基于WSN技术的电力电缆在线监测系统设计

曾华荣++张迅++刘宇++曾鹏

摘 要：针对当前电力电缆在实际应用中易发生的故障与缺陷，设计了一种无线传感器节点，通过自组网对电力电缆局部放电进行在线监测。文中着重阐述了检测系统的构成、无线监测节点的软硬件设计等内容。该系统通过核心模块ATmega128L和CC2420连接外围传感器并对监测的电缆局放参数进行传输控制。该系统数据测量准确，传输稳定，功耗低，适用于电力电缆在线监测领域。

关键词：WSN；电力电缆在线监测；局放；抗干扰

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

当前电缆在铺设、运行中在线监测较方便，在未来有广泛的应用，在当前系统中，35 kV及以上电压等级电缆应用面最广。据电网公司统计，当前已经铺设的 110 kV 及以上电压等级的电缆总长度超过 3 000 km，最高电压等级为 1 000 kV[1]。交联聚乙烯电缆目前已经在国内许多城市大面积进行现场应用，且铺设数量越来越多[2]。随着电力电缆的应用增多，其运行可靠性将直接关系电网的可靠与安全性。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）在应用中有一大类以环境参数与系统参数作为监控对象[3]，适用于构建室外环境下的电力电缆在线监测系统。

1 系统原理简介

WSN电力电缆局部放电在线监测系统主要由WSN装置（由GPRS 收发模块、GPRS 基站、数据中心服务器和客户端等组成）、电感耦合传感器、局放监测单元、现场取电装置等组成。监测系统结构如图1所示。电感耦合传感器检测并采集三相电缆的外屏蔽层接地线上的局部放电信号，由局放监测单元自动选频、混频、滤波、峰值检波、放大、模数转换后，显示在液晶显示屏上，再由 WSN节点把监测数据周期上传到数据中心服务器，数据中心服务器对现场监测数据进行统计与分析[4]。最后客户端通过访问服务器、浏览局放监测单元的详细信息来远程控制和修改在线监测单元的相关数据。

1.1 电感耦合器

本系统选用德方电子自主开发的开口式宽频电流互感器作为电感耦合器，此传感器灵敏度高，适用于电缆接地线局部放电测量，结合一定的抗干扰算法后具有较好的工程应用价值[5]。检测灵敏度为10 pC，频带范围为10 kHz～30MHz，外形尺寸为128 mm×130 mm×35 mm，信号传输借助0.8 kg，阻值50 ?的同轴电缆。

1.2 在线监测Sink节点硬件系统

系统原理图如图2所示。

（1） 信号调理模块：该模块由过压保护、选通电路、预选器、衰减网络、混频电路和峰值检测电路组成，把采集的信号转换为单片机处理信号。

（2）控制模块：该模块对信号进行数据采集、处理、存储。

（3） 液晶模块：该模块可实时显示数据，并与按键电路实现友好的人机交互。

（4） GPRS模块：该模块可提供物理传输通道。

1.3 系统工作原理

局部放电信号由传感器采集进入信号调理模块[6]，再由过压保护电路泄放可能存在的过电压信号后，选通电路选择参数的通道，然后经滤除干扰和杂波处理后，再由衰减和前置放大模块对信号幅值进行调整，转变为455 kHz的中频信号并进一步降频后完成模数转换和数据处理，最后经显示模块显示在液晶显示屏上，由GPRS上传至数据中心服务器。

2 WSN在线监测节点设计

WSN选择ATmega128L作为控制核心[7]，采用CC2420收发射频数据。监测网络拓扑由普通节点、中心节点和汇聚节点组成。考虑到电缆架设环境会使网络规模扩大，故采用中心拓扑结构设计，通过监测普通节点的状态，选取若干中心节点进行信息传输，而其它节点休眠可以减少能量消耗[8]。中心拓扑结构如图3所示。

节点定时采集数据， 数据经中心节点通过多跳路由传给Sink 节点。Sink 节点将数据上传至控制中心，同时通过GPRS模块把信息传递给PC机。

目前国内外出现了多种网络节点的硬件平台。主要有Mica、Smart Dust、Telos等，采用不同的处理器、射频、路由协议并选择不同功能的传感器作为区分。

2.1 普通节点结构

本系统对功耗有特殊的要求，因此采取模块化体系设计，按功能分为传感采集模块、数据处理模块、射频发送模块、供电模块。

2.2 传感采集模块

本系统选用性能较好的传感器来实现电缆环境的在线监测，如加速度传感器、温湿度传感器等。

2.3 数据处理模块

数据处理模块完成节点的数据处理、路由、时间同步、定位等，是计算的核心。

本系统选用Atmega128L单片机[9]。与外围结构连接电路如图4所示。

2.4 射频收发模块

本系统采用TI公司生产的CC2420射频收发芯片作为核心构建射频收发模块，可实现点对点快速组网。该系统具有体积小、成本低、功耗小等特点， 适用于电池长期供电的情况。还具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等优点[3]。射频收发模块电路如图5所示。

2.5 供电模块

本系统采用锂电池供电与现场取电结合的供电模块。原因在于高压电缆铺设在野外，长度不等，对它进行在线监测时，通过现场电缆取电装置从运行的电缆中感应出电流，利用电流电压转换装置形成直流电压。

2.6 交互接口

节点交互接口包括ISP编程接口、JTAGE接口、232接口、锂电池充电接口等[10]。

3 结 语

本文介绍了目前电缆局部放电在线监测相关方法，然后设计了一套基于WSN的在线监测系统，并进行了相关系统的硬件选型和设计，具有一定的应用价值。

参考文献

[1]曹晓珑，刘英.我国电力电缆及其敷设技术现状[J].电力设备，2007，8（4）：110-112.

[2]孙利民.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]王吉富，马建仓，卢崇.基于单片机控制射频芯片CC2420无线通信的实现[J].电子测量技术，2007，30（5）：88-91.

[4]李华春，周作春，陈平.110kV 及以上高壓交联电缆系统故障分析[J].电力设备，2004，5（8）：9-13.

[5]罗俊华，马翠姣.XLPE电力电缆局部放电的在线检测[J].高电压技术，1999，25（4）：32-34.

[6]郭灿新，张丽，钱勇.XLPE电力电缆中局部放电检测及定位技术的研究现状[J].高压电器，2009，45（3）： 56-60.

[7]李志宇，史浩山.基于ATmega128L 的无线传感器网络节点设计与实现[J].计算机工程与应用，2006，42（27）：76-79.

[8]冯仁剑，张帅锋，于宁，等.应用于天然气管网安全监测的无线传感器网络节点设计与实现[J]. 传感技术学报，2009，22（10）：1492-1497.

[9]吴元忠，胡钢.基于ATmega128L的瓦斯检测报警装置的设计[J].工矿自动化，2007（1）：68-70.

[10]耿德根.AVR高速嵌入式单片机原理与应用（修订版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.