基于IEEE 1451的輸電設備智能傳感器的研究與設計

翟少磊，陳葉倩，沈　鑫，李天文，張文斌，李　博，唐　標

(1.云南電網有限責任公司 電力科學研究院，云南 昆明 650217；2.中國南方電網公司電能計量重點實驗室，云南 昆明 650217；3.昆明理工大學，云南 昆明 650500)

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基于IEEE 1451的輸電設備智能傳感器的研究與設計

翟少磊1，2，陳葉倩3，沈鑫1，2，李天文3，張文斌3，李博1，2，唐標1，2

(1.云南電網有限責任公司 電力科學研究院，云南 昆明 650217；2.中國南方電網公司電能計量重點實驗室，云南 昆明 650217；3.昆明理工大學，云南 昆明 650500)

針對輸電設備監測裝置傳感器存在種類多、各廠家規約協議不一致，導致其通用性差，無法即插即用及測試困難等問題，對其進行了標準化設計研究。基于IEEE 1451的輸電設備智能傳感器軟硬件設計、即插即用及網絡化傳輸技術，可實現輸電設備智能傳感器的標準規約輸出、即插即用及網絡化互聯互通。與傳統傳感器比較，其具有協議規范、通用性強及即插即用等特點。

IEEE 1451；輸電設備；智能傳感器

輸電線路的地理環境比較復雜，近年來發生的冰災導致倒塔等事故，使得輸電設備在線監測技術得到廣泛應用。傳感器充當著監測裝置的“眼睛”。現有輸電線路監測傳感器存在各廠家協議不一致、智能化數據處理能力不足，導致后期損壞后更換通用性差、規約測試困難、即插即用無法實現及互聯互通能力弱等問題。隨著智能電網及電力物聯網技術的發展，對傳感器的通用性、智能化及互聯互通能力提出了更高的要求，傳統傳感器已無法滿足需要。另外，相對于變電設備智能傳感器產業化發展，輸電設備智能傳感器在實際應用中仍存在各廠家設計標準混亂等問題，亟需實現基于IEEE 1451的輸電設備智能傳感器設計，滿足相應要求。

本文研究的輸電設備智能傳感器，基于IEEE 1451協議設計，帶有微處理器，可滿足即插即用、網絡化互聯互通，并成功應用于國家863計劃課題“輸變電設備物聯網關鍵技術及應用”示范工程。

1　輸電設備傳感器

1.1輸電設備智能傳感器要求

輸電設備監測裝置由傳感器與主裝置組成。傳感器包括溫濕度傳感器、風速風向傳感器、氣壓傳感器、拉力傳感器、傾角傳感器和攝像頭等。傳感器采集數據信息后采用廠家私有協議上傳至監測裝置，由監測裝置進行數據分析后，按照網省公司標準協議上傳至主站；但傳統傳感器私有協議帶來規約測試困難、后期硬件維護更換通用性差等問題。本文設計的智能傳感器與傳統傳感器相比較，不同要求包括[1]：1)標準的IEEE 1451協議；2)實現即插即用；3)帶有嵌入式微處理器，具有采集、處理和網絡化互聯互通能力。

1.2智能傳感器IEEE 1451協議要求

隨著傳感器的智能化發展，輸電設備能夠采用TEDS智能傳感器，用于高效、可靠地獲取到輸變電設備狀態信息。IEEE 1451協議是由美國國家標準和技術協會(National Institute of Standards and Technology，NIST)制定的智能傳感器標準，該標準一共包含7個相互獨立又成一體的協議標準，其中主要內容包括網絡通信的軟硬件模型、通信接口協議、傳感器的數據操作和TEDS，具體標準見表1。

表1　IEEE 1451系列標準體系

TEDS智能傳感器除了使用通用電子傳感器來輸出模擬信號以外，還提供了傳感器電子數據表格窗口，用于存儲產品編號型號、制造商信息、測量范圍、校正信息與用戶信息，同時提供了可存取存儲器[2]。

IEEE 1451標準定義了傳感器軟件和硬件的接口標準，支持TEDS，處于不同的現場網絡的傳感器之間，可以通過IEEE 1451的接口標準實現互聯、互操作，解決了兼容問題。同時，IEEE 1451標準定義了TEDS和10線傳感器數字獨立接口(Transducer Independent Interface，TII)，傳感器與微處理器之間的通信協議，給智能傳感器增加了即插即用的功能。即插即用要求在網絡結構改變時，能夠及時調整網絡資源，需要采用波特率自適應技術(Sorting Pulse Width Difference，SPWD)和TEDS的定義、配置[3]。

1.3智能傳感器網絡化互聯互通要求

隨著物聯網技術的發展，基于IEEE 1451協議和物聯網技術的輸電設備傳感器可以逐步實現網絡化發展。每個輸電線設備的傳感器可以成為網絡中的獨立節點，能夠跨越區域顯示，直接通過網絡傳輸輸電線設備信息，實現遠程在線監控。網絡化的智能傳感器，不需要普通傳感器的現場布線，使得傳感器的節點布置更靈活，其基本組成原理如圖1所示。

圖1　無線網絡智能傳感器基本組成原理

2　智能傳感器的總體設計方案

該輸電線設備智能傳感器集成了傳感器、嵌入式微處理器、接口電路、存儲器和網絡控制器等。傳感器的功能框圖如圖2所示，能夠將輸電線設備現場采集到的數據進行處理，如信號調理、數模轉換等，能夠存儲在存儲器中，或者再通過IEEE 1451標準協議傳輸給本地接口以及遠程網絡端。

圖2　IEEE 1451智能傳感器功能框圖

2.1輸電線設備智能傳感器的即插即用技術設計

在輸電線設備中，經常需要用到溫濕度傳感器、風速風向傳感器、氣壓傳感器、拉力傳感器、傾角傳感器和攝像頭等各類硬件模塊。無論采用哪種傳感器，最后都需要將被測信號轉換為電阻、電感和電容等電量信號。由于電量信號的變化，引起檢測電流或檢測電壓的變化，這些模擬電信號經采樣和A-D變換后，變成計算機能接受的數字信號。輸電線設備的傳感器個數較多，分布地點較廣，多個傳感器所獲得的數據要集中到一個處理中心進行分析、處理，信號獲取與信號傳輸之間的接口技術成為信息交流的關鍵。

實現輸電線設備智能傳感器的即插即用，關鍵是要實現系統傳感器結構的資源調整。采用SPWD(Sorting Pulse Width Difference)的波特率自適應技術，并結合IEEE 1451的TEDS定義、配置技術實現智能傳感器即插即用。TEDS系統地描述STIM及各類智能傳感器通道的類型、參數、屬性以及操作方式。

波特率自適應機制的基本原理是STIM(Smart Transducer Interface Module)采集、測量總線上的脈沖，并對脈沖寬度進行重復排序、差分計算，得出最小的脈沖寬度，利用該最小的脈沖寬度求解波特率，具體過程如圖3所示。STIM波特率與NCAP(Network Capable Application Processor)匹配通信后，通過TEDS向NCAP提供傳感器的信息與相關參數(包括傳感器類型、制造商、通道數、時間參數和數據校正模型等)，再進行資源分配，實現傳感器的即插即用。

圖3　波特率配置過程

2.2輸電線設備智能傳感器的嵌入式微控制器設計

在輸電線設備中，需要大數量的傳感器參數進行測量和處理。目前，一部分傳感器采用單片機進行控制，智能性較低。嵌入式智能傳感器組成原理框圖如圖4所示，該輸電線設備傳感器采用的嵌入式控制器設計，將智能理論與傳感器進行集合，具有采集、處理和交換信息的能力。

圖4　嵌入式智能傳感器組成原理框圖

嵌入式微處理器傳感器具有如下特點：執行效率高，成本低，尋址方式靈活，功耗低，成本低。與傳統的傳感器相比較，利用嵌入式微處理器的傳感器具有信息處理和判斷的功能；提高了傳感器測量的精度和可靠性；具有統一通用的數據通信接口，可以實現有線或者無線傳輸；同時自帶存儲器，方便數據的存取。

2.3網絡化智能傳感器的設計

智能傳感器實現網絡化的核心技術是TCP/IP、現場總線技術的實現，可以采用GSM/GPRS網絡、藍牙、WiFi以及ZigBee等技術[4]。以TCP/IP為例，傳感器在數據通信過程中都以Intranet、Internet為載體組建成系統[5]，信息傳遞系統如圖5所示。具體表現為：1)輸電線路現場的信號看在Intranet內部網絡實現實時共享，可以通過瀏覽器進行現場信息的獲取；2)Intranet連通至Internet，可以實現全球各地區輸電線信息的共享；3)通過網絡實現遠程控制輸電線路。

圖5　TCP/IP信息傳遞系統圖

3　結語

本文基于IEEE 1451協議設計了輸電設備智能傳感器，將傳感器技術、嵌入式控制技術及網絡通信技術結合，在傳統傳感器的基礎上，集成創新實現了傳感器智能化和網絡信息化，同時滿足即插即用，提高了傳感器的通用性。

[1] 繆曉波. 智能傳感器·網絡傳感器·信息傳感器[J]. 傳感器世界,2000(1):21-25.

[2] 王立剛. 對嵌入式智能傳感器的理論研究[J]. 科技資訊,2005(26):1-2.

[3] 邵鶴帥. TEDS技術在傳感器智能化中的應用研究[J]. 科學技術與工程,2011(3):609-611,615.

[4] 宋光明,葛運建. 智能傳感器網絡研究與發展[J]. 傳感技術學報,2003(2):107-112.

[5] 吳猛,程良倫. 一種無線傳感器網絡節點及其實現方法[J]. 儀表技術與傳感器,2008(12):14-16.

責任編輯鄭練

Research and Design about Intellectual Sensor of Power Transmission Equipment based on IEEE 1451

ZHAI Shaolei1,2, CHEN Yeqian3, SHEN Xin1,2, LI Tianwen3, ZHANG Wenbin3, LI Bo1,2, TANG Biao1,2

(1.Electric Power Research Institute, Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming 650217, China; 2.Key Laboratory of Electric Power Measurement(China Southern Power Grid), Kunming 650217, China; 3.Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

The environment of the power transmission equipment is complex, the traditional sensor could not meet the requirement of the various testing. Design the intellectual sensor of power transmission equipment based on IEEE 1451. The function of plug-and-play is realized, and it could connect other different sensors. With the embedded micro-processor, it is an intellectual sensor of signal DAQ system which could exchange the information of power equipment and realize the communication of network. Compared with the traditional sensor, this intellectual sensor has extra precision, reliability, high resolution, and universal property.

IEEE 1451, power transmission equipment, intellectual sensor

TP 212.6

A

翟少磊(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事物聯網及輸變電設備在線監測等方面的研究。

2016-05-06