CN102104989A - 用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统，该系统包括无线传感器节点、网关节点、Internet网络和监测中心数据平台，无线传感器节点采集电网设备实时运行状态参数，并将采集到的参数通过网关节点和Internet网络传送到监测中心数据平台；监测中心数据平台对收到的电网设备实时数据进行监测；无线传感器节点和网关节点与电源模块连接。本发明通过数据监测的手段实现对于电网设备内在危害的及时感应，判断线路的设备运行状态。本发明的网关节点，传输速度快，抗干扰能力强，无线传感器网络节点与网关节点能高效获取和存储能量，实现无线传感器网络节点与网关节点长寿命工作。

Description

用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统
技术领域
本发明涉及一种电网实时数据监测系统，具体地说是一种用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统。
背景技术
电网实时数据监测技术的推广应用是电网安全运行、提高电网输送能力的必然要求。电力输电专业是电网资产最大、分布最广、设备运行环境复杂、恶劣，外力影响因素多发的专业环节。同时电网近年来的高速发展也使得人力资源的不足更加凸显。由于输电线路的设备安全问题如导线运行温度过高、弧垂变化、风偏放电、微风振动、杆塔倾斜等大多都无法通过肉眼发现。要解决这一系列的问题，除要有电气方面的技术保障外，还应在手段上进行创新。现有的电网数据监测方式已不能满足要求。
发明内容
为克服现有输电线路状态监测系统的不足，本发明的目的是提供一种用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统，该系统采用无线传感器网络，可以实现输电线路在线实时状态监测。
本发明的目的是通过以述技术方案来实现的：
一种用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统，其特征在于：该系统包括无线传感器节点、网关节点、Internet网络和监测中心数据平台，无线传感器节点采集电网设备实时运行状态参数，并将采集到的参数通过网关节点和Internet网络传送到监测中心数据平台；监测中心数据平台对收到的电网设备实时数据进行监测；所述无线传感器节点和网关节点与电源模块连接。
本发明中，所述无线传感器节点包括数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块，数据采集模块采集电网设备实时运行状态参数，并将采集到的参数传送到数据处理模块，并将处理后的数据通过数据传输模块传送给网关节点。
在无线传感器节点中设有环境参数无线传感器节点、电流无线传感器节点、光无线传感器节点、压力无线传感器节点、位移无线传感器节点、加速度无线传感器节点和微波感应式无线传感器节点。所述环境参数包括温度、湿度、风向、风速、日照与雨量。
所述网关节点包括ZigBee模块、处理器模块、GPRS模块、存储器和SIM卡插座，ZigBee模块将接收到的数据传送给处理器模块进行处理，处理器模块将处理后的数据传送给GPRS模块并通过天线传送给Internet网络；存储器与处理器模块连接，SIM卡插座与GPRS模块连接。ZigBee模块主要由CC 2430射频收发模块为主组成，CC2430内嵌入固化的ZigBee协议，将接收到的数据送入处理器模块，处理器选用ARM9，处理器应用Linux操作系统， GPRS模块主要由GPRSMC55芯片构成，实现与Internet网连接。
所述监测中心数据平台包括数据采集层、数据处理层、数据中心层、数据分析层、状态检修层与高压输电线路。
本发明可实现输电线路六种在线实时状态监测：输电线路绝缘子漏电流、等值附盐密度、导线温度及动态增容、输电线覆冰雪、输电线舞动与输电线防盗报警。根据六种监测，需要七种无线传感器网络节点，分别为：环境参数（温、湿度、风向、风速、日照与雨量）无线传感器传输节点、电流无线传感器节点、光无线传感器节点、压力无线传感器节点、位移无线传感器节点、加速度无线传感器节点与微波感应式无线传感器节点。
无线传感器网络节点用统一型号电源模块负责给各组成模块提供工作电压，保证其正常工作，该电源模块由太阳能光伏电池和风能发电机组成的双生能器件以及由锂电池和超级电容器组成的双储能器件，电源模块除保证网关节点正常工作外，还高效、合理地将能量进行存储，实现网关节点的长寿命工作。
本发明通过zigbee无线传感器网络、GPRS网络与Internet网络连接，建立输电线路在线实时状态监测的无线传感器网络系统。GPRS/Internet内部网关将 GPRS 网络的数据格式转化成 Internet 数据格式，监控中心可以通过Internet，实现电网实时数据监测。
本发明通过在输电线路上安装相应传感设备，通过在线监测的手段实现对于输电线路设备内在危害的及时感应，判断线路的设备运行状态，从而将现有的人力和装备集中使用在应修设备上。它为设备安全、稳定、长周期、全性能优质运行提供了可靠的技术和管理保障。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、无线传感器节点按监测参数进行设计，结构简单。2、网关节点选用ARM9与Linux操作系统作为数据处理模块，能够满足电网在线实时状态监测的需要。3、以太阳能光伏电池为主能源向网关节点供电，同时向锂电池充电，以微型风力发电机作为辅助能源，向超级电容器充电。本发明广泛应用于输电网中。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明中环境参数无线传感器网络节点框图；
图3是本发明中络网关节点框图；
图4是本发明中电源原理示意图；
图5是本发明中监测中心数据平台结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的描述。
一种用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统，见图1，该系统包括无线传感器节点1、网关节点2、Internet网络3和监测中心数据平台4，无线传感器节点1采集电网设备实时运行状态参数，并将采集到的参数通过网关节点2和Internet网络3传送到监测中心数据平台4；监测中心数据平台4对收到的电网设备实时数据进行监测；无线传感器节点1和网关节点2与电源模块5连接。
输电线路绝缘子漏电流数据监测：由于输电线路污秽绝缘子电流漏电流变化范围大（几微安到几百毫安），要求传感器有足够大的动态范围，同时由于绝缘子局部放电脉冲信号包含的频谱很宽，还要求传感器具有较宽的频带（几Hz到几十MHz）、良好的瞬态响应和线性度，采用开合互感型电流传感器。
等值附盐密度数据监测：选用光传感器输电线设备盐密度监测，测量误差小，运行稳定可靠。具体哪种型号，应根据做相关实验后定型。
导线温度及动态增容数据监测：动态增容技术就是在输电线上安装在线监测装置，对导线状态（导线温度、张力、弧重等）和气象条件（环境温度、日照、风速等）进行监测，在不突破现行技术规程规定的前提下，充分利用线路客观存在的隐性容量，提高输电线路的输送容量。
根据上述要求，选择湿度传感器HS1101，温度传感器AN6701S，风速传感器WAA15，风向传感器选用八风向传感器雷格码式，日照传感器选用双金属日照传感器。
输电线覆冰雪数据监测：根据线路导线覆冰后的重量变化以及绝缘子的倾斜/风偏角进行载荷计算，覆冰生长机理，导线舞动，杆塔和金具强度检验以及绝缘子冰闪方面的理论研究，输电线覆冰雪在线监测需采集绝缘子拉力和倾斜角以及环境参数（包括温度、湿度、风速、风向）。温度、湿度、风向、风速传感器选择同上文。压力传感器选用电阻应变片压力传感器，角度传感器选用SCA100T。
输电线舞动数据监测：输电导线舞动是指风对非圆截面导线产生的一种低频（约0.1—3Hz），大振幅的导线自激振动，最大振幅可达到导线直径的5—300倍。舞动在线监测同样需要测量环境参数，同时需要位移和加速度传感器。位移传感器选择容栅式位移传感器，加速度传感器选择ADXL330型。
环境参数无线传感器传输节点设计：
将温度、湿度、风向、风速、日照与雨量等六个环境参数传感器集成一个无线传感器节点。图2是本发明中环境参数无线传感器网络节点框图，图2中由于无线传感器网络节点具有以上特点，在节点的设计上，要求节点硬件成本较低、必须低能耗、必须支持多跳的路由协议。 IEEE802.15.4/ZigBee 协议充分考虑了无线传感器网络应用的需求，具有设备省电、通信可靠、网络自组织、自愈能力强、成本低廉、网络容量大、网络安全等特点。由这些基本要求，进行了支持 802.15.4/ZigBee 协议的无线传感器网络节点的硬件设计。选用的无线通信芯片是CC2430,单片机是 C8051。环境参数传感器（6个）接收到多路监测参数信号。经模拟多路复接器，变为一路输出，再经信号调理电路16将传感器的微弱信号放大，经模数（A/D）转换器后变成数字信号，经单片机处理，分别将处理的数据送入ZigBee模块（CC2430），CC2430模块内部固化ZigBee协议，将监测的数据发射出去。
其他无线传感器传输节点设计：
根据六个监测子系统的需求，要设计电流无线传感器节点，光无线传感器节点，压力无线传感器节点，位移无线传感器节点，加速度无线传感器节点，微波感应式无线传感器节点共六个传感器，这些传感器的节点结构框图基本相同。
网关节点设计：
网关节点接收来自无线传感器节点发来的信号。图3是本发明中络网关节点框图，在图3中ZigBee模块21选用CC 2430射频收发器，CC2430芯片采用了CC 2420收发模块的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32KB/64KB/128KB可编程内存和8KB的RAM，还包括模拟数字转换器（8个ADC），多个定时器（Timer），AES-128协同处理器，看门狗定时器（watchdog-timer），32KHZ晶振的休眠模式定时器，上电复位电路（Power-on-Reset），掉电检测电路（Brow-out-Detection），以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用CMOS工艺生产，工作时电流损耗为27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转到主动模式的超短时间特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的场合应用。
微处理器模块22，选用Atmel公司的一款内嵌32位ARM920T核的高速ARM处理器AT91RM9200作为中心处理器，具有高性能、低功耗、低成本特点，其指令处理速度可以高达200MI/s（兆指令/秒），能满足无线传感器网关节点的高速传输要求，它又是一款工业级微控制器，能够适应网关节点工作环境恶劣的要求，保证网关节点工作的稳定性。同时AT91RM9200上可以移植标准的Linux操作系统，减少了网关节点软件的开发难度并增强了它的可移植性，有利于软件的二次开发。
GPRS选用MC55模块23，由MC55模块内置的TCP/IP协议栈，由AT指令控制使应用程序很容易接入网络。这一方案的优点在于它不需应用程序，开发商执行自己的TCP/IP和PPP栈，这样最小化了将网络连接成一个新的或已经存在的应用程序所需的成本和时间，实现数据的无线拨号GPRS连接。
电源模块设计：
为了维护方便、降低成本，无线传感器网络节点和网关节点都用同一型号电源模块5，能量获取管理系统的工作原理：能量管理系统由开关切换电路、稳压电路、超级电容器放电升压电路、比较电路和单片机电路六部分组成，图4是本发明中电源原理示意图。
其工作原理为当有太阳光时，太阳能光伏电池37通过稳压电路为无线传感器节点（或网关节点）供电 ， 同时将多余的能量存储到锂电池中。风能发电机输出的能量向超级电容器充电。随着超级电容器中电量的增多，其两端的电压不断升高，当电压达到高阈值电压时，开关切换电路接通 ， 单片机电路开始工作，然后单片机电路控制开关切换电路 接通，使超级电容器开始放电， 即通过超级电容器放电升压电路为传感器网络节点（或网关节点）供电，同时快速地向锂离子电池充电。当超级电容器两端的电压达到低阈值电压时，开关切换电路断开，单片机电路停止工作，进而使开关切换电路断开，超级电容器停止放电，能量管理系统回到最初的工作状态。当太阳能光伏电池输出的电压非常低时，且风能电机也因风力不足而不能继续向超级电容器充电，此时由锂电池中存储的能量为无线传感器网络节点（或网关节点）供电。
能量管理系统上的单片机采用了低功耗的能量策略:只有在超级电容器放电的这段时间里单片机才开始工作，这极大的降低了整个系统的能耗，从而增加了无线传感器网关节点的连续工作时间。
图5是本发明中监测中心数据平台结构示意图。监测中心数据平台4设在电力输电公司。采用C/S和B/S架构，集成数据库、发布和管理系统，在线分析线路运行状态参数，具有多参数的预警、趋势分析、统计报表等功能。并能直观地给出设备状况的辅助判断，或者运行人员以平台信息为基础进行人工分析，以方便管理者提供决策和正确发布指令，及早发现事故隐患并及时予以排除，始终保障线路以良好状态可靠运行。

Claims (6)

1.一种用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统，其特征在于：该系统包括无线传感器节点（1）、网关节点（2）、Internet网络（3）和监测中心数据平台（4），无线传感器节点（1）采集电网设备实时运行状态参数，并将采集到的参数通过网关节点（2）和Internet网络（3）传送到监测中心数据平台（4）；监测中心数据平台（4）对收到的电网设备实时数据进行监测；所述无线传感器节点（1）和网关节点（2）与电源模块（5）连接。
2.根据权利要求1所述的用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统，其特征在于：所述无线传感器节点（1）包括数据采集模块（11）、数据处理模块（12）和数据传输模块（13），数据采集模块（11）采集电网设备实时运行状态参数，并将采集到的参数传送到数据处理模块（12），并将处理后的数据通过数据传输模块（13）传送给网关节点（2）。
3.根据权利要求1所述的用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统，其特征在于：在无线传感器节点（1）中设有环境参数无线传感器节点、电流无线传感器节点、光无线传感器节点、压力无线传感器节点、位移无线传感器节点、加速度无线传感器节点和微波感应式无线传感器节点。
4.根据权利要求3所述的用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统，其特征在于：所述环境参数包括温度、湿度、风向、风速、日照与雨量。
5.根据权利要求1所述的用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统，其特征在于：所述网关节点（2）包括ZigBee模块（21）、处理器模块（22）、GPRS模块（23）、存储器（24）和SIM卡插座（25），ZigBee模块（21）将接收到的数据传送给处理器模块（22）进行处理，处理器模块（22）将处理后的数据传送给GPRS模块（23）并通过天线传送给Internet网络（3）；存储器（24）与处理器模块（22）连接，SIM卡插座（25）与GPRS模块（23）连接。
6.根据权利要求1所述的用于电网实时数据监测的无线传感器网络系统，其特征在于：所述监测中心数据平台（4）包括数据采集层（41）、数据处理层（42）、数据中心层（43）、数据分析层（44）、状态检修层（45）与高压输电线路（46）。
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