基于WSN技術的電力電纜在線監測系統設計

曾華榮++張迅++劉宇++曾鵬

摘 要：針對當前電力電纜在實際應用中易發生的故障與缺陷，設計了一種無線傳感器節點，通過自組網對電力電纜局部放電進行在線監測。文中著重闡述了檢測系統的構成、無線監測節點的軟硬件設計等內容。該系統通過核心模塊ATmega128L和CC2420連接外圍傳感器并對監測的電纜局放參數進行傳輸控制。該系統數據測量準確，傳輸穩定，功耗低，適用于電力電纜在線監測領域。

關鍵詞：WSN；電力電纜在線監測；局放；抗干擾

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

當前電纜在鋪設、運行中在線監測較方便，在未來有廣泛的應用，在當前系統中，35 kV及以上電壓等級電纜應用面最廣。據電網公司統計，當前已經鋪設的 110 kV 及以上電壓等級的電纜總長度超過 3 000 km，最高電壓等級為 1 000 kV[1]。交聯聚乙烯電纜目前已經在國內許多城市大面積進行現場應用，且鋪設數量越來越多[2]。隨著電力電纜的應用增多，其運行可靠性將直接關系電網的可靠與安全性。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）在應用中有一大類以環境參數與系統參數作為監控對象[3]，適用于構建室外環境下的電力電纜在線監測系統。

1 系統原理簡介

WSN電力電纜局部放電在線監測系統主要由WSN裝置（由GPRS 收發模塊、GPRS 基站、數據中心服務器和客戶端等組成）、電感耦合傳感器、局放監測單元、現場取電裝置等組成。監測系統結構如圖1所示。電感耦合傳感器檢測并采集三相電纜的外屏蔽層接地線上的局部放電信號，由局放監測單元自動選頻、混頻、濾波、峰值檢波、放大、模數轉換后，顯示在液晶顯示屏上，再由 WSN節點把監測數據周期上傳到數據中心服務器，數據中心服務器對現場監測數據進行統計與分析[4]。最后客戶端通過訪問服務器、瀏覽局放監測單元的詳細信息來遠程控制和修改在線監測單元的相關數據。

1.1 電感耦合器

本系統選用德方電子自主開發的開口式寬頻電流互感器作為電感耦合器，此傳感器靈敏度高，適用于電纜接地線局部放電測量，結合一定的抗干擾算法后具有較好的工程應用價值[5]。檢測靈敏度為10 pC，頻帶范圍為10 kHz～30MHz，外形尺寸為128 mm×130 mm×35 mm，信號傳輸借助0.8 kg，阻值50 ?的同軸電纜。

1.2 在線監測Sink節點硬件系統

系統原理圖如圖2所示。

（1） 信號調理模塊：該模塊由過壓保護、選通電路、預選器、衰減網絡、混頻電路和峰值檢測電路組成，把采集的信號轉換為單片機處理信號。

（2）控制模塊：該模塊對信號進行數據采集、處理、存儲。

（3） 液晶模塊：該模塊可實時顯示數據，并與按鍵電路實現友好的人機交互。

（4） GPRS模塊：該模塊可提供物理傳輸通道。

1.3 系統工作原理

局部放電信號由傳感器采集進入信號調理模塊[6]，再由過壓保護電路泄放可能存在的過電壓信號后，選通電路選擇參數的通道，然后經濾除干擾和雜波處理后，再由衰減和前置放大模塊對信號幅值進行調整，轉變為455 kHz的中頻信號并進一步降頻后完成模數轉換和數據處理，最后經顯示模塊顯示在液晶顯示屏上，由GPRS上傳至數據中心服務器。

2 WSN在線監測節點設計

WSN選擇ATmega128L作為控制核心[7]，采用CC2420收發射頻數據。監測網絡拓撲由普通節點、中心節點和匯聚節點組成?？紤]到電纜架設環境會使網絡規模擴大，故采用中心拓撲結構設計，通過監測普通節點的狀態，選取若干中心節點進行信息傳輸，而其它節點休眠可以減少能量消耗[8]。中心拓撲結構如圖3所示。

節點定時采集數據， 數據經中心節點通過多跳路由傳給Sink 節點。Sink 節點將數據上傳至控制中心，同時通過GPRS模塊把信息傳遞給PC機。

目前國內外出現了多種網絡節點的硬件平臺。主要有Mica、Smart Dust、Telos等，采用不同的處理器、射頻、路由協議并選擇不同功能的傳感器作為區分。

2.1 普通節點結構

本系統對功耗有特殊的要求，因此采取模塊化體系設計，按功能分為傳感采集模塊、數據處理模塊、射頻發送模塊、供電模塊。

2.2 傳感采集模塊

本系統選用性能較好的傳感器來實現電纜環境的在線監測，如加速度傳感器、溫濕度傳感器等。

2.3 數據處理模塊

數據處理模塊完成節點的數據處理、路由、時間同步、定位等，是計算的核心。

本系統選用Atmega128L單片機[9]。與外圍結構連接電路如圖4所示。

2.4 射頻收發模塊

本系統采用TI公司生產的CC2420射頻收發芯片作為核心構建射頻收發模塊，可實現點對點快速組網。該系統具有體積小、成本低、功耗小等特點， 適用于電池長期供電的情況。還具有硬件加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等優點[3]。射頻收發模塊電路如圖5所示。

2.5 供電模塊

本系統采用鋰電池供電與現場取電結合的供電模塊。原因在于高壓電纜鋪設在野外，長度不等，對它進行在線監測時，通過現場電纜取電裝置從運行的電纜中感應出電流，利用電流電壓轉換裝置形成直流電壓。

2.6 交互接口

節點交互接口包括ISP編程接口、JTAGE接口、232接口、鋰電池充電接口等[10]。

3 結 語

本文介紹了目前電纜局部放電在線監測相關方法，然后設計了一套基于WSN的在線監測系統，并進行了相關系統的硬件選型和設計，具有一定的應用價值。

參考文獻

[1]曹曉瓏，劉英.我國電力電纜及其敷設技術現狀[J].電力設備，2007，8（4）：110-112.

[2]孫利民.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]王吉富，馬建倉，盧崇.基于單片機控制射頻芯片CC2420無線通信的實現[J].電子測量技術，2007，30（5）：88-91.

[4]李華春，周作春，陳平.110kV 及以上高壓交聯電纜系統故障分析[J].電力設備，2004，5（8）：9-13.

[5]羅俊華，馬翠姣.XLPE電力電纜局部放電的在線檢測[J].高電壓技術，1999，25（4）：32-34.

[6]郭燦新，張麗，錢勇.XLPE電力電纜中局部放電檢測及定位技術的研究現狀[J].高壓電器，2009，45（3）： 56-60.

[7]李志宇，史浩山.基于ATmega128L 的無線傳感器網絡節點設計與實現[J].計算機工程與應用，2006，42（27）：76-79.

[8]馮仁劍，張帥鋒，于寧，等.應用于天然氣管網安全監測的無線傳感器網絡節點設計與實現[J]. 傳感技術學報，2009，22（10）：1492-1497.

[9]吳元忠，胡鋼.基于ATmega128L的瓦斯檢測報警裝置的設計[J].工礦自動化，2007（1）：68-70.

[10]耿德根.AVR高速嵌入式單片機原理與應用（修訂版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.