4G轉(zhuǎn)WIFI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)

鄧紅雷，師留陽

(華南理工大學 電力學院，廣東 廣州510640)

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4G轉(zhuǎn)WIFI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)

鄧紅雷，師留陽

(華南理工大學 電力學院，廣東 廣州510640)

摘要：提出一種新的解決輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送的通信網(wǎng)絡(luò)方法——基于4G轉(zhuǎn)WIFI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)。該方法通過數(shù)據(jù)匯集平臺和云平臺，將數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和后端數(shù)據(jù)平臺連接，實現(xiàn)輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理、發(fā)送和顯示整個過程。系統(tǒng)具有傳輸速度快、監(jiān)測范圍廣、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方便等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：4G轉(zhuǎn)WIFI；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)；云平臺

輸電線路作為電力系統(tǒng)重要電力設(shè)施，對于電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟運行極為關(guān)鍵。特別是隨著輸電線路電壓等級的不斷提高，對輸電線路的安全運行進行在線監(jiān)測顯得尤為重要。國內(nèi)外專家和學者[1-14]對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在輸電線路在線監(jiān)測的應(yīng)用進行了研究，目前應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)主要包括衛(wèi)星通信、通用無線分組業(yè)務(wù)(generalpacketradioservice,GPRS)、ZigBee、3G、4G和無線保真(wirelessfidelity,WIFI)，其中衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)通信量大，但發(fā)送有延遲，易受太陽活動及氣候影響；ZigBee免費頻段，時延小，容量大，但數(shù)據(jù)傳輸速率較低；GPRS、3G、4G均利用公網(wǎng)，無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測范圍廣，但需要運營費用，GPRS數(shù)據(jù)傳輸速率較低，3G和4G都比較高；WIFI建設(shè)網(wǎng)絡(luò)方便，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，但監(jiān)測范圍小。高壓輸電線路現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境復雜，線路運行電壓高，容量大，會產(chǎn)生一定的電磁干擾，對無線網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)生影響。文獻[15]表明當頻率超過20MHz后，干擾水平很小，4G和WIFI無線通信技術(shù)工作頻率都遠大于20MHz，因此幾乎不用考慮高壓輸電線路復雜環(huán)境對于4G和WIFI無線網(wǎng)絡(luò)通信的強干擾影響。綜合考慮上述無線通信技術(shù)的優(yōu)缺點，本文提出了一種基于4G轉(zhuǎn)WIFI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測現(xiàn)場采用WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，充分利用其建設(shè)網(wǎng)絡(luò)簡單、通信速率較高的優(yōu)點；遠程通信采用4G通信方式，該方式無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，利用公網(wǎng)，監(jiān)測范圍廣，數(shù)據(jù)發(fā)送快；WIFI無線網(wǎng)絡(luò)和4G通信可以通過4G轉(zhuǎn)WIFI模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)發(fā)送。該系統(tǒng)具有傳輸速度快、監(jiān)測范圍廣、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方便等優(yōu)點。本文首先介紹了4G轉(zhuǎn)WIFI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，然后闡述了各個部分的作用和特點，著重說明數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)過程。

1基于4G轉(zhuǎn)WIFI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信兩個核心問題，提出了4G轉(zhuǎn)WIFI無線網(wǎng)絡(luò)方案，通過數(shù)據(jù)匯集平臺和云平臺將數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和后端數(shù)據(jù)平臺連接，實現(xiàn)輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理、發(fā)送和顯示整個過程。傳感器節(jié)點采集到監(jiān)測對象的信息通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)匯總平臺；數(shù)據(jù)匯總平臺信息通過4G公網(wǎng)發(fā)送到云平臺；最后用戶通過后端數(shù)據(jù)平臺訪問云平臺獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對輸電線路的在線監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　4G轉(zhuǎn)WIFI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)

2數(shù)據(jù)采集網(wǎng)

基于4G轉(zhuǎn)WIFI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)部分主要包括監(jiān)測區(qū)域、監(jiān)測對象、傳感節(jié)點等。監(jiān)測區(qū)域給出了所要監(jiān)測輸電線路對象的具體位置和現(xiàn)場環(huán)境；監(jiān)測對象則指出了要監(jiān)測的輸電線路具體對象；傳感器節(jié)點給出了數(shù)據(jù)采集裝置傳感器的安裝位置和類型。這三部分的選擇關(guān)系到能否采集正確監(jiān)測信息，需要認真分析研究，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文提出的輸電線路數(shù)據(jù)采集網(wǎng)采用WIFI無線網(wǎng)絡(luò)進行采集數(shù)據(jù)的發(fā)送，使傳感器節(jié)點、監(jiān)測對象和監(jiān)測區(qū)域組成的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)與傳統(tǒng)方式有所不同。由于WIFI無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率快，傳感器節(jié)點數(shù)可以根據(jù)需要相應(yīng)的增加，同樣的時間內(nèi)可以發(fā)送更多的數(shù)據(jù)，采集更多的對象信息；WIFI無線網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測區(qū)域范圍形成的局域網(wǎng)絡(luò)，傳感節(jié)點可以隨時接入網(wǎng)絡(luò)，大大方便了傳感節(jié)點的布置和安裝工作，對于監(jiān)測對象和區(qū)域的選擇更加靈活。

3數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)

基于4G轉(zhuǎn)WIFI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)由WIFI無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)匯集平臺、4G通信網(wǎng)絡(luò)和云平臺組成，其中監(jiān)測現(xiàn)場采用WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，充分利用其建設(shè)網(wǎng)簡單、通信速率較高的優(yōu)點；遠程通信采用4G通信方式，該方式無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測范圍廣，數(shù)據(jù)發(fā)送快；同時通過4G轉(zhuǎn)WIFI模塊實現(xiàn)兩種不同方式的通信網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)發(fā)送。傳感器采集數(shù)據(jù)通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)匯集平臺進行簡單分類和處理，之后再通過4G通信網(wǎng)絡(luò)將處理后數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠程通信發(fā)送到云平臺。

3.1WIFI無線網(wǎng)絡(luò)

由于輸電線路監(jiān)測區(qū)域?qū)ο笮枰杉男畔⒎植疾患?，對于傳感器的安裝和數(shù)據(jù)采集都有了更高的要求，傳統(tǒng)有線的方式已經(jīng)不能滿足監(jiān)測的需要，無線方式進行數(shù)據(jù)的采集得以廣泛采用，本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)WIFI模塊來產(chǎn)生WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，與傳感器節(jié)點組成WIFI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該無線網(wǎng)絡(luò)通信速率較快，可以滿足分布式傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的要求，傳感節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)匯總平臺，傳輸線路如圖3所示。

圖3　WIFI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖3可知，WIFI無線網(wǎng)絡(luò)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)WIFI模塊實現(xiàn)，電源采用太陽能發(fā)電或者蓄電池。產(chǎn)生的WIFI無線網(wǎng)絡(luò)分布在監(jiān)測對象周圍，各個傳感器節(jié)點可以隨時接入該無線網(wǎng)絡(luò)，形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。相比于其他無線通信方式，WIFI無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方便，只需要簡單數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換WIFI模塊即可產(chǎn)生用于通信的無線網(wǎng)絡(luò)，裝置設(shè)備較小，易于安裝；WIFI無線網(wǎng)絡(luò)通信速率高，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時發(fā)送，發(fā)送數(shù)據(jù)容量大，可以實現(xiàn)多個傳感節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)；WIFI無線網(wǎng)絡(luò)可以在監(jiān)測現(xiàn)場形成一個較大的局域網(wǎng)絡(luò)，分布在監(jiān)測對象附近，便于傳感節(jié)點隨時接入，滿足輸電線路分布式傳感節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的要求，大大提高數(shù)據(jù)發(fā)送效率。

3.2數(shù)據(jù)匯集平臺

數(shù)據(jù)匯集平臺實現(xiàn)對傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的匯總、處理和發(fā)送，實際上就是一個軟硬件主機平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、處理和發(fā)送，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)匯總平臺結(jié)構(gòu)框

從圖4可看到，數(shù)據(jù)匯集平臺連接WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)WIFI通信協(xié)議，通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測現(xiàn)場傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)匯集平臺的數(shù)據(jù)匯總模塊；對已經(jīng)接收到的無線傳感節(jié)點數(shù)據(jù)信息進行分類處理和緩存，每個傳感節(jié)點擁有自己獨立的數(shù)據(jù)處理和緩存區(qū)域，相互之間沒有影響，同時將數(shù)據(jù)按1到n順序排好，方便后續(xù)數(shù)據(jù)的發(fā)送；經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)發(fā)送部分按照緩存時的數(shù)據(jù)順序發(fā)送，發(fā)送數(shù)據(jù)利用4G通信公網(wǎng)，發(fā)送到云平臺。

3.34G通信網(wǎng)絡(luò)

4G通信網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)匯集節(jié)點與云平臺，實現(xiàn)傳感節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送。輸電線路周圍覆蓋通信公網(wǎng)4G信號，4G模塊插入SIM數(shù)據(jù)卡后，通過天線模塊接收4G信號，具體實現(xiàn)過程如圖5所示。

圖5　4G通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖5可看到，數(shù)據(jù)匯集平臺接入由4G轉(zhuǎn)換WIFI模塊產(chǎn)生的WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，將之前處理過的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)通過該無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，由天線模塊接收，然后利用帶有客戶識別模塊數(shù)據(jù)卡4G模塊通過天線模塊接收4G信號，接入4G通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺。與其他的遠程通信相比，該4G通信網(wǎng)絡(luò)通信速率較高，無需重新建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，實時數(shù)據(jù)發(fā)送，覆蓋范圍廣。

3.4云平臺

基于4G轉(zhuǎn)WIFI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)采用云平臺作為監(jiān)測數(shù)據(jù)的后臺存儲平臺，與后端數(shù)據(jù)平臺相呼應(yīng)，一方面：改變了原有的遠距離數(shù)據(jù)通信模式，以往都是將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到后端數(shù)據(jù)平臺，通信距離遠，通信時間長，通信效率較低，采用云平臺則可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)就地上傳，利用4G通信基站直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器中，由云平臺對數(shù)據(jù)進行存儲；另一方面：云平臺的提出也可以實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)的接收和存儲，只需要能夠上網(wǎng)，人們便可以通過后端數(shù)據(jù)平臺隨時隨地訪問云平臺的數(shù)據(jù)，監(jiān)測輸電線路的運行狀態(tài)。

4后端數(shù)據(jù)平臺

后端數(shù)據(jù)平臺是基于4G轉(zhuǎn)WIFI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)的終端部分，對數(shù)據(jù)進行分析，通過界面形式呈現(xiàn)出來，供用戶來獲取輸電線路監(jiān)測區(qū)域里監(jiān)測對象的實際運行狀況，反映輸電線路運行的正常與否，如圖6所示。

圖6　后端數(shù)據(jù)平臺結(jié)構(gòu)

從圖6可了解到，后端數(shù)據(jù)平臺可對輸電線路的運行狀況給出評價，預測輸電線路監(jiān)測對象運行狀況，給出監(jiān)測對象風險評估方案。

5結(jié)束語

綜合考慮目前各種無線通信技術(shù)的優(yōu)缺點，提出了一種新的解決輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送的通信網(wǎng)絡(luò)方法——基于4G轉(zhuǎn)WIFI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和后端數(shù)據(jù)平臺三部分組成，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)通過數(shù)據(jù)匯總平臺連接，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和后端數(shù)據(jù)平臺通過云平臺連接。傳感器節(jié)點利用WIFI無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)匯集節(jié)點，數(shù)據(jù)匯集節(jié)點利用4G通信公網(wǎng)發(fā)送到云平臺，用戶再通過云平臺獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷輸電線路的運行狀態(tài)，從理論上闡述了該方案的可行性，并將應(yīng)用到東莞供電局“輸電鐵塔動態(tài)風荷載風險評估研究”的在線監(jiān)測系統(tǒng)中，對提高該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度將起到非常重要的作用。

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Monitoring System for Power Transmission lines Based on 4G Transforming intoWIFIWirelessSensorNetwork

DENG Honglei, SHI Liuyang

(SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510640,China)

Abstract：Thispaperpresentsanewkindofcommunicationnetworksolutionfordatasendingofmonitoringsystemforpowertransmissionlinesnamedmonitoringsystemforpowertransmissionlinesbasedon4GtransformingintoWIFIwirelesssensornetwork.Bydataacquisitionplatformandcloudplatform,itisabletoconnectdataacquisitionnetwork,datacommunicationnetworkandrear-enddataplatformsoastorealizethewholeprocessofmonitoringdataacquisition,processing,sendinganddisplayofpowertransmissionlines.Thissystemhasadvantagesoffasttransmissionspeed,widemonitoringrange,convenientnetworkconstruction.

Keywords：4GtransformsintoWIFI;wirelesssensornetwork;monitoringsystemforpowertransmissionline;datacommunicationnetwork;cloudplatform

收稿日期：2016-01-08修回日期：2016-03-11

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.021

中圖分類號：TM764

文獻標志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)06-0117-04

作者簡介：

鄧紅雷(1975)，男，湖南武岡人。副教授，工學博士，主要研究方向為輸電線路電力設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷。

師留陽(1991)，男，河南周口人。在讀碩士研究生，主要研究方向為輸電線路在線監(jiān)測。

(編輯王夏慧)