摘 要： 從傳統(tǒng)傳感器的特點(diǎn)出發(fā)，研制了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的多參數(shù)集成的線路傳感器，該傳感器將實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電和配電線路的多參數(shù)檢測(cè)，同時(shí)該傳感器將完全采用線路感應(yīng)取能工作。介紹了無(wú)線傳感網(wǎng)的相關(guān)體系及結(jié)構(gòu)，并把線路傳感器和無(wú)線傳感網(wǎng)相結(jié)合，完成了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后指出智能集成傳感器在智能電網(wǎng)中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)；智能電網(wǎng)；輸配電系統(tǒng)；傳感器
智能電網(wǎng)建設(shè)是我國(guó)電力行業(yè)的頭等大事，未來(lái)十年將取得飛速發(fā)展。智能電網(wǎng)數(shù)字傳感器作為關(guān)鍵性的技術(shù)之一，需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和研發(fā)，實(shí)現(xiàn)高度智能化、集成化和長(zhǎng)壽命。
只有解決了用量最大的傳感器問(wèn)題，才能保證整個(gè)智能電網(wǎng)建設(shè)的成功。智能電網(wǎng)建立在集成的高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)。其主要特征包括自愈、激勵(lì)和保護(hù)用戶、抵御攻擊、提供滿足21世紀(jì)用戶需求的電能質(zhì)量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、啟動(dòng)電力市場(chǎng)以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運(yùn)行。
本文研制的智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的“眼睛”，是智能電網(wǎng)的最基本構(gòu)成部分，該傳感器將廣泛用于電力建設(shè)的一線運(yùn)行線路，對(duì)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略具有突出的貢獻(xiàn)。
1 智能電網(wǎng)線路傳感器的設(shè)計(jì)方案
由于傳統(tǒng)傳感器都是單參數(shù)檢測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化、高精度、復(fù)合多參數(shù)集成和中小型化，因此本文綜合現(xiàn)代電力電子技術(shù)、電源技術(shù)、傳感技術(shù)和GPRS通信技術(shù)，研制開發(fā)出一種新型智能電網(wǎng)集成線路傳感器。該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸電和配電線路的電場(chǎng)、負(fù)荷電流、導(dǎo)線溫度、線路風(fēng)偏、線路舞動(dòng)和覆冰等7種參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。可方便地面監(jiān)控人員及時(shí)獲取線路當(dāng)前運(yùn)行狀況，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)作出評(píng)估，并及時(shí)采取措施加以維護(hù)或維修。該智能電網(wǎng)線路傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
1.1 感應(yīng)取電設(shè)計(jì)
智能電網(wǎng)線路傳感器是一款從高壓母線上提取能量供電，實(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)測(cè)輸電和配電線路的運(yùn)行電場(chǎng)、負(fù)荷電流、導(dǎo)線溫度、線路風(fēng)偏、舞動(dòng)和覆冰等7種參數(shù)的集成傳感器。該傳感器采用專用高效互感器技術(shù)和特殊能源轉(zhuǎn)換芯片解決目前的高壓隔離和電壓供電不穩(wěn)的難題，實(shí)現(xiàn)從高壓輸電線路直接獲取低壓電源，在提高電網(wǎng)供電可靠性、減少事故隱患及保障安全生產(chǎn)等方面具有積極的意義。
整個(gè)在線感應(yīng)取電結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由于一次側(cè)電流變化范圍較大，在正常的電流變化范圍內(nèi)，特制的線圈直接從一次側(cè)感應(yīng)出交流電壓，經(jīng)過(guò)前端沖擊保護(hù)電路、整流濾波電路后輸出直流電，為后端系統(tǒng)提供足夠的能量。當(dāng)一次側(cè)電流較小，感應(yīng)出的電能不能滿足后端采集系統(tǒng)的需要時(shí)，運(yùn)用超級(jí)電容儲(chǔ)存的電能供電。當(dāng)一次側(cè)電流較大，感應(yīng)出的電能大大超過(guò)后端采集系統(tǒng)的需要時(shí)，可通過(guò)電壓取樣和保護(hù)電路來(lái)保證后端溫度采集系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)給超級(jí)電容充電儲(chǔ)能，以便在感應(yīng)取電電能不足時(shí)使用。
當(dāng)一次側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，暫態(tài)電流可能達(dá)到數(shù)十千安，會(huì)在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生沖擊電流，但在經(jīng)過(guò)前端沖擊保護(hù)電路以及后續(xù)電路的多重保護(hù)后，完全可以將輸入到模塊的電壓值箝位到允許電壓以內(nèi)，保護(hù)了后端子電路的安全。
1.2 智能微控制器
本文研制的傳感器硬件系統(tǒng)CPU單元采用德州儀器公司的MSP430微控制器，該微控制器具有低供電電壓范圍、豐富的片上外圍模塊、多種時(shí)鐘模塊、強(qiáng)大的處理能力、方便高效的開發(fā)方式、高安全性、管腳功能封裝的兼容性等特點(diǎn)。
由于該傳感器的設(shè)計(jì)采用在線感應(yīng)取能供電，因此該傳感器必須具備低功耗、小體積等特點(diǎn)，所以選用MSP430。而且該微控制器在線系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出非常明顯的優(yōu)勢(shì)。
1.3 射頻處理電路
由于該傳感器采用無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，因此必須具有無(wú)線通信的處理電路及相關(guān)模塊。GPRS數(shù)傳終端系統(tǒng)為用戶提供永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)；可提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、外圍設(shè)備間、外圍設(shè)備與中心節(jié)點(diǎn)之間的通信方式，適用于信息互傳、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等；可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、中心對(duì)多點(diǎn)以及多點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、對(duì)等的數(shù)據(jù)傳輸。中心對(duì)多點(diǎn)的傳輸方式是電力等行業(yè)較常見的應(yīng)用。
由于GPRS的這些特點(diǎn)，所有在線的線路傳感器都可以同時(shí)向數(shù)據(jù)采集站發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。但是GPRS通信必須在有GPRS信號(hào)的情況下才能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此，為了在沒有GPRS信號(hào)的情況下也能把傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到千米以外的數(shù)據(jù)采集站，該傳感器同時(shí)采用433 MHz的無(wú)線通信方式，這樣就可以保證傳感器采集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)地發(fā)送至數(shù)據(jù)采集站。
本文無(wú)線射頻模塊采用上海邏迅信息科技有限公司的“Smart Port-Wireless USB”無(wú)線收發(fā)模塊，該模塊具有體積小、功耗低和傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
2 在線傳感器的軟件設(shè)計(jì)
在具備線路傳感器的同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)輸配電線路的實(shí)時(shí)檢測(cè)，必須具有對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的軟件系統(tǒng)。在傳感器硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文把整個(gè)系統(tǒng)管理分析軟件開發(fā)完畢，可以對(duì)全線路安裝的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，按照指定的時(shí)間間隔自動(dòng)與每個(gè)監(jiān)測(cè)儀通信，讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并能夠作誤差初步處理，計(jì)算平均值。能夠根據(jù)要求采用一定的判斷規(guī)則對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出每個(gè)被監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)潛在的故障威脅時(shí)發(fā)出故障預(yù)警信號(hào)報(bào)警或發(fā)送短信到指定手機(jī)上。程序的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。
3 無(wú)線傳感網(wǎng)系統(tǒng)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）通常是由一組帶有嵌入式處理器、傳感器以及無(wú)線收發(fā)裝置的節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同工作來(lái)采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的目標(biāo)信息。典型的WSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。
利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)單方便地獲取輸電和配電線路的運(yùn)行電壓、負(fù)荷電流、導(dǎo)線溫度、線路風(fēng)偏及線路舞動(dòng)等參數(shù)，同時(shí)通過(guò)無(wú)線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到千米外的數(shù)據(jù)采集站，為電網(wǎng)運(yùn)行和管理人員提供更為全面、完整的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，有利于決策系統(tǒng)控制實(shí)施方案和應(yīng)對(duì)預(yù)案，使其成為智能電網(wǎng)的有效組成部分。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將傳統(tǒng)的傳感器信息獲取技術(shù)從獨(dú)立的單一化模式向集成化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由隨機(jī)分布的集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器進(jìn)行測(cè)量，采用短距離的無(wú)線低功率通信技術(shù)，能夠協(xié)作地感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并傳送給觀測(cè)者。
在不同應(yīng)用中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成不盡相同，但一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源這4部分組成。無(wú)線傳感器的類型由被監(jiān)測(cè)物理信號(hào)的形式?jīng)Q定。處理器通常選用嵌入式CPU，數(shù)據(jù)傳輸單元主要由低功耗、短距離的無(wú)線通信模塊組成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架如圖5所示。
數(shù)據(jù)采集層主要是對(duì)各個(gè)電力設(shè)備以及變電站設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的部署，對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行信息采集時(shí)，節(jié)點(diǎn)上裝備的無(wú)線傳感器不同。這些節(jié)點(diǎn)按照區(qū)域進(jìn)行劃分，每一個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)變電站的存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，然后加上地域標(biāo)簽傳輸?shù)缴弦粚印?br />
數(shù)據(jù)傳輸層分為變電站層級(jí)、區(qū)級(jí)、縣市級(jí)、省級(jí)國(guó)家級(jí)4個(gè)級(jí)別。上一層的數(shù)據(jù)管理中心可以查看下一層的數(shù)據(jù)，下一層的數(shù)據(jù)管理中心有義務(wù)定時(shí)地向上一層的數(shù)據(jù)管理中心上傳最新采集的數(shù)據(jù)。不同的層向上一層提交數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔是不同的。
數(shù)據(jù)處理層不同，其數(shù)據(jù)處理能力也是不同的，因此得到的數(shù)據(jù)形式和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不同。第一層是在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，主要是去掉冗余的數(shù)據(jù)；第二層是各個(gè)變電站將自己管轄范圍內(nèi)的各個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)收集后，周期性地進(jìn)行處理，確定是否該區(qū)域有異常事件發(fā)生，并將一些基本的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳；第三、四層分別是區(qū)級(jí)、市縣級(jí)的數(shù)據(jù)處理，分別確定該級(jí)別的數(shù)據(jù)是否有異常，并做好備份處理；最后是國(guó)家級(jí)的數(shù)據(jù)收集處理中心，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一格式的存儲(chǔ)和管理。
應(yīng)用系統(tǒng)層主要是對(duì)不同層次的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測(cè)和故障排除。及時(shí)地預(yù)報(bào)電力元件是否出現(xiàn)或?qū)?huì)故障，如果出現(xiàn)故障，則分析問(wèn)題出現(xiàn)在何處，是什么原因造成的，并將分析結(jié)果提供給維修人員進(jìn)行相應(yīng)的維修處理。
4 基于無(wú)線傳感網(wǎng)的線路傳感器系統(tǒng)
智能電網(wǎng)線路傳感器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)各種探測(cè)器探測(cè)到輸電和配電線路的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、泄漏電流、覆冰狀況、視頻圖像或圖片等數(shù)字化信息，通過(guò)GPRS/CDMA通道上傳到輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)視中心，實(shí)現(xiàn)輸配電線路的實(shí)時(shí)檢測(cè)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖6所示。
本智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)的成功研究為我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)做出了基礎(chǔ)性和革命性的貢獻(xiàn)，極大提高我國(guó)數(shù)字智能電網(wǎng)的整體技術(shù)水平。本文不僅介紹了智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)的組成，而且研究開發(fā)了功能完善的監(jiān)測(cè)分析軟件，最終形成一套實(shí)用的智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)為智能電網(wǎng)電力線的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，保證電力線的正常運(yùn)行，在提高電網(wǎng)供電可靠性、減少事故隱患、保障安全生產(chǎn)等方面具有積極意義。
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