[1]：1)标准的IEEE 1451协议；2)实现即插即用；3)带有嵌入式微处理器，具有采集、处理和网络化互联互通能力。

1.2智能传感器IEEE 1451协议要求

随着传感器的智能化发展，输电设备能够采用TEDS智能传感器，用于高效、可靠地获取到输变电设备状态信息。IEEE 1451协议是由美国国家标准和技术协会(National Institute of Standards and Technology，NIST)制定的智能传感器标准，该标准一共包含7个相互独立又成一体的协议标准，其中主要内容包括网络通信的软硬件模型、通信接口协议、传感器的数据操作和TEDS，具体标准见表1。

表1　IEEE 1451系列标准体系

TEDS智能传感器除了使用通用电子传感器来输出模拟信号以外，还提供了传感器电子数据表格窗口，用于存储产品编号型号、制造商信息、测量范围、校正信息与用户信息，同时提供了可存取存储器[2]。

IEEE 1451标准定义了传感器软件和硬件的接口标准，支持TEDS，处于不同的现场网络的传感器之间，可以通过IEEE 1451的接口标准实现互联、互操作，解决了兼容问题。同时，IEEE 1451标准定义了TEDS和10线传感器数字独立接口(Transducer Independent Interface，TII)，传感器与微处理器之间的通信协议，给智能传感器增加了即插即用的功能。即插即用要求在网络结构改变时，能够及时调整网络资源，需要采用波特率自适应技术(Sorting Pulse Width Difference，SPWD)和TEDS的定义、配置[3]。

1.3智能传感器网络化互联互通要求

随着物联网技术的发展，基于IEEE 1451协议和物联网技术的输电设备传感器可以逐步实现网络化发展。每个输电线设备的传感器可以成为网络中的独立节点，能够跨越区域显示，直接通过网络传输输电线设备信息，实现远程在线监控。网络化的智能传感器，不需要普通传感器的现场布线，使得传感器的节点布置更灵活，其基本组成原理如图1所示。

图1　无线网络智能传感器基本组成原理

2　智能传感器的总体设计方案

该输电线设备智能传感器集成了传感器、嵌入式微处理器、接口电路、存储器和网络控制器等。传感器的功能框图如图2所示，能够将输电线设备现场采集到的数据进行处理，如信号调理、数模转换等，能够存储在存储器中，或者再通过IEEE 1451标准协议传输给本地接口以及远程网络端。

图2　IEEE 1451智能传感器功能框图

2.1输电线设备智能传感器的即插即用技术设计

在输电线设备中，经常需要用到温湿度传感器、风速风向传感器、气压传感器、拉力传感器、倾角传感器和摄像头等各类硬件模块。无论采用哪种传感器，最后都需要将被测信号转换为电阻、电感和电容等电量信号。由于电量信号的变化，引起检测电流或检测电压的变化，这些模拟电信号经采样和A-D变换后，变成计算机能接受的数字信号。输电线设备的传感器个数较多，分布地点较广，多个传感器所获得的数据要集中到一个处理中心进行分析、处理，信号获取与信号传输之间的接口技术成为信息交流的关键。

实现输电线设备智能传感器的即插即用，关键是要实现系统传感器结构的资源调整。采用SPWD(Sorting Pulse Width Difference)的波特率自适应技术，并结合IEEE 1451的TEDS定义、配置技术实现智能传感器即插即用。TEDS系统地描述STIM及各类智能传感器通道的类型、参数、属性以及操作方式。

波特率自适应机制的基本原理是STIM(Smart Transducer Interface Module)采集、测量总线上的脉冲，并对脉冲宽度进行重复排序、差分计算，得出最小的脉冲宽度，利用该最小的脉冲宽度求解波特率，具体过程如图3所示。STIM波特率与NCAP(Network Capable Application Processor)匹配通信后，通过TEDS向NCAP提供传感器的信息与相关参数(包括传感器类型、制造商、通道数、时间参数和数据校正模型等)，再进行资源分配，实现传感器的即插即用。

图3　波特率配置过程

2.2输电线设备智能传感器的嵌入式微控制器设计

在输电线设备中，需要大数量的传感器参数进行测量和处理。目前，一部分传感器采用单片机进行控制，智能性较低。嵌入式智能传感器组成原理框图如图4所示，该输电线设备传感器采用的嵌入式控制器设计，将智能理论与传感器进行集合，具有采集、处理和交换信息的能力。

图4　嵌入式智能传感器组成原理框图

嵌入式微处理器传感器具有如下特点：执行效率高，成本低，寻址方式灵活，功耗低，成本低。与传统的传感器相比较，利用嵌入式微处理器的传感器具有信息处理和判断的功能；提高了传感器测量的精度和可靠性；具有统一通用的数据通信接口，可以实现有线或者无线传输；同时自带存储器，方便数据的存取。

2.3网络化智能传感器的设计

智能传感器实现网络化的核心技术是TCP/IP、现场总线技术的实现，可以采用GSM/GPRS网络、蓝牙、WiFi以及ZigBee等技术[4]。以TCP/IP为例，传感器在数据通信过程中都以Intranet、Internet为载体组建成系统[5]，信息传递系统如图5所示。具体表现为：1)输电线路现场的信号看在Intranet内部网络实现实时共享，可以通过浏览器进行现场信息的获取；2)Intranet连通至Internet，可以实现全球各地区输电线信息的共享；3)通过网络实现远程控制输电线路。

图5　TCP/IP信息传递系统图

3　结语

本文基于IEEE 1451协议设计了输电设备智能传感器，将传感器技术、嵌入式控制技术及网络通信技术结合，在传统传感器的基础上，集成创新实现了传感器智能化和网络信息化，同时满足即插即用，提高了传感器的通用性。

[1] 缪晓波. 智能传感器·网络传感器·信息传感器[J]. 传感器世界,2000(1):21-25.

[2] 王立刚. 对嵌入式智能传感器的理论研究[J]. 科技资讯,2005(26):1-2.

[3] 邵鹤帅. TEDS技术在传感器智能化中的应用研究[J]. 科学技术与工程,2011(3):609-611,615.

[4] 宋光明,葛运建. 智能传感器网络研究与发展[J]. 传感技术学报,2003(2):107-112.

[5] 吴猛,程良伦. 一种无线传感器网络节点及其实现方法[J]. 仪表技术与传感器,2008(12):14-16.

责任编辑郑练

Research and Design about Intellectual Sensor of Power Transmission Equipment based on IEEE 1451

ZHAI Shaolei1,2, CHEN Yeqian3, SHEN Xin1,2, LI Tianwen3, ZHANG Wenbin3, LI Bo1,2, TANG Biao1,2

(1.Electric Power Research Institute, Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming 650217, China; 2.Key Laboratory of Electric Power Measurement(China Southern Power Grid), Kunming 650217, China; 3.Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

The environment of the power transmission equipment is complex, the traditional sensor could not meet the requirement of the various testing. Design the intellectual sensor of power transmission equipment based on IEEE 1451. The function of plug-and-play is realized, and it could connect other different sensors. With the embedded micro-processor, it is an intellectual sensor of signal DAQ system which could exchange the information of power equipment and realize the communication of network. Compared with the traditional sensor, this intellectual sensor has extra precision, reliability, high resolution, and universal property.

IEEE 1451, power transmission equipment, intellectual sensor