基于WSN技術(shù)的電力電纜在線監(jiān)測(cè)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(cè)較方便，在未來(lái)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(zhǎng)度超過(guò) 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(guó)內(nèi)許多城市大面積進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，且鋪設(shè)數(shù)量越來(lái)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(wú)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(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介

WSN 電力電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)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(cè)單元、現(xiàn)場(chǎng)取電裝置等組成。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。電感耦合傳感器檢測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析 [4]。最后客戶端通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器、瀏覽局放監(jiān)測(cè)單元的詳細(xì)信息來(lái)遠(yuǎn)程控制和修改在線監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(cè)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(guò)壓保護(hù)電路泄放可能存在的過(guò)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(cè)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(cè)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(guò)監(jiān)測(cè)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(guò)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(guò) GPRS 模塊把信息傳遞給 PC 機(jī)。 

目前國(guó)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(lái)實(shí)現(xiàn)電纜環(huán)境 的在線監(jiān)測(cè)，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(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)度不等，對(duì)它進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)， 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(yǔ)

本文介紹了目前電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)相關(guān)方法，然后 設(shè)計(jì)了一套基于 WSN 的在線監(jiān)測(cè)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。