基于無線傳感器網絡的電網防雷技術

楊天貴

(中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣州市 510405)

0 引言

雷擊是影響電網安全穩定運行的重要因素之一。電網故障分類統計表明，在我國運行的高壓線路總跳閘次數中，由雷擊引起的跳閘占40% ～70%，嚴重影響了社會經濟的平穩運行與發展。每年各級供電單位需統計轄區內雷電的活動情況，通過分析雷電活動的頻次、雷擊地點，來表征該區域遭受雷害的分布情況，從而對電網雷擊進行防護［1］。

對電網采取全面可靠的防雷措施是電網保護的重點工作內容，雖然各類防雷裝置的應用范圍逐步擴大，但受其保護能力及造價限制，在輸電線路全線裝設并不現實，因此需要一種能表征電網雷害分布、指導輸電線路實施防雷保護的技術。

本文將研究一種新型電網雷害實時監測與分析管理系統，根據線路的具體情況(如桿塔高度、絕緣子數量、桿塔所處的地形地貌和地質條件等)布置無線傳感器節點［2］。該系統能通過前端傳感器網絡實時監測電網防雷設備的運行情況，包括前端避雷器狀態監測數據、雷擊時的各種實時雷電參數等，通過傳感器網絡多跳傳送至主控監測中心分析服務平臺。相關管理人員可及時了解電網防雷設備的運行狀況、同時實時檢測雷電流波形，及時分析出雷擊的形式和故障地點，為準確判斷輸電線路雷害成因提供證據，以便改進輸電線路的防雷體系。

1 系統功能設計

雷擊所造成的故障跳閘事故一般有3種成因，基于傳感器的電網雷害實時監測與分析管理系統需針對不同情況進行相應的功能設計。雷擊事故發生的原因大致有:

(1)線路避雷器分布點少，雷擊直接擊穿絕緣子導致線路發生接地故障，此類情況多發生在郊區。

(2)因變壓器接地網殘舊或人為破壞，造成變壓器防雷功能完全失效，雷擊的破壞性電流燒毀變壓器;或變壓器上的避雷器存在質量問題，導致受雷害時避雷器產生隱蔽的故障點，情況嚴重時將導致輸電線路全接地;或脫掛式避雷器由于產品質量問題在雷擊時不能及時脫開，從而造成隱蔽故障點。

(3)各類避雷器產品的進貨量大，不能對每件產品都進行試驗，部分產品參數與實際參數不一致，雷擊跳閘時容易發生不動作現象。低壓避雷器很容易受強雷擊而擊穿，特別是位于空曠地帶的低壓線路［3］。

傳感器網絡作為通信領域的新興技術，具有分布式處理系統的高監測精度、高容錯性、覆蓋區域大、可遠程遙測遙控、自組織、多跳路由等優點，無須另外設置基站，且具有很強的抗毀能力，能在各種極端的惡劣條件下穩定運行。本文研究的電網雷害實時監測與分析管理系統，需具有以下功能:

(1)實時監測整個配電網系統，包括鋼塔、線路的雷擊參數，記錄遭受雷擊時的電流、電壓參數，判斷出雷擊的形式和發生位置。利用前端電流傳感器，實時檢測雷電流波形，及時分析出雷擊形式和故障地點，為準確判斷輸電線路雷害的成因提供證據，以便改進輸電線路的防雷體系。

(2)實時監測避雷器的工作狀態，利用前端電流傳感器監測避雷器全泄漏電流。主控監測中心服務系統對數據包進行打包解析，分解出避雷器的電流、電壓數據［4］，對避雷器的各相數據進行處理，并對避雷器的運行狀態進行分析，對其故障進行診斷和預警。

(3)實時監測電網的運行環境與狀態，利用各類傳感器實時監測電網外部環境數據與硬件設備狀態，包括外部溫度、濕度、磁場、風力、風向、設備腐蝕度、設備運行參數監測等。

2 前端數據采集多傳感器節點的實現

雷害實時監測與分析管理系統包括前端數據采集節點和多跳路由傳感器網絡架構。前端數據采集節點承擔著采集各類開關量、物理量的任務，節點必須設計成通用傳感器接口，實現與不同類型的傳感器連接。該節點主要由電源模塊、信號調理電路、數據采集與處理模塊、無線通信模塊組成。數據采集節點的硬件體系結構如圖1所示。

圖1 數據采集節點的硬件體系結構Fig.1 Hardware system structure of data acquisition node

下面介紹各個功能模塊單元的實現。

(1)電源模塊電路設計。電源模塊采用的電源芯片為AMS1117，將5 V的外部電源電源直接供給電源芯片，即輸出3.3 V和1.8 V的電源電壓。整個節點系統采用5 V電壓供電，各個芯片的工作電壓由電源轉換芯片提供，主要含有 5、3.3、1.8 V這3種電源。其中，信號調理電路采用5 V的工作電源，TMS320F2812系列DSP的I/O電源為3.3 V，內核電源則為1.8 V。LPC213X微控制器的工作電壓范圍為3.0～3.6 V，I/O口可承受5 V的電壓。

(2)信號調理電路的設計。設計信號調理電路的目的是將各類傳感器傳輸的信號進行放大、濾波，再送到數據采集與處理單元進行邏輯處理。由前端傳感器采集的模擬電壓、電流信號強度一般較小，為mV級別，必須放大達到處理單元可以識別的0～3 V范圍。由于監測配電網的實時信號，必須實現多傳感器高速信號同時進行調理，因此要求運算放大器的轉換速率高、帶寬足夠大。本文選用了高阻抗運算放大器CA3140進行設計，其高寬帶和低噪聲的特點保證了信號轉換的穩定。本文設計的信號調理電路包括2級放大，因此選擇2個CA3140運算放大器逐級放大。

(3)數據采集與處理模塊電路的設計。數據采集與處理模塊是前端數據采集節點的計算核心，執行同時與多路傳感器的數據通訊任務。處理器的集成度要盡量高，有足夠的外部通用 I/O和通信接口，使整個系統的處理器外圍電路盡量簡單，以便減小整個節點的尺寸。鑒于數字信號處理器(digital singnal processor，DSP)在數字信號處理方面的優越性能，并考慮到不同型號 DSP的性能參數及成本，綜合配電網防雷所需的計算要求，最終選擇采用 TI公司的DSP芯片TMS320F2812負責數據的采集和處理。

(4)無線通信模塊設計。各類數據在采集、處理后，通過無線通信模塊進行傳輸。無線通信模塊硬件組成如圖2所示。其中 LPC213X微控制器為PHILIPS公司推出的支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位處理器［5］，內置了寬幅串行通信接口和8/16/32 kB的片內SRAM，以及多達9個邊沿或高低電平觸發的外部中斷口。AD7705模數轉換接口芯片是AD公司推出的16位A/D轉換器，其帶有兼容串行接口，能直接與LPC213X控制器連接，對采集的傳感器信號進行A/D轉換。為適應突發雷擊時的大量數據傳輸要求，系統外接外部存儲器SST39VF1601，用于保存原始數據和需要掉電保護的歷史數據。射頻天線采用單片射頻收發芯片nrf401為核心，有效傳輸距離可達2 km。

圖2 無線通信模塊硬件原理Fig.2 Hardware schematic diagram of wireless communication module

3 多跳數據傳輸的傳感器網絡構架

電網的寬幅跨度、復雜地形對傳感器網絡的服務質量(quality of service，QoS)機制提出了較高要求，如何設計適應網絡結構且滿足實時可靠需求的通信協議，成為高數據率無線傳感器網絡設計時的新問題。路由協議的基本目標是為不同服務找到滿足其QoS需求的一條從源節點至匯聚節點的路徑［6］。如圖3所示，需要滿足一系列約束條件，包括:帶寬、時延、丟包率、搜索次數、距離、流量等，進而減少數據量，減輕網絡擁塞，延長網絡的生存時間。

通過配合適當的數據融合方法，在路由層采取以“事件”為中心的數據融合路由協議:數據在向匯聚節點傳遞的過程中，各自尋找最短路徑，即:根據數據的發生區域尋找適當的中間節點，在這些中間節點上對來自多個傳感器節點的數據進行“多入單出”的融合操作后，再向匯聚節點傳遞。在事件驅動型網絡中，數據的形成主要發生在事件區域，網絡中絕大多數節點只有很小的發射范圍，而匯聚節點的發射能力較強，可以滿足網絡QoS的需求，將數據發回遠程控制節點。

圖3 以“事件”為中心的數據融合路由協議Fig.3 Data fusion routing protocol relying on“event”

4 電網雷害實時監測與分析管理系統

電網雷害實時監測與分析管理系統的前端使用傳感器網絡采集電網防雷的相關數據信息，所采集到的數據通過網絡多跳傳送到中心數據庫，終端用戶平臺讀取數據并進行分析管理，及時查找雷擊故障點并進行分析，詳細記錄雷擊故障的損傷情況，同時開展防雷運行總結和分析評估［7-9］，系統的整體結構如圖4所示。

圖4 電網雷害實時監測與分析管理系統Fig.4 Real-time monitoring and analysis system for lightning disturbance on power grid

5 結語

本文設計的電網雷害實時監測與分析管理系統使用傳感器網絡構建數據采集網絡，所采集到的各類數據通過傳感器網絡多跳傳輸至主控監測中心服務系統。由于使用的傳感器節點種類繁多、數據類型不一，無線多跳路由以及自組織方式有利于傳感器節點的大范圍部署和數據傳輸。不依賴于主站和其他通信系統，無需網絡布線，具有部署靈活、低成本的優點;無需固定基站與通信線路，在災害導致固定通信設施毀壞的情況下，依然可以保持穩定工作;無需借助第3方運營商網絡，在山區等無運營商通信信號區域具有獨特優勢。

［1］董超，陳貴海.無線網狀網的QoS研究［J］.軟件學報，2009(6):1539-1552.

［2］劉英亮，叢偉，張潔，等.基于IEC 61850的廣域保護系統通信服務模型［J］.繼電器，2007，35(15):18-21.

［3］殷愛菡，錢飛鵬.自適應調度的增強QoS保證機制［J］.計算機工程與設計，2010，31(3):498-500.

［4］楊贊偉，陽春華.基于GPRS的配電變壓器監測系統［J］.自動化與儀表，2009，24(4):22-25.

［5］關飛，吳小美，劉朝輝.基于GPRS通訊的配變監測管理系統［J］.電測與儀表，2008，45(1):21-23.

［6］Mehdi K，Shiri M E，Mehdi D.Distributed topology control algorithm based on one-and two-hop neighbors’information for ad hoc networks［J］.Computer Communications，2009，32(2):368-375.

［7］郝曉辰，竇晶晶，劉彬.基于路徑損耗的無線傳感器網絡分布式拓撲控制算法［J］.軟件學報，2009，20(12):3213-3222.

［8］張強，孫雨耕，楊挺，等.無線傳感器網絡在智能電網中的應用［J］.中國電力，2010，43(6):31-36.

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