基于無線傳感網(wǎng)的智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)的研制

吳衛(wèi)華 ，唐 健 ，楊瑞景 ，王 斌 ，李勇輝 ，龍福剛 ，張鳳國

（1.貴州電網(wǎng)公司興義供電局，貴州 興義 562400；2.北京國電海明科技發(fā)展有限公司，北京 100081）

智能電網(wǎng)建設是我國電力行業(yè)的頭等大事，未來十年將取得飛速發(fā)展。智能電網(wǎng)數(shù)字傳感器作為關鍵性的技術之一，需要進行重新設計和研發(fā)，實現(xiàn)高度智能化、集成化和長壽命。

只有解決了用量最大的傳感器問題，才能保證整個智能電網(wǎng)建設的成功。智能電網(wǎng)建立在集成的高速雙向通信網(wǎng)絡的基礎上，通過應用先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術應用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標。其主要特征包括自愈、激勵和保護用戶、抵御攻擊、提供滿足21世紀用戶需求的電能質量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、啟動電力市場以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運行。

本文研制的智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的“眼睛”，是智能電網(wǎng)的最基本構成部分，該傳感器將廣泛用于電力建設的一線運行線路，對智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略具有突出的貢獻。

1 智能電網(wǎng)線路傳感器的設計方案

由于傳統(tǒng)傳感器都是單參數(shù)檢測，無法實現(xiàn)智能化、高精度、復合多參數(shù)集成和中小型化，因此本文綜合現(xiàn)代電力電子技術、電源技術、傳感技術和GPRS通信技術，研制開發(fā)出一種新型智能電網(wǎng)集成線路傳感器。該傳感器能夠實現(xiàn)對輸電和配電線路的電場、負荷電流、導線溫度、線路風偏、線路舞動和覆冰等7種參數(shù)的實時監(jiān)測。可方便地面監(jiān)控人員及時獲取線路當前運行狀況，對運行狀態(tài)作出評估，并及時采取措施加以維護或維修。該智能電網(wǎng)線路傳感器的系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 智能電網(wǎng)傳感器系統(tǒng)結構圖

1.1 感應取電設計

智能電網(wǎng)線路傳感器是一款從高壓母線上提取能量供電，實現(xiàn)同時監(jiān)測輸電和配電線路的運行電場、負荷電流、導線溫度、線路風偏、舞動和覆冰等7種參數(shù)的集成傳感器。該傳感器采用專用高效互感器技術和特殊能源轉換芯片解決目前的高壓隔離和電壓供電不穩(wěn)的難題，實現(xiàn)從高壓輸電線路直接獲取低壓電源，在提高電網(wǎng)供電可靠性、減少事故隱患及保障安全生產(chǎn)等方面具有積極的意義。

整個在線感應取電結構框圖如圖2所示。由于一次側電流變化范圍較大，在正常的電流變化范圍內(nèi)，特制的線圈直接從一次側感應出交流電壓，經(jīng)過前端沖擊保護電路、整流濾波電路后輸出直流電，為后端系統(tǒng)提供足夠的能量。當一次側電流較小，感應出的電能不能滿足后端采集系統(tǒng)的需要時，運用超級電容儲存的電能供電。當一次側電流較大，感應出的電能大大超過后端采集系統(tǒng)的需要時，可通過電壓取樣和保護電路來保證后端溫度采集系統(tǒng)的安全運行，同時給超級電容充電儲能，以便在感應取電電能不足時使用。

圖2 在線感應取電裝置框圖

當一次側發(fā)生短路故障時，暫態(tài)電流可能達到數(shù)十千安，會在感應線圈中產(chǎn)生沖擊電流，但在經(jīng)過前端沖擊保護電路以及后續(xù)電路的多重保護后，完全可以將輸入到模塊的電壓值箝位到允許電壓以內(nèi)，保護了后端子電路的安全。

1.2 智能微控制器

本文研制的傳感器硬件系統(tǒng)CPU單元采用德州儀器公司的MSP430微控制器，該微控制器具有低供電電壓范圍、豐富的片上外圍模塊、多種時鐘模塊、強大的處理能力、方便高效的開發(fā)方式、高安全性、管腳功能封裝的兼容性等特點。

由于該傳感器的設計采用在線感應取能供電，因此該傳感器必須具備低功耗、小體積等特點，所以選用MSP430。而且該微控制器在線系統(tǒng)設計、開發(fā)調試及實際應用上都表現(xiàn)出非常明顯的優(yōu)勢。

1.3 射頻處理電路

由于該傳感器采用無線的方式進行數(shù)據(jù)傳送，因此必須具有無線通信的處理電路及相關模塊。GPRS數(shù)傳終端系統(tǒng)為用戶提供永遠在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡；可提供點對點、外圍設備間、外圍設備與中心節(jié)點之間的通信方式，適用于信息互傳、遠程數(shù)據(jù)采集等；可實現(xiàn)點對點、中心對多點以及多點之間實時、對等的數(shù)據(jù)傳輸。中心對多點的傳輸方式是電力等行業(yè)較常見的應用。

由于GPRS的這些特點，所有在線的線路傳感器都可以同時向數(shù)據(jù)采集站發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。但是GPRS通信必須在有GPRS信號的情況下才能進行數(shù)據(jù)通信，因此，為了在沒有GPRS信號的情況下也能把傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到千米以外的數(shù)據(jù)采集站，該傳感器同時采用433 MHz的無線通信方式，這樣就可以保證傳感器采集的數(shù)據(jù)能夠實時地發(fā)送至數(shù)據(jù)采集站。

本文無線射頻模塊采用上海邏迅信息科技有限公司的“Smart Port-Wireless USB”無線收發(fā)模塊，該模塊具有體積小、功耗低和傳輸距離遠等優(yōu)點。

2 在線傳感器的軟件設計

在具備線路傳感器的同時，為了實現(xiàn)輸配電線路的實時檢測，必須具有對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理的軟件系統(tǒng)。在傳感器硬件設計的基礎上，本文把整個系統(tǒng)管理分析軟件開發(fā)完畢，可以對全線路安裝的在線監(jiān)測設備采集裝置進行數(shù)據(jù)管理，按照指定的時間間隔自動與每個監(jiān)測儀通信，讀取測量數(shù)據(jù)，保存在數(shù)據(jù)庫中，并能夠作誤差初步處理，計算平均值。能夠根據(jù)要求采用一定的判斷規(guī)則對所測量的數(shù)據(jù)進行分析，給出每個被監(jiān)測設備的工作參數(shù)，當出現(xiàn)潛在的故障威脅時發(fā)出故障預警信號報警或發(fā)送短信到指定手機上。程序的功能結構如圖3所示。

圖3 程序的功能結構圖

3 無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)

無線傳感器網(wǎng)絡 WSN （Wireless Sensor Network）通常是由一組帶有嵌入式處理器、傳感器以及無線收發(fā)裝置的節(jié)點以自組織的方式構成的無線網(wǎng)絡，通過節(jié)點間的協(xié)同工作來采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中的目標信息。典型的WSN網(wǎng)絡架構如圖4所示。

圖4 WSN的典型網(wǎng)絡架構

利用無線傳感器網(wǎng)絡可以簡單方便地獲取輸電和配電線路的運行電壓、負荷電流、導線溫度、線路風偏及線路舞動等參數(shù)，同時通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到千米外的數(shù)據(jù)采集站，為電網(wǎng)運行和管理人員提供更為全面、完整的電網(wǎng)運營數(shù)據(jù)，有利于決策系統(tǒng)控制實施方案和應對預案，使其成為智能電網(wǎng)的有效組成部分。

無線傳感器網(wǎng)絡將傳統(tǒng)的傳感器信息獲取技術從獨立的單一化模式向集成化、微型化、網(wǎng)絡化和智能化方向發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡由隨機分布的集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點通過自組織的方式構成網(wǎng)絡，借助于節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器進行測量，采用短距離的無線低功率通信技術，能夠協(xié)作地感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象的信息，并傳送給觀測者。

在不同應用中，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的組成不盡相同，但一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源這4部分組成。無線傳感器的類型由被監(jiān)測物理信號的形式?jīng)Q定。處理器通常選用嵌入式CPU，數(shù)據(jù)傳輸單元主要由低功耗、短距離的無線通信模塊組成。無線傳感器網(wǎng)絡體系構架如圖5所示。

圖5 無線傳感器網(wǎng)絡體系構架圖

數(shù)據(jù)采集層主要是對各個電力設備以及變電站設備進行實時的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。通過無線傳感器節(jié)點的部署，對不同設備進行信息采集時，節(jié)點上裝備的無線傳感器不同。這些節(jié)點按照區(qū)域進行劃分，每一個區(qū)域的數(shù)據(jù)存儲在對應變電站的存儲器中，存儲器對采集的數(shù)據(jù)進行初步處理，然后加上地域標簽傳輸?shù)缴弦粚印?/p>

數(shù)據(jù)傳輸層分為變電站層級、區(qū)級、縣市級、省級國家級4個級別。上一層的數(shù)據(jù)管理中心可以查看下一層的數(shù)據(jù)，下一層的數(shù)據(jù)管理中心有義務定時地向上一層的數(shù)據(jù)管理中心上傳最新采集的數(shù)據(jù)。不同的層向上一層提交數(shù)據(jù)的時間間隔是不同的。

數(shù)據(jù)處理層不同，其數(shù)據(jù)處理能力也是不同的，因此得到的數(shù)據(jù)形式和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不同。第一層是在無線傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)進行簡單處理，主要是去掉冗余的數(shù)據(jù)；第二層是各個變電站將自己管轄范圍內(nèi)的各個區(qū)域的數(shù)據(jù)收集后，周期性地進行處理，確定是否該區(qū)域有異常事件發(fā)生，并將一些基本的檢測數(shù)據(jù)進行上傳；第三、四層分別是區(qū)級、市縣級的數(shù)據(jù)處理，分別確定該級別的數(shù)據(jù)是否有異常，并做好備份處理；最后是國家級的數(shù)據(jù)收集處理中心，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一格式的存儲和管理。

應用系統(tǒng)層主要是對不同層次的數(shù)據(jù)進行分析處理，并進行相應的預測和故障排除。及時地預報電力元件是否出現(xiàn)或將會故障，如果出現(xiàn)故障，則分析問題出現(xiàn)在何處，是什么原因造成的，并將分析結果提供給維修人員進行相應的維修處理。

4 基于無線傳感網(wǎng)的線路傳感器系統(tǒng)

智能電網(wǎng)線路傳感器在線監(jiān)測系統(tǒng)通過各種探測器探測到輸電和配電線路的溫度、濕度、風速、風向、泄漏電流、覆冰狀況、視頻圖像或圖片等數(shù)字化信息，通過GPRS/CDMA通道上傳到輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測監(jiān)視中心，實現(xiàn)輸配電線路的實時檢測。其系統(tǒng)結構原理圖如圖6所示。

圖6 在線傳感器系統(tǒng)原理示意圖

本智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)的成功研究為我國智能電網(wǎng)建設做出了基礎性和革命性的貢獻，極大提高我國數(shù)字智能電網(wǎng)的整體技術水平。本文不僅介紹了智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)的組成，而且研究開發(fā)了功能完善的監(jiān)測分析軟件，最終形成一套實用的智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)為智能電網(wǎng)電力線的實時狀態(tài)進行檢測，保證電力線的正常運行，在提高電網(wǎng)供電可靠性、減少事故隱患、保障安全生產(chǎn)等方面具有積極意義。

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