馬銳軍，唐露新，黃潔波

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣州 510006)

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在線載波檢測(cè)的電力線纜無線保護(hù)系統(tǒng)*

馬銳軍，唐露新，黃潔波

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣州 510006)

采用電力載波通信檢測(cè)和無線信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)電力線纜的通斷檢測(cè)。載波模塊按照一定間距分布，采用FSK和DSSS的調(diào)制傳輸信號(hào)，保證傳輸信號(hào)的抗干擾和傳輸距離，設(shè)計(jì)故障檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在電力線上分段可靠通信和通斷檢測(cè)。利用ZigBee無線通信模塊建立局域網(wǎng)，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)采用接力式輪詢檢測(cè)的方法，通過ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。采用32位的ARM微控制器組成嵌入式無線網(wǎng)關(guān)，通過接入GPRS模塊將公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。

電力載波；ZigBee無線局域網(wǎng)；GPRS；ARM微控制器；遠(yuǎn)程監(jiān)控

引 言

電纜線路是電力傳輸最常見的通路，雷擊、山洪暴發(fā)、工程建設(shè)施工和人為因素等易造成電力線纜中斷損壞。此外，邊遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)用電纜、路燈電纜和高速公路電纜的被盜情況時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1]。傳統(tǒng)電力線纜故障都是人工巡檢和維修完成的，無法及時(shí)報(bào)警。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力線纜的分布面積不斷擴(kuò)大，人工巡檢工作量大大增加且工作被動(dòng)，管理困難。國(guó)外低壓電力載波通信無論是應(yīng)用技術(shù)還是理論研究，比較成熟且應(yīng)用廣泛[2]；而國(guó)內(nèi)，低壓電力線傳送著220 V/50 Hz的電能，諧波干擾大，通信信道干擾強(qiáng)且多變，對(duì)電力線纜的檢測(cè)，存在誤報(bào)率高、故障點(diǎn)定位不準(zhǔn)確、檢測(cè)功能受電纜帶電情況影響大和系統(tǒng)性價(jià)比低等缺點(diǎn)[3-4]，無法真正滿足電力線纜檢測(cè)需求。為了能更穩(wěn)定地隨時(shí)在線檢測(cè)，更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位，更好地提高信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力，減少誤報(bào)率，本設(shè)計(jì)采用FSK和DSSS的調(diào)制信號(hào)的電力載波通信技術(shù)，設(shè)計(jì)故障檢測(cè)算法，利用ZigBee和GPRS無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套檢測(cè)、管理和報(bào)警于一體的線纜故障無線報(bào)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括電力載波通信模塊、ZigBee無線局域網(wǎng)、嵌入式無線網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等4部分。在電力線纜上按照一定間距設(shè)置電力載波通信模塊，將ZigBee模塊與電力載波通信模塊連接，在一定的區(qū)域內(nèi)組建無線局域網(wǎng)。ZigBee模塊通過串口發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)，電力載波通信模塊接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)特定的放大電路和選頻鑒頻網(wǎng)絡(luò)，放大整形、編碼后，形成高頻載波信號(hào)，通過耦合電路加載到電力線纜。接收端接收到載波信號(hào)，經(jīng)過選頻解碼電路、整形濾波之后，通過串口將該檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的ZigBee模塊。ZigBee模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，確定通信狀態(tài)后，將線纜狀況通過無線局域網(wǎng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，完成對(duì)線纜的在線檢測(cè)。如果電纜被損壞，信號(hào)中斷傳輸，則電力載波通信模塊將故障報(bào)文通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。嵌入式無線網(wǎng)關(guān)對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、處理，然后通過接入的GPRS模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。服務(wù)器對(duì)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互處理、存儲(chǔ)，并以表格及圖形界面相結(jié)合的方式顯示線纜狀況，為電力線纜的運(yùn)行和維護(hù)提供決策依據(jù)。

圖1 電力載波檢測(cè)無線保護(hù)系統(tǒng)工作原理圖

2 電力載波通信模塊

電力載波通信模塊是電力線纜故障檢測(cè)的關(guān)鍵部件，由于我國(guó)低壓電力網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境比較惡劣，通信信道諧波干擾強(qiáng)且多變，經(jīng)過載波模塊的技術(shù)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，采用深圳某公司的BWP09電力載波通信模塊,模塊原理框圖如圖2所示。該模塊性能穩(wěn)定、體積小巧、集成度高，其采用頻移鍵控(FSK)和直序擴(kuò)頻(DSSS)的調(diào)制及編碼技術(shù)，抑制噪聲和抗干擾能力強(qiáng)[5-6]，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)在電力線上的可靠傳輸。FSK呼叫方式使信號(hào)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在電力載波中得到廣泛應(yīng)用；DSSS擴(kuò)頻通信是一種能夠工作于負(fù)信噪比條件下的通信方式，抗噪聲性能極強(qiáng)(門限信噪比很低)。兩種通信方式相結(jié)合，可提高信號(hào)在電力線傳輸下的抗干擾和抗衰落能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，滿足項(xiàng)目開發(fā)需求。

圖2 電力載波通信模塊外形圖

圖2中，A、G為信號(hào)端，通過耦合電路接到220 V低壓電力線上。16 V為外接直流電源，電壓與發(fā)送功率和信號(hào)傳輸距離成正比。+5 V為模塊內(nèi)部的工作電源。TX是數(shù)據(jù)發(fā)送端, RX是數(shù)據(jù)接收端，欲發(fā)向遠(yuǎn)端的信號(hào)或數(shù)據(jù)應(yīng)從此端接入。模塊的載波中心頻率為114 kHz，載波傳輸速率在300 bps左右調(diào)整；帶寬為4～10 KHz；電纜帶電且諧波干擾強(qiáng)時(shí)，載波模塊最長(zhǎng)通信距離為300 m；當(dāng)線纜不帶電時(shí)，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)500 m。

線纜上有220 V交流電時(shí)，電力載波通信模塊能實(shí)現(xiàn)可靠監(jiān)控檢測(cè)。當(dāng)線纜出故障斷電時(shí)，則由蓄電池供電，模塊仍能繼續(xù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，不會(huì)因?yàn)榫€纜斷電而影響檢測(cè)。此外，由于線纜斷電，其諧波和線路噪聲對(duì)通信信號(hào)的影響下降，使信號(hào)更能穩(wěn)定傳輸。因此，不管電纜是否帶電，本設(shè)計(jì)方案都不會(huì)影響防盜報(bào)警功能。

3 ZigBee模塊

ZigBee是最近幾年發(fā)展很快的一種低功耗、近距離、無線組網(wǎng)通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)采用DSSS擴(kuò)頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)具備功耗低、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性好和高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用的ZigBee無線收發(fā)模塊是基于IEEE802.15.4協(xié)議棧的CC2530芯片。CC2530能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，擁有較大的Flash，其存儲(chǔ)容量多達(dá)256 KB，系統(tǒng)采用Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)帶有網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)功能的星型ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)[7-8]。

每個(gè)電力載波模塊都連接ZigBee無線通信模塊，在一定區(qū)域內(nèi)將整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器為每一位節(jié)點(diǎn)分配唯一的ID地址，最多可容納的節(jié)點(diǎn)數(shù)為65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，相鄰電力載波通信模塊間的最佳有效通信距離為200 m，整個(gè)系統(tǒng)可以檢測(cè)13 000 km的電力線纜。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間可以相互通信。一方面，協(xié)調(diào)器可以智能管理各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)不工作時(shí)，采用休眠和定時(shí)喚醒模式，可大大降低電源功耗；另一方面，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)均負(fù)責(zé)與其相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，共同配合對(duì)連接在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電纜進(jìn)行通斷檢測(cè)。若線路有故障，信號(hào)傳輸中斷，其相應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)會(huì)將其自身ID發(fā)送到協(xié)調(diào)器，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障定位。

4 嵌入式無線網(wǎng)關(guān)

嵌入式無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)相比，無線網(wǎng)關(guān)要求較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)行速度，因此本設(shè)計(jì)主控制器選擇了以ARM 32位的Cortex-M3 CPU為內(nèi)核的STM32F103VET6，擁有72 MHz工作頻率，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(512K的ROM和64K的SRAM)，存儲(chǔ)器的0等待周期訪問時(shí)可達(dá)1.25 DMIPS/MHz(Dhrystone 2.1)[8]，用來對(duì) ZigBee通信模塊進(jìn)行相應(yīng)配置，并接收檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。通過AT指令初始化GPRS通信模塊，利用 TCP/IP協(xié)議將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配的IP地址，與監(jiān)控中心終端或服務(wù)器建立有效連接。

圖3 無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

其中的GPRS模塊選用SIMCOM公司的SIM900A模塊，它支持GPRS multi-slot class 10/class 8和GPRS編程格式CS-1、CS-2、CS-3以及CS-4[10]，采用了功能強(qiáng)大的ARM926EJ-S雙頻GSM/GPRS模塊，工作頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1800 MHz，工作性能穩(wěn)定，性價(jià)比高[10]。

5 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中將ZigBee無線通信模塊與電力載波通信模塊連接，共同完成對(duì)電力線纜的檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)中的電力線纜的檢測(cè)由電力載波模塊負(fù)責(zé)，節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸通過ZigBee完成。ZigBee組網(wǎng)流程圖如圖4所示，控制中心在上電或復(fù)位后，ZigBee協(xié)處理器定時(shí)廣播加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求幀。ZigBee節(jié)點(diǎn)接收到廣播信息后，發(fā)送組建網(wǎng)絡(luò)幀并攜帶其自身地址和層次數(shù)，建立無線局域網(wǎng)[11]。在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，采用兩種不同的信息傳輸方式。協(xié)調(diào)器采用廣播方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播命令，使節(jié)點(diǎn)按照協(xié)調(diào)器的需要把采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送；路由和終端設(shè)備采用點(diǎn)播的方式將采集到的信息數(shù)據(jù)點(diǎn)播到協(xié)調(diào)器上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定點(diǎn)定向流動(dòng)，避免了廣播方式造成網(wǎng)絡(luò)中信息的冗余。

圖4 組網(wǎng)流程圖

為了減少通信信道數(shù)據(jù)的干擾，在同一時(shí)間同一電纜上不能存在多個(gè)檢測(cè)信息，故終端節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)電纜時(shí)采用接力式輪詢檢測(cè)的方法，即檢測(cè)的順序是沿著電線一端順序往另一方向傳遞，這樣就有效避免了相同時(shí)間同一電纜上的檢測(cè)信息相互干擾，可實(shí)現(xiàn)有效便捷的檢測(cè)。

如圖5所示，從信號(hào)發(fā)送端算起，第1個(gè)節(jié)點(diǎn)不間斷地發(fā)送載波信號(hào)，載波信號(hào)沿電力線路傳遞到節(jié)點(diǎn)2進(jìn)行握手，握手成功，信號(hào)再由節(jié)點(diǎn)2發(fā)送，與節(jié)點(diǎn)3握手，一直傳遞到遠(yuǎn)端線路檢測(cè)節(jié)點(diǎn)N。若檢測(cè)節(jié)點(diǎn)不工作，則進(jìn)入待機(jī)低功耗狀態(tài)。若各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到正確的信息，則線路無故障，本次檢測(cè)結(jié)束，如此一直循環(huán)。

圖5 系統(tǒng)檢測(cè)原理圖

當(dāng)某條電力線路發(fā)生故障或異常情況時(shí)，位于該故障線路兩端的檢測(cè)模塊會(huì)重復(fù)新一輪的檢測(cè)判斷，如果接收端等待超時(shí)，則接收端的電力載波檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上的ZigBee將相應(yīng)的ID地址發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，無線網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過接入的GPRS模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。路政人員接到信息后，可以推斷定位出線纜故障所在位置，便可迅速趕往出事地點(diǎn)，進(jìn)行處理。

在通信過程中，數(shù)據(jù)傳輸總會(huì)受到電力線網(wǎng)絡(luò)的載波干擾，因此，在每幀數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收中必須采取一定的措施，減少誤報(bào)率。本設(shè)計(jì)采取的算法方案是：每個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送5遍，接收時(shí)分別將其存入5個(gè)寄存器，然后比較5個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)，至少2個(gè)寄存器中數(shù)據(jù)相等即為正確信息，這樣可確保信息傳遞的正確性和可靠性。

6 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過多次重復(fù)測(cè)量，線纜在通電狀態(tài)下，相鄰檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的距離為250 m時(shí)，接收端通過上位機(jī)可收到有效數(shù)據(jù)。隨著距離增長(zhǎng)，通信距離大于330 m時(shí)，接收端接收到的數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)亂碼。當(dāng)線纜在斷電狀態(tài)下，相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離可達(dá)400 m。

對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，為了提高系統(tǒng)無線組網(wǎng)和載波通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和有效性，設(shè)置合適的通信距離，測(cè)試模型如圖6所示。

圖6 檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試模型

系統(tǒng)上電或復(fù)位后，系統(tǒng)開始檢測(cè)。表1是實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，無論哪一條線纜出現(xiàn)故障，控制中心都能實(shí)時(shí)顯示故障點(diǎn)位置，管理人員可及時(shí)處理。當(dāng)檢測(cè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，檢測(cè)終端也能顯示相應(yīng)信息。此外，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)供斷電自動(dòng)適應(yīng)，不受被控電纜是否有電影響，可滿足各類復(fù)雜路段的白天、夜晚使用。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

結(jié) 語

電力線通斷在線檢測(cè)，要求檢測(cè)系統(tǒng)能夠在帶電和不帶電時(shí)候進(jìn)行在線檢測(cè),準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位。其中如何減少通信信道數(shù)據(jù)的干擾是關(guān)鍵要素，主要是在3個(gè)方面采取措施:一是終端節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)電纜時(shí)采用接力式輪詢檢測(cè)的方法，即檢測(cè)的順序是沿著電線一端順序往另一方向傳遞，這樣就有效避免了相同時(shí)間同一電纜上的檢測(cè)信息相互干擾；二是檢測(cè)模塊間距要根據(jù)干擾的情況選好，不能太稀疏；三是可以采用算法冗余，5次采集信號(hào)的方法。

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馬銳軍(本科生)，主要研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)、無線通信和計(jì)算機(jī)控制；唐露新(教授)，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器、微機(jī)應(yīng)用、網(wǎng)路測(cè)控技術(shù)、交變磁場(chǎng)腫瘤感應(yīng)熱療與中高頻磁場(chǎng)檢測(cè)、圖像處理及在檢測(cè)控制中的應(yīng)用等；黃潔波(本科生)，主要研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)、無線通信和應(yīng)用電子技術(shù)。

Power Cable and Wireless Protection System Based on Online Carrier Detection

Ma Ruijun，Tang Luxin，Huang Jiebo

(College of Information Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006，China)

This article uses the power carrier communication detection and wireless signal transmission to realize power cable on-off detection. The carrier modules distribute according to certain spacing, adopting FSK and DSSS modulation of the transmission signal, which ensures the anti-interference and transmission distance of signal transmission. Besides, with fault detection algorithm, the data can communicate more reliably on power line segment and on-off detection. Take the advantage of ZigBee wireless communication module to establish a local area network, each test point using relay polling detection method to transmit data through the ZigBee node. The system uses 32 bit ARM microcontroller consisting of embedded wireless gateway. Through accessing GPRS module, it transmits the public network data to a remote server, and then achieves remote management.

power line carrier; ZigBee wireless local area network; GPRS; ARM microcontroller; remote monitoring

省部級(jí)—廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：1184512078)。

TN914.34

A

迪娜

2013-07-24)