在線載波檢測的電力線纜無線保護系統*

馬銳軍，唐露新，黃潔波

(廣東工業大學 信息工程學院，廣州 510006)

?

在線載波檢測的電力線纜無線保護系統*

馬銳軍，唐露新，黃潔波

(廣東工業大學 信息工程學院，廣州 510006)

采用電力載波通信檢測和無線信號傳輸實現對電力線纜的通斷檢測。載波模塊按照一定間距分布，采用FSK和DSSS的調制傳輸信號，保證傳輸信號的抗干擾和傳輸距離，設計故障檢測算法，實現了數據在電力線上分段可靠通信和通斷檢測。利用ZigBee無線通信模塊建立局域網，每個檢測點采用接力式輪詢檢測的方法，通過ZigBee節點發送數據。采用32位的ARM微控制器組成嵌入式無線網關，通過接入GPRS模塊將公網數據傳送到遠程服務器，實現遠程管理。

電力載波；ZigBee無線局域網；GPRS；ARM微控制器；遠程監控

引 言

電纜線路是電力傳輸最常見的通路，雷擊、山洪暴發、工程建設施工和人為因素等易造成電力線纜中斷損壞。此外，邊遠地區的農用電纜、路燈電纜和高速公路電纜的被盜情況時有發生，給國家造成巨大經濟損失[1]。傳統電力線纜故障都是人工巡檢和維修完成的，無法及時報警。隨著經濟的發展，電力線纜的分布面積不斷擴大，人工巡檢工作量大大增加且工作被動，管理困難。國外低壓電力載波通信無論是應用技術還是理論研究，比較成熟且應用廣泛[2]；而國內，低壓電力線傳送著220 V/50 Hz的電能，諧波干擾大，通信信道干擾強且多變，對電力線纜的檢測，存在誤報率高、故障點定位不準確、檢測功能受電纜帶電情況影響大和系統性價比低等缺點[3-4]，無法真正滿足電力線纜檢測需求。為了能更穩定地隨時在線檢測，更準確地實現故障點定位，更好地提高信號傳輸的抗干擾能力，減少誤報率，本設計采用FSK和DSSS的調制信號的電力載波通信技術，設計故障檢測算法，利用ZigBee和GPRS無線通信技術，設計了一套檢測、管理和報警于一體的線纜故障無線報警系統。

1 系統工作原理

本系統組成如圖1所示，主要包括電力載波通信模塊、ZigBee無線局域網、嵌入式無線網關和遠程監控中心等4部分。在電力線纜上按照一定間距設置電力載波通信模塊，將ZigBee模塊與電力載波通信模塊連接，在一定的區域內組建無線局域網。ZigBee模塊通過串口發送檢測數據，電力載波通信模塊接收到數據后，經特定的放大電路和選頻鑒頻網絡，放大整形、編碼后，形成高頻載波信號，通過耦合電路加載到電力線纜。接收端接收到載波信號，經過選頻解碼電路、整形濾波之后，通過串口將該檢測數據發送到相應的ZigBee模塊。ZigBee模塊對數據進行分析對比，確定通信狀態后，將線纜狀況通過無線局域網發送到網絡協調器，完成對線纜的在線檢測。如果電纜被損壞，信號中斷傳輸，則電力載波通信模塊將故障報文通過ZigBee無線網絡發送到網絡協調器。嵌入式無線網關對網絡協調器的數據進行融合、處理，然后通過接入的GPRS模塊，將數據發送到遠程服務器。服務器對傳回的數據進行交互處理、存儲，并以表格及圖形界面相結合的方式顯示線纜狀況，為電力線纜的運行和維護提供決策依據。

圖1 電力載波檢測無線保護系統工作原理圖

2 電力載波通信模塊

電力載波通信模塊是電力線纜故障檢測的關鍵部件，由于我國低壓電力網絡通信環境比較惡劣，通信信道諧波干擾強且多變，經過載波模塊的技術參數和實驗對比，采用深圳某公司的BWP09電力載波通信模塊,模塊原理框圖如圖2所示。該模塊性能穩定、體積小巧、集成度高，其采用頻移鍵控(FSK)和直序擴頻(DSSS)的調制及編碼技術，抑制噪聲和抗干擾能力強[5-6]，可實現信號在電力線上的可靠傳輸。FSK呼叫方式使信號具有較強的抗干擾能力，在電力載波中得到廣泛應用；DSSS擴頻通信是一種能夠工作于負信噪比條件下的通信方式，抗噪聲性能極強(門限信噪比很低)。兩種通信方式相結合，可提高信號在電力線傳輸下的抗干擾和抗衰落能力，實現數據的穩定傳輸，滿足項目開發需求。

圖2 電力載波通信模塊外形圖

圖2中，A、G為信號端，通過耦合電路接到220 V低壓電力線上。16 V為外接直流電源，電壓與發送功率和信號傳輸距離成正比。+5 V為模塊內部的工作電源。TX是數據發送端, RX是數據接收端，欲發向遠端的信號或數據應從此端接入。模塊的載波中心頻率為114 kHz，載波傳輸速率在300 bps左右調整；帶寬為4～10 KHz；電纜帶電且諧波干擾強時，載波模塊最長通信距離為300 m；當線纜不帶電時，通信距離最遠可達500 m。

線纜上有220 V交流電時，電力載波通信模塊能實現可靠監控檢測。當線纜出故障斷電時，則由蓄電池供電，模塊仍能繼續實現檢測，不會因為線纜斷電而影響檢測。此外，由于線纜斷電，其諧波和線路噪聲對通信信號的影響下降，使信號更能穩定傳輸。因此，不管電纜是否帶電，本設計方案都不會影響防盜報警功能。

3 ZigBee模塊

ZigBee是最近幾年發展很快的一種低功耗、近距離、無線組網通信技術。ZigBee技術采用DSSS擴頻技術，抗干擾能力強，同時具備功耗低、數據傳輸安全可靠、網絡容量大、兼容性好和高性價比等優點。本設計采用的ZigBee無線收發模塊是基于IEEE802.15.4協議棧的CC2530芯片。CC2530能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點，擁有較大的Flash，其存儲容量多達256 KB，系統采用Z-Stack協議棧實現帶有網絡自動功能的星型ZigBee無線網絡[7-8]。

每個電力載波模塊都連接ZigBee無線通信模塊，在一定區域內將整個檢測系統連接成一個網絡。ZigBee網絡中的協調器為每一位節點分配唯一的ID地址，最多可容納的節點數為65 000個節點，相鄰電力載波通信模塊間的最佳有效通信距離為200 m，整個系統可以檢測13 000 km的電力線纜。在整個網絡范圍內，各節點與協調器之間可以相互通信。一方面，協調器可以智能管理各個檢測節點，當檢測節點不工作時，采用休眠和定時喚醒模式，可大大降低電源功耗；另一方面，在整個網絡中，每一個監測節點均負責與其相鄰節點進行通信，共同配合對連接在這兩個節點之間的電纜進行通斷檢測。若線路有故障，信號傳輸中斷，其相應的ZigBee節點會將其自身ID發送到協調器，可實現準確的故障定位。

4 嵌入式無線網關

嵌入式無線網關結構框圖如圖3所示。與檢測節點相比，無線網關要求較強的數據處理能力和運行速度，因此本設計主控制器選擇了以ARM 32位的Cortex-M3 CPU為內核的STM32F103VET6，擁有72 MHz工作頻率，內置高速存儲器(512K的ROM和64K的SRAM)，存儲器的0等待周期訪問時可達1.25 DMIPS/MHz(Dhrystone 2.1)[8]，用來對 ZigBee通信模塊進行相應配置，并接收檢測節點的數據。通過AT指令初始化GPRS通信模塊，利用 TCP/IP協議將網關節點連接到GPRS網絡，通過網絡運營商動態分配的IP地址，與監控中心終端或服務器建立有效連接。

圖3 無線網關結構框圖

其中的GPRS模塊選用SIMCOM公司的SIM900A模塊，它支持GPRS multi-slot class 10/class 8和GPRS編程格式CS-1、CS-2、CS-3以及CS-4[10]，采用了功能強大的ARM926EJ-S雙頻GSM/GPRS模塊，工作頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1800 MHz，工作性能穩定，性價比高[10]。

5 軟件設計

本設計中將ZigBee無線通信模塊與電力載波通信模塊連接，共同完成對電力線纜的檢測。檢測系統中的電力線纜的檢測由電力載波模塊負責，節點之間的信息傳輸通過ZigBee完成。ZigBee組網流程圖如圖4所示，控制中心在上電或復位后，ZigBee協處理器定時廣播加入網絡的請求幀。ZigBee節點接收到廣播信息后，發送組建網絡幀并攜帶其自身地址和層次數，建立無線局域網[11]。在整個ZigBee網絡中，采用兩種不同的信息傳輸方式。協調器采用廣播方式對網絡中的節點進行廣播命令，使節點按照協調器的需要把采集的信息進行數據的傳送；路由和終端設備采用點播的方式將采集到的信息數據點播到協調器上，實現數據的定點定向流動，避免了廣播方式造成網絡中信息的冗余。

圖4 組網流程圖

為了減少通信信道數據的干擾，在同一時間同一電纜上不能存在多個檢測信息，故終端節點在檢測電纜時采用接力式輪詢檢測的方法，即檢測的順序是沿著電線一端順序往另一方向傳遞，這樣就有效避免了相同時間同一電纜上的檢測信息相互干擾，可實現有效便捷的檢測。

如圖5所示，從信號發送端算起，第1個節點不間斷地發送載波信號，載波信號沿電力線路傳遞到節點2進行握手，握手成功，信號再由節點2發送，與節點3握手，一直傳遞到遠端線路檢測節點N。若檢測節點不工作，則進入待機低功耗狀態。若各個節點接收到正確的信息，則線路無故障，本次檢測結束，如此一直循環。

圖5 系統檢測原理圖

當某條電力線路發生故障或異常情況時，位于該故障線路兩端的檢測模塊會重復新一輪的檢測判斷，如果接收端等待超時，則接收端的電力載波檢測節點上的ZigBee將相應的ID地址發送到ZigBee協調器，無線網關對數據進行處理，然后通過接入的GPRS模塊將相關數據發送到遠程服務器。路政人員接到信息后，可以推斷定位出線纜故障所在位置，便可迅速趕往出事地點，進行處理。

在通信過程中，數據傳輸總會受到電力線網絡的載波干擾，因此，在每幀數據的發送和接收中必須采取一定的措施，減少誤報率。本設計采取的算法方案是：每個數據發送5遍，接收時分別將其存入5個寄存器，然后比較5個寄存器中的數據，至少2個寄存器中數據相等即為正確信息，這樣可確保信息傳遞的正確性和可靠性。

6 測試結果

經過多次重復測量，線纜在通電狀態下，相鄰檢測節點的距離為250 m時，接收端通過上位機可收到有效數據。隨著距離增長，通信距離大于330 m時，接收端接收到的數據開始出現亂碼。當線纜在斷電狀態下，相鄰兩個節點之間的通信距離可達400 m。

對檢測系統的性能進行測試，為了提高系統無線組網和載波通信數據傳輸的穩定性和有效性，設置合適的通信距離，測試模型如圖6所示。

圖6 檢測系統測試模型

系統上電或復位后，系統開始檢測。表1是實驗所得結果，無論哪一條線纜出現故障，控制中心都能實時顯示故障點位置，管理人員可及時處理。當檢測設備發生故障時，檢測終端也能顯示相應信息。此外，檢測節點供斷電自動適應，不受被控電纜是否有電影響，可滿足各類復雜路段的白天、夜晚使用。

表1 系統測試結果

結 語

電力線通斷在線檢測，要求檢測系統能夠在帶電和不帶電時候進行在線檢測,準確地實現故障點定位。其中如何減少通信信道數據的干擾是關鍵要素，主要是在3個方面采取措施:一是終端節點在檢測電纜時采用接力式輪詢檢測的方法，即檢測的順序是沿著電線一端順序往另一方向傳遞，這樣就有效避免了相同時間同一電纜上的檢測信息相互干擾；二是檢測模塊間距要根據干擾的情況選好，不能太稀疏；三是可以采用算法冗余，5次采集信號的方法。

[1] 王永紅，宋志佗，鹿中暉，等.我國西南地區通信線纜的安全與防護技術[C]//中國通信學會2009年光纜電纜學術年會論文集，2009：31-33.

[2] 劉洋.基于FSK的電力載波通信SoC芯片設計與驗證[D].武漢：華中科技大學，2012.

[3] 唐妍.高速公路電力電纜_電力設備的智能監測防盜系統研究[D].重慶：重慶大學自動化學院，2011.

[4] 姜鈺梁，譚智力，董彥敏.基于FFT的電網諧波檢測誤差分析與研究[J].電源技術，2012,36(9):1383-1385.

[5] 趙偉，顧霞萍，王宜懷.一種基于FSK制式的智能來電顯示模塊的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2012，29(2):51-53.

[6] 蘇毅，齊昕，劉陽，等.基于載波通信原理的電磁波隨鉆測量技術[J].石油勘探與開發,2013,40(2):226-231.

[7] Kuang-Yow Lian , Sung-Jung Hsiao , Wen-Tsai Sung.Intelligent multi-sensor control system based on innovative technology integration via ZigBee and Wi-Fi networks[J].Journal of Network and Computer Applications, 2012, 36 (2):756-767.

[8] 石繁榮，黃玉清，任珍文.基于ZigBee的多傳感器物聯網無線監測系統[J].電子技術應用，2013,39(3):96-99.

[9] 王海龍，王維俊，張國平，等.基于STM32F103芯片的光伏充電控制器設計[J].微電機，2013(3).

[10] 汝程鵬.基于ARM的北斗導航/GPRS/GIS車輛監控系統設計[J].鐵道運輸與經濟，2013,35(3):80-84.

[11] 申斌，張桂青，汪明，等.基于物聯網的智能家居設計與實現[J].自動化與儀表，2013,28(2):6-10.

馬銳軍(本科生)，主要研究領域為嵌入式系統設計、無線通信和計算機控制；唐露新(教授)，主要研究方向為測控技術與儀器、微機應用、網路測控技術、交變磁場腫瘤感應熱療與中高頻磁場檢測、圖像處理及在檢測控制中的應用等；黃潔波(本科生)，主要研究領域為嵌入式系統設計、無線通信和應用電子技術。

Power Cable and Wireless Protection System Based on Online Carrier Detection

Ma Ruijun，Tang Luxin，Huang Jiebo

(College of Information Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006，China)

This article uses the power carrier communication detection and wireless signal transmission to realize power cable on-off detection. The carrier modules distribute according to certain spacing, adopting FSK and DSSS modulation of the transmission signal, which ensures the anti-interference and transmission distance of signal transmission. Besides, with fault detection algorithm, the data can communicate more reliably on power line segment and on-off detection. Take the advantage of ZigBee wireless communication module to establish a local area network, each test point using relay polling detection method to transmit data through the ZigBee node. The system uses 32 bit ARM microcontroller consisting of embedded wireless gateway. Through accessing GPRS module, it transmits the public network data to a remote server, and then achieves remote management.

power line carrier; ZigBee wireless local area network; GPRS; ARM microcontroller; remote monitoring

省部級—廣東省大學生創新創業訓練項目(項目編號：1184512078)。

TN914.34

A

迪娜

2013-07-24)