劉成印， 劉 偉， 何 凱

(山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

ZigBee技術(shù)和GPRS在輸電線路在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉成印， 劉 偉， 何 凱

(山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

針對(duì)高壓輸電線路的分散性大，所處地理環(huán)境、氣候條件復(fù)雜的現(xiàn)狀，以實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)為背景，設(shè)計(jì)了一套以GPRS和ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的輸電線路綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中由傳感器節(jié)點(diǎn)采集導(dǎo)線拉力、傾角和氣象等信息，由ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)子站系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并通過(guò)GPRS公網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳回主站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文中詳細(xì)闡述監(jiān)測(cè)子站和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊的硬件結(jié)構(gòu)，以及導(dǎo)線弧垂在線監(jiān)測(cè)裝置的工作原理，給出主站系統(tǒng)、子站系統(tǒng)的軟件工作流程。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，結(jié)果表明:基于ZigBee技術(shù)的輸電線路綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性、可靠性，功耗較低，維護(hù)方便，是目前行之有效的方法，完全可以滿足輸電系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)的需要。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);ZigBee;GPRS;輸電線路;綜合在線監(jiān)測(cè)

0 引言

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量提出了更高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在2005年華中地區(qū)的雪災(zāi)及2008年初全國(guó)的雪災(zāi)，給電力輸電系統(tǒng)造成了極大損失。因此，對(duì)高壓輸電線路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)非常有必要［1］。高壓輸電線路大多分布在野外，線路覆蓋面廣，所處的地理環(huán)境、氣候條件惡劣，加之電磁干擾嚴(yán)重等因素，一直以來(lái)沒(méi)有有效的安全防范措施，線路維護(hù)工作量大、危險(xiǎn)性高。如果采用常規(guī)巡檢手段，檢查一次周期長(zhǎng)，而且無(wú)法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱患。同時(shí)，受到各類技術(shù)及條件的限制，輸電線路上的實(shí)時(shí)信息也無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸至控制中心。因此，研究基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以有效地通過(guò)集中監(jiān)測(cè)與管理手段來(lái)獲取線路自身運(yùn)行狀態(tài)及周邊環(huán)境變化，為線路生產(chǎn)管理、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)、檢修、應(yīng)急防災(zāi)等提供動(dòng)態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)輸電線路安全預(yù)警和輔助決策。鑒于此，筆者以GPRS和ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套輸電線路綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。期望能夠提高運(yùn)行維護(hù)、生產(chǎn)管理的精益化水平，推動(dòng)智能電網(wǎng)輸電環(huán)節(jié)工作的開(kāi)展。

1 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注、涉及多學(xué)科交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究之一。與其他無(wú)線通信技術(shù)相比，ZigBee具有省電、可靠、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全等優(yōu)點(diǎn)?；赯ig-Bee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅具有體積小、成本低的特點(diǎn)，還兼具感知能力、計(jì)算能力、通信能力三者技術(shù)為一體的功能，且網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?、信道的環(huán)境、信息傳輸模式皆隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署改變而變化［2－6］。

ZigBee技術(shù)特別適合數(shù)據(jù)傳輸速率低、設(shè)備間距小、電力供應(yīng)困難的工業(yè)監(jiān)測(cè)應(yīng)用環(huán)境。輸電線路中絕緣子、輸電線、變壓器等監(jiān)測(cè)對(duì)象都離桿塔很近，需要采集的數(shù)據(jù)量少，采樣時(shí)間間隔較長(zhǎng)。另外，監(jiān)測(cè)裝置在電能獲取方面很困難，若達(dá)到長(zhǎng)期運(yùn)行的目的，都需要太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池充電。由此可見(jiàn)，ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用于輸電線路的監(jiān)測(cè)［7－10］。

2 輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

由于監(jiān)測(cè)需求和線路類型不同，所以輸電線路上傳感器的部署差別很大。其典型的特點(diǎn)是，監(jiān)測(cè)參數(shù)多樣化，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布以桿塔為中心，有一定區(qū)域性，沿輸電線路呈線性或網(wǎng)狀分布。因此，要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性。

基于ZigBee技術(shù)和GPRS的輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)模塊、子站系統(tǒng)、主站系統(tǒng)三個(gè)部分。

圖1 輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Structure of on-line comprehensive monitoring system for power transmission line

部署在輸電線路桿塔上的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊主要完成高壓輸電線路的氣象數(shù)據(jù)(如環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等)、導(dǎo)線拉力、傾角等數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)自組網(wǎng)構(gòu)建的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阶诱鞠到y(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、處理，然后子站系統(tǒng)通過(guò)接入GPRS公眾網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)對(duì)子站系統(tǒng)傳回的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算導(dǎo)線覆冰厚度以及舞動(dòng)情況，并以表格及圖形界面相結(jié)合的方式顯示桿塔的氣象數(shù)據(jù)、圖像視頻數(shù)據(jù)以及導(dǎo)線情況等，為輸電線路的運(yùn)行維護(hù)提供決策依據(jù)。

2.2 子站系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

子站系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)主機(jī)和監(jiān)測(cè)終端傳感器節(jié)點(diǎn)模塊的硬件設(shè)計(jì)原理如圖2和3所示。監(jiān)測(cè)主機(jī)核心處理器單元采用 FreeScale公司的16位芯片MC9S12XS128。監(jiān)測(cè)終端主處理器采用16位芯片MC9S12G128。射頻收發(fā)芯片采用FreeScale公司的短距離、低功耗、工作在 2.4 GHz免費(fèi)頻段的MC13193。該芯片包含了IEEE802.15.4協(xié)議的物理層和MAC層，自帶ZigBee協(xié)議棧，提供可編程的時(shí)鐘供基帶MCU使用，通過(guò)串行外設(shè)接口SPI與MCU通信，輸出功率也可由編程設(shè)定。

圖2 子站監(jiān)測(cè)主機(jī)硬件原理Fig.2 Schematic of monitoring sub-station

圖3 監(jiān)測(cè)終端傳感器節(jié)點(diǎn)硬件原理Fig.3 Schematic diagram of sensor nodes

子站系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主機(jī)由主控單元、無(wú)線通信、圖像控制、電源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)5個(gè)模塊構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包括Flash和SD卡。由圖像控制模塊采集的監(jiān)控視頻可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)，也可以存儲(chǔ)在SD卡中，在后臺(tái)進(jìn)行傳輸。各個(gè)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，根據(jù)監(jiān)測(cè)需求可以靈活配置及擴(kuò)展。為方便運(yùn)行維護(hù)和安裝調(diào)試采用插件式結(jié)構(gòu)，各功能獨(dú)立的監(jiān)測(cè)模塊可以采用插件集成方式，也可以獨(dú)立安裝。監(jiān)測(cè)終端的硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要包括拉力、傾斜角、氣象等數(shù)據(jù)采集模塊和ZigBee通信模塊。

監(jiān)測(cè)主機(jī)一方面通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)終端通信，另一方面通過(guò)GPRS公網(wǎng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至主站系統(tǒng)。

子站系統(tǒng)的電源采用太陽(yáng)能/風(fēng)能+蓄電池方式，根據(jù)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的功耗、區(qū)域日照狀況和蓄電池備用時(shí)間，配合子站系統(tǒng)內(nèi)的電源控制管理模塊，具有電壓監(jiān)測(cè)、低電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、自動(dòng)休眠和智能電源管理功能。當(dāng)系統(tǒng)空閑時(shí)所有設(shè)備都處于休眠狀態(tài)，可以節(jié)約大量電能;一旦有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)立即喚醒進(jìn)入正常工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞完畢后，系統(tǒng)可以再次休眠。圖4是子站系統(tǒng)的實(shí)物拍照。

圖4 子站系統(tǒng)實(shí)物Fig.4 Installation of sub-station system

2.3 導(dǎo)線弧垂監(jiān)測(cè)工作原理

2.3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

對(duì)架空線弧垂及對(duì)地距離進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，能通過(guò)能量值傳遞獲取導(dǎo)線弧垂和對(duì)地距離的相關(guān)測(cè)量值，如導(dǎo)線傾角、導(dǎo)線溫度、張力等，進(jìn)行相應(yīng)存儲(chǔ)，并將測(cè)量結(jié)果通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)。主站系統(tǒng)中的專家軟件把現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)引入數(shù)據(jù)模型，計(jì)算出導(dǎo)線的弧垂，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線對(duì)地、樹(shù)木或建筑等的安全距離不足的危險(xiǎn)。同時(shí)，根據(jù)計(jì)算拉力傳感器上所承受拉力或傾角的變化頻率進(jìn)行判斷，如果頻率在0.1～10 Hz之間，則認(rèn)為有導(dǎo)線舞動(dòng)情況發(fā)生，自動(dòng)發(fā)回報(bào)警信息。桿塔上安裝的攝像機(jī)可自動(dòng)調(diào)整至設(shè)置好的位置進(jìn)行拍照或拍攝連續(xù)視頻并傳回監(jiān)測(cè)中心。

2.3.2 裝置組成

導(dǎo)線弧垂監(jiān)測(cè)裝置(含拉力、傾角和導(dǎo)線溫度傳感器)由數(shù)據(jù)集中器、通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。它將采集到的導(dǎo)線張力、傾角和導(dǎo)線溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶诱?，子站統(tǒng)一將導(dǎo)線張力、傾角、導(dǎo)線溫度、電源電壓、報(bào)警信號(hào)、裝置心跳包、應(yīng)答信息、通信連接狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該裝置還具有受控采集功能，能響應(yīng)遠(yuǎn)程指令，按預(yù)置的采集方式、自動(dòng)采集時(shí)間、采集時(shí)間間隔、采集點(diǎn)數(shù)啟動(dòng)采集。圖5所示為拉力傳感器的安裝照片。

2.4 通信方式

圖5 拉力傳感器安裝照片F(xiàn)ig.5 Installation photo of tension sensor

輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信，主要是指安裝在桿塔或?qū)Ь€上各傳感器與安裝在桿塔上的子站系統(tǒng)之間的通信，以及子站系統(tǒng)與主站系統(tǒng)之間的通信。由于輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布點(diǎn)的隨機(jī)性，所以傳感器與子站之間主要是采取ZigBee無(wú)線通信方式，子站與主站之間的通信主要有公網(wǎng)和電力專網(wǎng)兩種方式。

2.4.1 公網(wǎng)方式

公網(wǎng)是通過(guò)GSM/GPRS/CDMA等方式進(jìn)行通信。其優(yōu)點(diǎn)是見(jiàn)效快、成本低，缺點(diǎn)是通信性能差、數(shù)據(jù)傳輸能力低、數(shù)據(jù)安全性無(wú)保證，部分邊遠(yuǎn)地區(qū)的線路公網(wǎng)存在覆蓋面問(wèn)題。此外，由于公網(wǎng)通信能力的限制，致使一部分監(jiān)測(cè)功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，例如實(shí)時(shí)連續(xù)視頻監(jiān)控功能。

2.4.2 電力專網(wǎng)方式

電力專網(wǎng)方式是通過(guò)電力線路已經(jīng)敷設(shè)的OPGW光纜線路進(jìn)行通信，確定其中的兩根光纖作為輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光纖通道，依靠這兩根光纖組建沿線分布式通信系統(tǒng)。在位于監(jiān)測(cè)熱點(diǎn)附近的OPGW光纜分接點(diǎn)上，進(jìn)行上下分光處理實(shí)現(xiàn)光分接點(diǎn)，在光分接點(diǎn)部署專用的光通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)分接點(diǎn)到兩端變電站的光通信，為狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供寬帶信息的傳遞能力。專網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)是通信性能好、數(shù)據(jù)傳遞能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)安全性有保障，尤其在需要傳遞動(dòng)態(tài)視頻信號(hào)的場(chǎng)合。更重要的是，由于專網(wǎng)方案是沿電力線部署的系統(tǒng)，不會(huì)產(chǎn)生邊遠(yuǎn)地區(qū)線路的覆蓋問(wèn)題。專網(wǎng)方案可以為狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的通信基礎(chǔ)。專網(wǎng)方案的唯一不足是需要一定的建設(shè)投資和建設(shè)周期。

綜合成本、設(shè)計(jì)周期等因素，文中設(shè)計(jì)為子站與主站之間的通信采用GPRS公網(wǎng)方式。

2.5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.5.1 主站

主站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含導(dǎo)線弧垂、氣象、覆冰和圖像視頻等監(jiān)測(cè)功能。監(jiān)測(cè)子站將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)相應(yīng)的通信協(xié)議，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以報(bào)文的形式發(fā)送到主站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先，主站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析處理，得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合理論模型和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)計(jì)算相應(yīng)桿塔的覆冰、桿塔不平衡張力差等情況，并給出預(yù)報(bào)警信息;其次，建立由導(dǎo)線重力變化計(jì)算覆冰厚度的數(shù)學(xué)模型，并采用軟件進(jìn)行覆冰厚度變化趨勢(shì)及覆冰生長(zhǎng)計(jì)算，對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，為運(yùn)行監(jiān)測(cè)人員提供準(zhǔn)確的覆冰厚度;第三，建立覆冰監(jiān)測(cè)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)采集數(shù)據(jù)形成導(dǎo)線覆冰趨勢(shì)曲線圖。根據(jù)覆冰監(jiān)測(cè)參數(shù)，自動(dòng)生成建立在線路上的冰區(qū)分布圖。

主站軟件安裝在監(jiān)控中心的PC端。在啟動(dòng)后，首先對(duì)監(jiān)測(cè)子站和監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，比如攝像機(jī)的預(yù)制位等。然后設(shè)定主站的IP地址和接收端口。主站監(jiān)聽(tīng)接收端口，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，先在數(shù)據(jù)報(bào)文中尋找子站信息，并與主站中記錄的子站進(jìn)行匹配，匹配成功后再對(duì)報(bào)文進(jìn)行分析處理;否則，便認(rèn)為不是子站發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，直接將數(shù)據(jù)丟棄。在對(duì)報(bào)文進(jìn)行分析處理過(guò)程中，先需要判斷子站時(shí)間與主站時(shí)間是否一致，如果不一致需要進(jìn)行對(duì)時(shí)處理。

2.5.2 子站

監(jiān)測(cè)子站開(kāi)啟后先讀取配置信息，包括主站的IP、端口號(hào)、采集終端的采集時(shí)間、主周期時(shí)間、采集頻率等。然后開(kāi)啟GPRS公網(wǎng)通信模塊并連接主站。GPRS通信模塊包括聯(lián)通3G模塊和移動(dòng)2G通信模塊，在地處偏遠(yuǎn)的地區(qū)，可能出現(xiàn)3G信號(hào)較弱，連接主站不成功的現(xiàn)象，此時(shí)，子站可自動(dòng)切換到移動(dòng)2G通信模塊重連主站。連接成功后，等待接收氣象采集終端和覆冰采集終端達(dá)到主周期時(shí)主動(dòng)上傳的采集數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)并上傳主站，然后發(fā)送命令讓各采集終端進(jìn)入休低功耗模式。圖6和7是輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站軟件運(yùn)行的主界面。

圖6 主站系統(tǒng)主界面Fig.6 User-interface of main station system

圖7 主站圖像監(jiān)控畫(huà)面Fig.7 Imaye monitor of main station

3 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用免費(fèi)無(wú)線頻段，自由組網(wǎng)方式靈活，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方便，對(duì)公眾移動(dòng)通信盲區(qū)的覆蓋經(jīng)濟(jì)有效，成本較低，是目前在高壓輸電線路這種特殊環(huán)境下僅有的行之有效的手段;而且傳感器節(jié)點(diǎn)模塊功耗低，生命周期長(zhǎng)，不用頻繁更換設(shè)備。

筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基于GPRS和ZigBee技術(shù)的輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用最新計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、新能源開(kāi)發(fā)研制，是集多種功能于一體的新一代輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在軟硬件方面均具有良好的擴(kuò)展性，支持多種組網(wǎng)模式。在山東某電力公司輸電線路115#桿塔安裝和實(shí)際試用結(jié)果表明，系統(tǒng)功能完善，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，完全滿足輸電系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)的需要。

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On-line comprehensive monitoring application for power transmission line based on GPRS and ZigBee technology

LIU Chengyin， LIU Wei， HE Kai
(College of Information ＆ Electronics Engineering，Shandong Institute of Business＆ Technology，Yantai，264005，China)

Aimed at addressing the larger dispersion of the high-voltage transmission lines and more complicated geographical environment and climatic conditions to which these lines are exposed，this paper designs a set of on-line comprehensive monitoring system for power transmission line based on GPRS and ZigBee technology.The system works by enabling sensor nodes to obtain the information associated with wire tension，dip Angle and weather，which are transferred to sub-station monitoring system by wireless sensor networks for data fusion process before the sub-station system transfers these fused data to main station system by GPRS wireless public network.The paper details the hardware structure and software process of main station system，sub-station system and sensor nodes.The power transmission line monitoring system based on ZigBee technology boasts such advantages as a greater scalability，more reliable performance，lower power consumption，and easier maintenance and thus works as an effective method quite up to the needs of power transmission system for on-line monitoring.

wireless sensor network;ZigBee;GPRS;power transmission line;on-line comprehensive monitoring

TP212.9∶TN711

A

1671－0118(2012)04－0437－05

2012－06－13

劉成印(1962－)，男，黑龍江省勃利人，教授，博士，研究方向:電力電子技術(shù)、電力傳動(dòng)與自動(dòng)化，E-mail:lcy9270@163.com。

(編輯 徐 巖)