無線傳感網絡在電力線健康監測中的應用

洪文明

（國家電網 福建安溪供電公司，安溪 350500）

0 引言

隨著能源短缺問題日益嚴峻，供電可靠性要求不斷提高，積極建設智能電網已成為世界電力發展的必然趨勢。我國政府不僅將智能電網上升為國家戰略，而且在產業政策支持、重大科技項目投入、示范工程建設等方面進行了全面部署。到2020年，我國將全面建成統一的堅強智能電網。在輸電環節，智能電網需要對特高壓線路、重要輸電走廊、大跨越、災害多發區的環境參數和運行狀態參數進行集中實時監測，實現輸電線路運行狀態的可控、能控和在控目標[1]。

目前，電力線健康監測的研究主要分為以下兩大類：第一類是對輸電線路覆冰的研究，包括覆冰計算、導線冰風荷載計算及其對電力線斷裂的影響。此類研究通過分析輸電線路所處環境和氣象參數對輸電線路覆冰產生的影響，建立覆冰厚度模型，進而預測覆冰厚度。第二類是電力線覆冰和斷裂的實時監測研究。通過對輸電線路所處環境因素進行實時采集、處理，通過分析這些參數對電力線斷裂的影響，實時監測、預測電力線的健康狀況。當遇到非正常情況，則產生報警信息，以便實時處理異常狀況。然而，目前的輸電線路監測系統在信息采集的全面性和時效性等方面還存在著明顯差距。隨著通信技術和傳感器技術的發展，設計有效的電力線健康監測系統，具有極為重要的意義。

1 現有解決方案的缺陷

人工定時巡檢是最傳統、使用最頻繁的電力線健康監測方式。但是由于高壓輸電線的地理跨度遠、所處環境變化大，往往需要經過山區、河流等，如果采用人工定時巡檢的方式將會耗費大量的人力和物力資源，并且對于那些處于惡劣環境中的輸電線，監測人員無法接近進行檢測，將會產生檢測盲區。尤其是隨著電網覆蓋范圍的日益增大和信息技術的高速發展，這類監測方式正在逐步的被淘汰。

許多國家先后開展了利用小型無人駕駛飛機進行電力線健康狀況監測的研究。在我國，中科院沈陽自動化研究所、武漢大學、山東大學等研究院所也開展了此類研究。但是，這種方式技術復雜、難度較大，系統總體成本較高，不利于在電力線健康監測的應用和推廣。

隨著通信網絡技術的發展，GPRS/GSM技術已經逐漸在電力線健康監測中得到應用。文獻[2]研制了基于GSM短信業務(SMS)的輸電線路覆冰在線監測系統，文獻[3]對輸電線路絕緣子污穢進行在線遙測，利用GPRS網絡將數據傳輸給處理中心。然而，采用GPRS/GSM數據業務方式需要在每個節點上附帶GSM/GPRS模塊，而GSM/GPRS模塊的硬件成本比較高。同時，GPRS/GSM數據業務是收費的，這將會使監測系統的成本額外增加。

2 無線傳感網絡在電力線健康監測中的應用

隨著無線通信、傳感器、微電子技術的發展，無線傳感網絡(WSN，Wireless Sensor Networks)越來越受到關注。無線傳感網絡是由大量的傳感節點組成，分布在其所要監測區域內，以自組織的方式構成無線網絡。無線傳感網絡具有無中心控制節點、高抗毀性、微型靈活部署、自組織、自適應等顯著優點，是《國家中長期科學與技術發展規劃(2006-2020年)》重點發展的前沿技術之一，在智能電網中有著重要的應用價值[4]。

由于無線傳感節點體積小、價廉，適宜于部署在輸電線路和桿塔上， WSN逐漸成為監測輸電線路運行狀態的有效通信手段。尤其在光纜資源緊張、移動公網無法覆蓋的區段，其作用就顯得更為突出。因此，工業界和學術界已在面向輸電線路監測的WSN這一領域做了許多有益的探索[5-10]。國家電力建設研究所已將Crossbow公司的WSN部署在高壓輸線電路和桿塔上，監測大跨越輸電線路的應力、溫度和震動等參數[5]。文獻[6]實驗研究了Mica 2節點所構成的WSN在長距離輸電線路中的傳輸性能。文獻[7]提出了以提高輸電線路可靠性和利用率為目標的WSN初步架構，著重設計和實現了多功能輸電線路傳感器模塊。文獻[8]提出了層次型異構WSN，子網采用Zigbee網絡，骨干網采用基于IEEE 802.11的多跳自組織網絡。文獻[9]利用Zigbee網絡進行短距離數據采集，并通過移動公網把數據傳回監測中心。文獻[10]提出了基于ZigBee的層次性網絡拓撲結構，探討了簇首集群路由協議、節點查詢、數據傳輸速率和網絡安全性等方面的問題。然而，以上研究成果主要探討了WSN的基本概念和網絡/節點的體系結構，未曾深入研究網絡性能的改進策略。因此，還需要開展大量的研究工作，才能充分展示WSN在電力線健康監測的應用前景。

3 結束語

無線傳感網絡具有無中心控制節點、高抗毀性、微型靈活部署、自組織、自適應等顯著優點。

本文在分析現有電力線健康監測解決方案的缺陷的基礎上，總結了已有無線傳感網絡在電力線健康監測中應用的研究成果。本文認為，無線傳感網絡在電力線健康監測中有著廣泛的應用前景。

[1] 國家電網公司. 國家電網智能化規劃總報告. 2010, 3.

[2] 黃新波, 劉家兵, 王向利. 基于GPRS網絡的輸電線路絕緣子污穢在線遙測系統[J]. 電力系統自動化, 2004, 21(5): 21-25.

[3] 黃新波,孫欽東, 丁建國, 張冠軍, 劉家兵. 基于GSM/SMS的輸電線路覆冰在線監測系統[J].電力自動化設備,2008, 28(5): 27-31.

[4] V. C. Gungor, B. Lu, and G. P. Hancke. Opportunities and Challenges of Wireless Sensor Networks in Smart Grid.IEEE Transactions on Industrial Electronics, 57(10): 3557-3564, 2010.

[5] Crossbow公司. 無線傳感器網絡與電力系統. www.xbow.com.cn/wsn/pdf/WSN_電力系統. pdf

[6] S. Gumbo and H. N. Muyingi. Performance Investigation of Wireless Sensor Network for Long Distance Overhead Power Lines: Mica2 Motes, A Case Study. Third International Conference Broadband Communications,Information Technology & Biomedical Applications(Broadcom’ 08), 2008, Gauteng, South Africa, 443-450.

[7] Y. Yang, D. Divan, R. G. Harley, and T. G. Habetler.Design and Implementation of Power Line Sensornet for Overhead Transmission Lines. IEEE Power Engineering Society General Meeting 2009(PES’09), 2009, Calgary,USA, pp. 211-218.

[8] 趙增華, 石高濤, 韓雙立, 舒炎泰, 周文濤, 陳建民. 基于無線傳感網絡的高壓輸電線路在線監測系統[J]. 電力系統自動化, 33(19): 80-84, 2009.

[9] 劉芹, 王鋼, 董鏑, 李昭廷, 郝艷捧, 戴棟, 李立, 朱功輝,羅兵. 線路在線監測的自組織自愈無線傳感器網絡方案[J]. 高電壓技術, 36(3): 666-670, 2010.

[10] 桂勛, 馮浩. 基于無線公網和ZigBee無線傳感器網絡技術的輸電線路綜合監測系統[J]. 電網技術, 32(20): 40-43, 2008.