基于WSN技術(shù)的電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

當(dāng)前電纜在鋪設(shè)、運(yùn)行中在線監(jiān)測較方便，在未來有廣泛的應(yīng)用，在當(dāng)前系統(tǒng)中，35kV及以上電壓等級(jí)電纜應(yīng)用面最廣。據(jù)電網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前已經(jīng)鋪設(shè)的 110kV及以上電壓等級(jí)的電纜總長度超過 3000km，最高電壓等級(jí)為 1000kV[1]。交聯(lián)聚乙烯電纜目前已經(jīng)在國內(nèi)許多城市大面積進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，且鋪設(shè)數(shù)量越來越多[2]。隨著電力電纜的應(yīng)用增多，其運(yùn)行可靠性將直接關(guān)系電網(wǎng)的可靠與安全性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）在應(yīng)用中有一大類以環(huán)境參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)作為監(jiān)控對(duì)象[3]，適用于構(gòu)建室外環(huán)境下的電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理簡介

WSN 電力電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由WSN 裝置（由 GPRS 收發(fā)模塊、GPRS 基站、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和客戶端等組成）、電感耦合傳感器、局放監(jiān)測單元、現(xiàn)場取電裝置等組成。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(hào)，由局放監(jiān)測單元自動(dòng)選頻、混頻、濾波、峰值檢波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，顯示在液晶顯示屏上，再由 WSN 節(jié)點(diǎn)把監(jiān)測數(shù)據(jù)周期上傳到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析 [4]。最后客戶端通過訪問服務(wù)器、瀏覽局放監(jiān)測單元的詳細(xì)信息來遠(yuǎn)程控制和修改在線監(jiān)測單元的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.1 電感耦合器

本系統(tǒng)選用德方電子自主開發(fā)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(jié)合一定的抗干擾算法后具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值 [5]。檢測靈敏度為 10 pC，頻帶范圍為 10 kHz ～30 MHz，外形尺寸為 128 mm 130 mm 35 mm，信號(hào)傳輸借助 0.8 kg， 阻值 50

1.2 在線監(jiān)測Sink節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)原理圖如圖 2 所示。

(1) 信號(hào)調(diào)理模塊：該模塊由過壓保護(hù)、選通電路、預(yù)選器、衰減網(wǎng)絡(luò)、混頻電路和峰值檢測電路組成，把采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)處理信號(hào)。

(2) 控制模塊：該模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)。

(3) 液晶模塊：該模塊可實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，并與按鍵電路實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互。

(4) GPRS模塊 ：該模塊可提供物理傳輸通道。

1.3 系統(tǒng)工作原理

局部放電信號(hào)由傳感器采集進(jìn)入信號(hào)調(diào)理模塊 [6]，再由過壓保護(hù)電路泄放可能存在的過電壓信號(hào)后，選通電路選擇參數(shù)的通道，然后經(jīng)濾除干擾和雜波處理后，再由衰減和前置放大模塊對(duì)信號(hào)幅值進(jìn)行調(diào)整，轉(zhuǎn)變?yōu)?455 kHz 的中頻信號(hào)并進(jìn)一步降頻后完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，最后經(jīng)顯示模塊顯示在液晶顯示屏上，由GPRS上傳至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。

2 WSN在線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

WSN 選擇 ATmega128L 作為控制核心[7]，采用CC2420 收發(fā)射頻數(shù)據(jù)。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆善胀ü?jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成?？紤]到電纜架設(shè)環(huán)境會(huì)使網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大，故采用中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過監(jiān)測普通節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，選取若干中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸，而其它節(jié)點(diǎn)休眠可以減少能量消耗 [8]。中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)中心節(jié)點(diǎn)通過多跳路 由傳給 Sink 節(jié)點(diǎn)。Sink 節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳至控制中心， 同時(shí)通過 GPRS 模塊把信息傳遞給 PC 機(jī)。 

目前國內(nèi)外出現(xiàn)了多種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)。主 要有 Mica、Smart Dust、Telos 等，采用不同的處理器、 射頻、路由協(xié)議并選擇不同功能的傳感器作為區(qū)分。

2.1 普通節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 

本系統(tǒng)對(duì)功耗有特殊的要求，因此采取模塊化 體系設(shè)計(jì)，按功能分為傳感采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、 射頻發(fā)送模塊、供電模塊。

2.2 傳感采集模塊 

本系統(tǒng)選用性能較好的傳感器來實(shí)現(xiàn)電纜環(huán)境 的在線監(jiān)測，如加速度傳感器、溫濕度傳感器等。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊完成節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理、路由、時(shí) 間同步、定位等，是計(jì)算的核心。

本系統(tǒng)選用 Atmega128L 單片機(jī) [9]。與外圍結(jié) 構(gòu)連接電路如圖 4 所示。 

2.4 射頻收發(fā)模塊 

本系統(tǒng)采用 TI 公司生產(chǎn)的 CC2420 射頻收發(fā)芯 片作為核心構(gòu)建射頻收發(fā)模塊，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)快速 組網(wǎng)。該系統(tǒng)具有體積小、成本低、功耗小等特點(diǎn)，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(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) [3]。射頻收發(fā)模塊電路如圖 5 所示。 

2.5 供電模塊 

本系統(tǒng)采用鋰電池供電與現(xiàn)場取電結(jié)合的供電模塊。原 因在于高壓電纜鋪設(shè)在野外，長度不等，對(duì)它進(jìn)行在線監(jiān)測時(shí)， 通過現(xiàn)場電纜取電裝置從運(yùn)行的電纜中感應(yīng)出電流，利用電流 電壓轉(zhuǎn)換裝置形成直流電壓。 

2.6 交互接口 

節(jié)點(diǎn)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(jié) 語

本文介紹了目前電纜局部放電在線監(jiān)測相關(guān)方法，然后 設(shè)計(jì)了一套基于 WSN 的在線監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)系統(tǒng)的硬件選型和設(shè)計(jì)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。