李雪

(國(guó)網(wǎng)忻州供電公司,山西忻州 034000)

高壓輸電線路電力塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李雪

(國(guó)網(wǎng)忻州供電公司,山西忻州 034000)

本文根據(jù)高壓輸電線路和電力塔的實(shí)際環(huán)境及位置,設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),避免常規(guī)巡檢手段無(wú)法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱患的弊端?；谧钚碌臒o(wú)線傳輸技術(shù)ZigBee設(shè)計(jì)無(wú)線傳感系統(tǒng),建立高壓輸電線路和電力塔環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò),對(duì)人為破壞、自然災(zāi)害、系統(tǒng)本身故障等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào),實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓線路和電力塔等電力傳輸設(shè)施的安全保護(hù)。

高壓輸電線路 電力塔監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力設(shè)施是與生產(chǎn)、生活密不可分的一部分。高壓輸電線路和電力塔的設(shè)備完好情況以及周邊環(huán)境情況是電能安全遠(yuǎn)程傳輸?shù)年P(guān)鍵。在實(shí)際電力線路傳輸中卻存在眾多可能損害電力設(shè)施的不確定因素，諸如人為損害、自然災(zāi)害等，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，使生產(chǎn)和生活蒙受無(wú)法估量的經(jīng)濟(jì)損失。所以對(duì)高壓線路和電力塔進(jìn)行全方位的因素監(jiān)測(cè)是非常必要的，但是高壓線路和電力塔所處環(huán)境、位置不同，人工監(jiān)測(cè)和維護(hù)成本巨大且操作不方便。論文介紹如何實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓線路和電力塔的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電力設(shè)施建立遠(yuǎn)程的無(wú)線智能信息監(jiān)測(cè)，把各種預(yù)警信息采集遠(yuǎn)程傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)施的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控，減少損失。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及多學(xué)科，它能提高獲取信息的能力，把各種采集信息的傳感器與傳輸信息的網(wǎng)絡(luò)連接在一起組成采集與傳輸網(wǎng)絡(luò)，提供實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，具有可擴(kuò)展、低功耗及智慧化等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)物與物之間信息的交互。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、基站和管理節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。無(wú)線傳感器協(xié)議包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層等。如圖1所示為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般包括電源模塊，傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線傳輸模塊。如圖2所示為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供可靠的能源，并進(jìn)行能源狀態(tài)監(jiān)測(cè)。傳感器模塊是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的前端部分，用來(lái)采集各種被監(jiān)測(cè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同包含各種不同種類的傳感器。處理器模塊接受傳感器采集的各種信息。并進(jìn)行存儲(chǔ)與處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)的整體工作，并控制無(wú)線傳輸模塊的工作。無(wú)線傳輸模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)信息無(wú)線傳輸。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

圖2 所示為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)工作方案比較

電力設(shè)施監(jiān)測(cè)中常用的無(wú)線射頻技術(shù)是一種近距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，無(wú)需重新布線，利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的無(wú)線監(jiān)控。目前，常用的無(wú)線射頻技術(shù)主要有Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等，它們各有特點(diǎn)，下面針對(duì)傳輸速率和傳輸距離的不同進(jìn)行比較和擇優(yōu)選擇。Wi-Fi無(wú)線通信采用IEEE802.llb標(biāo)準(zhǔn)，是目前WLAN的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，工作在2.4GHz，最高支持54M速度。Wi-Fi通信依賴TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)層，通信距離較短，且其功耗較大，故而在一些電源要求苛刻的場(chǎng)合應(yīng)用受限。

藍(lán)牙通信是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，是一種無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規(guī)范。藍(lán)牙采用IEEE802.15.1標(biāo)準(zhǔn)，也采用2.4GHz頻段，其傳輸距離最短，并且最多只能有7個(gè)節(jié)點(diǎn)，在大型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中受限。ZigBee采用IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，是一種新興的短距離、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)率的無(wú)線通信技術(shù)。它是開(kāi)發(fā)有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用的通信技術(shù)。它具有省電、可靠、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全、高保密性等優(yōu)點(diǎn)。目前ZigBee在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。ZigBee具有組網(wǎng)靈活性、流動(dòng)性的特點(diǎn)，可以大大節(jié)約費(fèi)用和精力。其中，應(yīng)用層包括應(yīng)用支持層或應(yīng)用程序接口、ZigBee設(shè)備對(duì)象和由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和維護(hù)，以及命名和綁定服務(wù)，且完成尋址、路由和安全的任務(wù)。應(yīng)用層負(fù)責(zé)為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)通信的服務(wù)。

綜合以上分析，電力設(shè)施的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)方案。監(jiān)控系統(tǒng)中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用星型連接，主要包括了一個(gè)網(wǎng)關(guān)以及若干個(gè)無(wú)線通信子節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)上有一個(gè)無(wú)線收發(fā)模塊，其他的無(wú)線通信子節(jié)點(diǎn)安放在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊，各種信息數(shù)據(jù)可以在主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳輸。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖3 高壓輸電線路和電力塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程高壓線和電力塔監(jiān)測(cè)，對(duì)高壓線和電力塔的溫度、周邊實(shí)時(shí)信息進(jìn)行感知并監(jiān)測(cè)，在遇到認(rèn)為損害或惡劣氣候環(huán)境以及自身運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí)進(jìn)行預(yù)警處理。監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線測(cè)量和傳輸，利用ZigBee棉模塊，通過(guò)布置無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線快速傳輸，從而達(dá)到降低危害的效果。

因?yàn)楦邏壕€和電力塔是高壓電力輸送的骨干傳輸設(shè)施，地域跨度非常大，基本是線性延伸的分布，所以在實(shí)際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了在終端使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為短距離通信方式，需要把監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與簡(jiǎn)單處理后，采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)集中遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)管理模塊，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的要求。系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)部署在高壓輸電線路和電力塔基上，將高壓輸電線路和電力塔的受力、溫度、圖片等環(huán)境參數(shù)采集后進(jìn)行處理，在幾公里或十幾公里的局部范圍內(nèi)，各電力塔之間構(gòu)成一個(gè)相互聯(lián)系的無(wú)線傳感器通信網(wǎng)路。最后再將多個(gè)區(qū)域內(nèi)的信息匯聚以后，通過(guò)以太網(wǎng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回系統(tǒng)管理中心。系統(tǒng)整體分為：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，主控模塊，以太網(wǎng)傳輸模塊，系統(tǒng)管理模塊，安全預(yù)警處理模塊等。其中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊采用CC2430芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)及傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊，完成對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的控制與通信。數(shù)據(jù)采集模塊利用多種傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)布置在高壓線和電力塔上的溫度、壓力、視頻等傳感器對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。主控模塊通過(guò)中央處理器把采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，以獲得設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并控制安全預(yù)警處理模塊進(jìn)行相應(yīng)的安全預(yù)警處理。以太網(wǎng)傳輸模塊利用網(wǎng)絡(luò)接口芯片實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，把采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)管理模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較存儲(chǔ)與處理。系統(tǒng)管理模塊利用高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)用戶管理接口，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)及控制管理。圖3所示為高壓輸電線路和電力塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

高壓輸電線路和電力塔是電能傳輸?shù)暮诵?，電力設(shè)施的完好是關(guān)系到電能安全遠(yuǎn)程傳輸?shù)年P(guān)鍵，對(duì)其進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)是很有必要的。由于高壓輸電線路和電力塔所處環(huán)境復(fù)雜，如果單純依靠人力來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)難度很大。根據(jù)高壓輸電線路和電力塔的特點(diǎn)，利用ZigBee技術(shù)組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)高壓輸電線路和電力塔的環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并處理，最后匯總多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)以太網(wǎng)把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至系統(tǒng)管理中心，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓傳輸線路和電力塔的智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)的這套智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以利用短距離無(wú)線傳輸技術(shù)組建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在被監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置不同類型傳感器，采集需要監(jiān)測(cè)的狀態(tài)信息，利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，再把較大范圍的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸，最終在系統(tǒng)管理中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)高壓輸電線路和電力塔進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免人為或自然災(zāi)害。

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