CN102118881B - 架空输电线路的监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种架空输电线路的监测装置，包括通过无线传感器网络多跳的方式组网的节点，其特征在于，所述节点包括普通节点和基站节点，所述普通节点获取且处理输电线路的参数信息并将处理后的所述参数信息发送到所述基站节点，所述基站节点接收且处理所述输电线路参数信息并将所述处理后的输电线路的参数信息通过移动网络通信方式上传到控制中心。还涉及一种架空输电线路的监测方法。本发明可实时监测架空输电线路的温度，电压，电流，张力等相关物理参数值，并将其通过无线传感器网络多跳的方式传递到基站节点，由基站节点上的TD-SCDMA/GPRS/EDGE模块将数据通过公用手机网转发至控制中心，节省了带宽资源和系统成本。

Description

架空输电线路的监测装置及监测方法

【技术领域】

本发明涉及电力监测技术，特别是涉及一种架空输电线路的监测装置及监测方法。

【背景技术】

无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，由布置在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的、分布式自组织的网络系统，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。

TD-SCDMA(时分同步的码分多址技术)是中国提出的第三代移动通信标准。TD-SCDMA集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体、系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强。合适的TD-SCDMA时域操作模式可自行解决所有对称和非对称业务以及任何混合业务的上/下行链路资源分配的问题。GPRS和EDGE数据传输方式目前已较为成熟，信号覆盖非常广泛，可以在TD信号覆盖不到的地方使用这两种数据传输方式。

传统的应用于输电线路的无线监测手段是将每一个节点都装上GPRS无线收发装置，通过摄像头采集视频，或者传感器采集各参数值，然后通过GPRS的无线传输方式将现场图像或参数值传回到控制中心。这样不但增加了通信成本，且对于带宽的使用造成了浪费。

【发明内容】

为了减小通信带宽的浪费，节约通信成本，有必要提供一种能高效利用通信带宽的低成本架空输电线路的监测装置。

一种架空输电线路的监测装置，包括通过无线传感器网络多跳的方式组网的节点，其特征在于，所述节点包括普通节点和基站节点，所述普通节点获取且处理输电线路的参数信息并将处理后的所述参数信息发送到所述基站节点，所述基站节点接收且处理所述输电线路参数信息并将所述处理后的输电线路的参数信息通过移动网络通信方式上传到控制中心。

优选的，所述普通节点和基站节点均包括传感器模块、数据处理模块、射频收发模块和电源模块，且所述基站节点还包括手机通信模块；所述传感器模块用于采集输电线路的参数信息；所述数据处理模块接收所述传感器模块传送的输电线路的参数信息并处理生成数据包；所述射频收发模块接收所述数据处理模块传送的数据包，经过处理后通过无线传感器网络多跳的方式进行发送，还用于接收和转发其他普通节点发送的数据包；所述电源模块用于提供发射能量；所述手机通信模块和所述射频收发模块相连接，用于将所述射频收发模块接收的数据包转换成适合移动通信网络格式的数据包，并发送给控制中心。

优选的，所述普通节点分为簇头节点和子节点，每个子节点将采集的输电线路的参数信息打包成数据包后传送给所述簇头节点，与所述簇头节点采集的输电线路参数信息进行融合，形成新的数据包，并传送给相邻区域离所述基站节点更近的簇头节点；所述数据包包括该节点采集的输电线路参数信息、该节点的节点号、当前区域的簇头节点号、重传次数和当前数据包序号；所述新的数据包包括每个节点的节点号及每个节点对应采集的输电线路参数信息、本地簇头节点号、重传次数、新的数据包序号。

优选的，所述无线传感器网络多跳的方式组网是把要监测的输电线路分为至少一个空间，每个空间内设置一个基站节点，所述某空间内的所有的普通节点采集的输电线路的参数信息经所述某空间的基站节点传送给控制中心。

优选的，所述输电线路的参数信息包括当前线路的张力、温度、电压和电流。

优选的，所述普通节点的电源模块包括电压互感器和蓄电池；正常情况下，由电压互感器通过输电线路获得供普通节点使用的能量，且保持蓄电池为充满状态；当输电线路出现异常时，转换为蓄电池供电，待恢复正常后再由电压互感器将蓄电池充满；所述基站节点的电源模块为固定电源。

优选的，所述数据处理模块和射频收发模块封装在第一电路板上，所述传感器模块封装在第二电路板上，两块电路板之间通过插针的方式互连。

优选的，所述第一电路板和第二电路板是上下摆放的。

优选的，所述无线传感器网络多跳的方式组网是每个区域内的所有节点都位于一条垂直于输电线路的直线上，所述节点的发射功率可调，所述每个区域内的所有节点中只有一个簇头节点，当簇头节点出现故障时，由同一区域内的任意一个子节点增大发射功率，成为新的簇头节点，同时通知相邻区域的簇头节点本区域的簇头节点更换，使相邻区域的簇头节点更新自身路由信息。

优选的，所述基站节点的手机模块是TD-SCDMA模块、EDGE模块、GPRS模块中的一种。

同时提供一种能高效利用通信带宽的低成本架空输电线路的监测方法。

一种架空输电线路的监测方法，包括如下步骤：S410，提供节点，采用无线传感器网络多跳的方式对所述节点组网，所述节点包括普通节点和基站节点；S420，所述普通节点获取且处理输电线路的参数信息并将处理后的所述输电线路的参数信息发送到所述基站节点；S430，所述基站节点接收且处理所述输电线路的参数信息并将处理后的输电线路的参数信息通过移动网络通信方式上传到控制中心。

优选的，所述S420步骤包括采集输电线路的参数信息；根据采集的输电线路的参数信息处理生成数据包，所述数据包包括该节点采集的输电线路参数信息、该节点的节点号、当前区域的簇头节点号、重传次数和当前数据包序号；将生成的数据包通过无线传感器网络多跳的方式进行发送。

优选的，所述无线传感器网络多跳的方式组网是把要监测的输电线路分为至少一个空间，每个空间内设置一个基站节点，所述某空间内的所有的普通节点采集的输电线路的参数信息经所述某空间的基站节点传送给控制中心。

优选的，所述普通节点分为簇头节点和子节点，每个子节点将采集的输电线路的参数信息打包成数据包后传送给所述簇头节点，与所述簇头节点采集的输电线路参数信息进行融合，形成新的数据包，并传送给相邻区域离所述基站节点更近的簇头节点；所述数据包包括该节点采集的输电线路参数信息、该节点的节点号、当前区域的簇头节点号、重传次数和当前数据包序号；所述新的数据包包括每个节点的节点号及每个节点对应采集的输电线路参数信息、本地簇头节点号、重传次数、新的数据包序号。

优选的，所述无线传感器网络多跳的方式组网是每个区域内的所有节点都位于一条垂直于输电线路的直线上，所述节点的发射功率可调；所述每个区域内的所有节点中只有一个簇头节点，当簇头节点出现故障时，由同一区域内的任意一个子节点增大发射功率，成为新的簇头节点，同时通知相邻区域的簇头节点本区域的簇头节点更换，使相邻区域的簇头节点更新自身路由信息。

优选的，所述输电线路参数信息包括当前线路的张力、温度、电压和电流。

优选的，所述移动网络通信方式为TD-SCDMA、EDGE和GPRS中的一种或多种。

上述架空输电线路的监测装置及监测方法将一定区域内的数据汇总到簇头节点，在簇头节点处可以对数据进行一定程度的融合，减少了数据量，节省了带宽资源。同时由于只在基站节点处安装手机通信模块，节约了系统的成本，以及无线通信的费用。

配有蓄电池作为备用电源，能提高装置的安全性。

使用两块电路板组成节点，可以较方便地根据具体应用环境选装不同类型的传感器组，或者仅将节点作为通信节点使用。

两块电路板上下摆放，可以减小节点占用的面积。

节点的发射功率可调，避免了太大的功率造成电能的浪费，又不会因为功率太小影响通信的质量和可靠性。

簇头节点故障时能够自动生成新的簇头节点，增强了装置的可靠性。

使用TD-SCDMA模块，系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强。

【附图说明】

图1为架空线路的监测装置的普通节点的结构示意图。

图2为架空线路的监测装置的基站节点的结构示意图。

图3为架空线路的监测装置的无线传感器网络一个实施例的拓扑结构示意图。

图4为架空线路的监测方法的流程图。

【具体实施方式】

本发明的架空输电线路的监测装置将带有各种传感器的普通节点固定在输电塔的每根电力线的一端，检测出线路上的张力，温度，电压，电流等相关参数信息并进行处理，再通过无线传感器网络多跳的方式组网，将信息发送到基站节点，在基站节点的手机通信模块上进行数据格式的转换，生成TD-SCDMA/GPRS/EDGE的数据包，再由手机通信模块将参数信息的数据包通过移动通信网络发送到控制中心，则控制中心可以实时得知每一根安装本装置的输电线路的相关情况，并做出判断。

图1为普通节点10的结构示意图。包括传感器模块、数据处理模块、射频收发模块以及普通电源模块11；其中普通电源模块11又包括电压互感器和蓄电池。

传感器模块包括电压传感器，电流传感器，温度传感器和张力传感器等，可以根据具体应用环境选装其中的一种或几种。其检测出输电线路上的电压、电流、温度、张力等参数后，将这些参数信息传送给数据处理模块。

数据处理模块接收传感器模块传送的参数，经过模数转换为数字信号，再进行整合，加上包头等路由信息，构成完整的数据包，传送给射频收发模块。节点的数据包内包括的信息有传感器采集的参数、节点本身的节点号、当前区域的簇头节点号、重传次数、当前数据包序号等。在优选的实施方式中，数据处理模块采用单片机ATmega128L。ATmega128L为ATMEL公司生产的基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128L的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

射频收发模块接收数据处理模块传送的数据包，经过处理后进行发送，还用于接收和转发其他节点发送的数据包。射频收发模块能够调整发射功率，保证能够在电力塔架档距内能正常通信，又不至于因为功率过大而造成能量浪费。在优选的实施方式中，射频收发模块采用CC1000芯片。CC1000是Chipcon公司生产的单片可编程RF收发芯片，集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制/解调、可编程控制等多种功能；其频率范围为300MHz～1000MHz，灵敏度为-109dBm，可编程输出功率为-20～10dBm，数据速率可达19.2kBaud。

普通电源模块11包括电压互感器和蓄电池。正常情况下，由电压互感器通过输电线路获得供节点使用的能量，且保持蓄电池为充满状态；当输电线路出现故障或断电检测时，转换为蓄电池供电，待恢复正常后再由电压互感器将蓄电池充满。

数据处理模块和射频收发模块封装在第一电路板上，传感器模块封装在第二电路板上，两块电路板之间通过插针的方式互连，这样可以较方便地根据具体应用环境选装不同类型的传感器组，或者仅作为通信节点使用，不加装传感器。两块电路板上下摆放，以节省整个节点的面积。

图2为基站节点20的结构示意图。基站节点20和普通的节点10的主要区别在于增加了手机通信模块，并且基站电源模块21包括固定电源和蓄电池。

手机通信模块和射频收发模块相连接，用于将射频收发模块接收的数据包转换成适合移动通信网络格式的数据包，并发送给控制中心。手机通信模块在TD-SCDMA、EDGE、GPRS模块中选择一种，在有TD信号覆盖的地区可以选择TD-SCDMA模块，否则选择EDGE/GPRS模块。

基站电源模块21由固定电源和蓄电池组成。把电压互感器换成固定电源是为了提高电源的可靠性并保证足够的功率供给。因此要把基站节点20设在能够接入固定电源的地方。

输电线路上的节点一般沿输电线路摆放，因此呈线性状态组网。由于线性网络的特殊性，在既能保证可靠性，又能够最大限度的利用无线传感器多跳工作方式的前提下，按地理位置把要监测的线路尽可能少的分为若干空间，在每一个空间内的中心位置设置一个基站节点20。不同空间的节点互不通信，所有节点采集的参数经本空间的基站节点20传送给控制中心。

因为在实际电网中，邻近范围内一般会同时有几根并排的输电线路，因此可以将节点的通信范围扩展到立体空间，即可以使在同一区域内并排的各节点组成网络。对于节点的通信距离而言，并排的输电线路之间的距离可以忽略不计，因此，同一区域内的不同节点对于其他区域内的节点，可以看作是完全相同的。这样就可以在每个区域内进行小范围通信，将这一区域内的所有数据汇总到一个簇头节点上，其他节点作为子节点，然后在不同的区域间依靠簇头节点通信来传递数据。

对于本发明中的拓扑结构而言，由于能量主要由输电线路供应，不需要过多的考虑能量问题。因此在正常工作状态下，固定簇头节点，将这一节点的发射功率调大，而同一区域内的其他节点会自动调整发射功率，只需要足够和该区域内的簇头节点进行通信即可，使得相邻区域的节点只能看到簇头节点，即只有簇头节点的功率足够与相邻区域内的节点进行通信。

下面结合附图，通过一个具体的实施例对本发明的网络拓扑结构进行清楚、完整的描述。

图3是无线传感器网络一个实施例的拓扑结构示意图。在此实施例中有3条平行的输电线路，每条线路上布置有节点，不同线路的相同区域内的节点布置在一条垂直于线路的直线上，例如A1、B1和C1为1号区域内的节点，A2、B2和C2为相邻的2号区域内的节点。其中Bk为簇头节点，B3为基站节点，其余为子节点。由于同一条输电线路上相邻节点的距离间隔较大，如A1和A2节点的间距可能会达到千米以上，而不同线路的同一区域的节点间距与输电线的间距相同，仅为几米到几十米，因此可以近似认为某节点对相邻区域内的所有节点的通信代价基本相等，从而将本区域内所有节点数据汇总到簇头节点上。

系统的数据传输流程是：首先由子节点将发射功率调整为小档，然后将数据包传给本区域内的簇头节点，簇头节点收到子节点发送的数据包后，提取出其中的数据，与本节点传感器采集的数据进行融合，形成新的数据包，包括每个节点的节点号，以及对应的各传感器采集的数据，本地簇头节点号，重传次数，数据包序号等，然后继续向上传送，即传送给更接近基站节点的簇头节点。

以2号区域为例进行详细说明，将A2和C2节点的发射功率调整到小功率档，采集的数据首先传给B2节点，由B2节点汇总并进行一定的数据融合后再进一步转发给B3节点。同时，B2节点还负责从B1节点传来的数据的转发。

由于理论上每个区域内的所有节点都能够收到相邻区域的簇头节点的数据包，所以在正常情况下，子节点收到数据包以后都不再转发，而簇头节点收到之后，要继续向下一个区域的簇头节点进行发送。若簇头节点出现丢包，则与相邻区域的簇头节点进行沟通和重传，若子节点出现丢包(仅针对基站下发命令)，则首先与本区域内的簇头节点进行沟通和重传，若簇头节点也没有收到，再向相邻区域的簇头点要求重传。

仍以2号区域为例，当簇头节点B2出现故障时，簇头节点自动轮换，转而由A2节点担任簇头节点，即提高A2节点的发射功率，使2号区域内的信息汇总到A2节点，之后由A2节点进行数据融合后转发至基站节点。同时通知其相邻区域的簇头节点，本区域的簇头节点更换，使相邻区域的簇头节点更新自身路由信息。对于损坏的节点可以将其从网络中剔除，只由其余的节点进行数据的检测和传输，同时将节点的损坏情况发送至控制中心，以便能够及时更新或修复。

图4为架空线路的监测方法的流程图。架空线路的监测方法包括如下步骤：

S410，采集输电线路的参数。采集输电线路上的电压、电流、温度、张力等参数。

S420，将参数打包处理成完整的数据包。将参数加上包头等路由信息，构成完整的数据包。

S430，通过无线传感器网络多跳的方式发送数据包。将数据包发送给簇头节点，与簇头节点对采集的参数进行融合后再进行发送。

S440，接收簇头节点发送的数据包并通过手机网络发送给控制中心。将数据包转换成为TD-SCDMA、EDGE、GPRS中的一种格式，并通过手机网络发送给控制中心。

S410，对节点组网。提供节点，采用无线传感器网络多跳的方式对节点组网，该节点包括普通节点和基站节点。

S420，普通节点获取并处理参数信息。普通节点检测出线路上的张力，温度，电压，电流等相关参数信息并进行处理，再将处理后的参数信息发送到基站节点。

S430，基站节点获取并处理参数信息。基站节点检测线路上的参数信息并进行处理，还接收普通节点发送的参数信息并与自身检测的参数信息进行汇总和融合，再将融合后的参数信息通过移动网络通信方式上传到控制中心。

上述架空输电线路的监测装置及监测方法将一定区域内的数据汇总到簇头节点，在簇头节点处可以对数据进行一定程度的融合，减少了数据量，节省了带宽资源。同时由于只在基站节点处安装手机通信模块，节约了系统的成本，以及无线通信的费用。配有蓄电池作为备用电源，能提高装置的安全性。使用两块电路板组成节点，可以较方便地根据具体应用环境选装不同类型的传感器组，或者仅将节点作为通信节点使用。两块电路板上下摆放，可以减小节点占用的面积。节点的发射功率可调，避免了太大的功率造成电能的浪费，又不会因为功率太小影响通信的质量和可靠性。簇头节点故障时能够自动生成新的簇头节点，增强了装置的可靠性。使用TD-SCDMA模块，系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种架空输电线路的监测装置，包括通过无线传感器网络多跳的方式组网的节点，其特征在于，所述节点包括普通节点和基站节点，所述普通节点获取且处理输电线路的参数信息并将处理后的所述参数信息发送到所述基站节点，所述基站节点接收且处理所述输电线路参数信息并将所述处理后的输电线路的参数信息通过移动网络通信方式上传到控制中心；所述普通节点分为簇头节点和子节点，每个区域内的子节点将采集的输电线路的参数信息打包成数据包后传送给所属区域的簇头节点，与该簇头节点采集的输电线路参数信息进行融合，形成新的数据包，并传送给相邻区域离所述基站节点更近的簇头节点；所述数据包包括该节点采集的输电线路参数信息、该节点的节点号、当前区域的簇头节点号、重传次数和当前数据包序号；所述新的数据包包括每个节点的节点号及每个节点对应采集的输电线路参数信息、本地簇头节点号、重传次数、新的数据包序号；所述无线传感器网络多跳的方式组网是每个区域内的所有节点都位于一条垂直于输电线路的直线上，所述节点的发射功率可调，所述每个区域内的所有节点中只有一个簇头节点，当簇头节点出现故障时，由同一区域内的任意一个子节点增大发射功率，成为新的簇头节点，同时通知相邻区域的簇头节点本区域的簇头节点更换，使相邻区域的簇头节点更新自身路由信息。

2.根据权利要求1所述的架空输电线路的监测装置，其特征在于，所述普通节点和基站节点均包括传感器模块、数据处理模块、射频收发模块和电源模块，且所述基站节点还包括手机通信模块；所述传感器模块用于采集输电线路的参数信息；所述数据处理模块接收所述传感器模块传送的输电线路的参数信息并处理生成数据包；所述射频收发模块接收所述数据处理模块传送的数据包，经过处理后通过无线传感器网络多跳的方式进行发送，还用于接收和转发其他普通节点发送的数据包；所述电源模块用于提供发射能量；所述手机通信模块和所述射频收发模块相连接，用于将所述射频收发模块接收的数据包转换成适合移动通信网络格式的数据包，并发送给控制中心。

3.根据权利要求1所述的架空输电线路的监测装置，其特征在于，所述无线传感器网络多跳的方式组网是把要监测的输电线路分为至少一个空间，每个空间内设置一个基站节点，所述某空间内的所有的普通节点采集的输电线路的参数信息经所述某空间的基站节点传送给控制中心。

4.根据权利要求1所述的架空输电线路的监测装置，其特征在于，所述输电线路的参数信息包括当前线路的张力、温度、电压和电流。

5.根据权利要求2所述的架空输电线路的监测装置，其特征在于，所述普通节点的电源模块包括电压互感器和蓄电池；正常情况下，由电压互感器通过输电线路获得供普通节点使用的能量，且保持蓄电池为充满状态；当输电线路出现异常时，转换为蓄电池供电，待恢复正常后再由电压互感器将蓄电池充满；所述基站节点的电源模块为固定电源。

6.根据权利要求2所述的架空输电线路的监测装置，其特征在于，所述数据处理模块和射频收发模块封装在第一电路板上，所述传感器模块封装在第二电路板上，两块电路板之间通过插针的方式互连。

7.根据权利要求6所述的架空输电线路的监测装置，其特征在于，所述第一电路板和第二电路板是上下摆放的。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的架空输电线路的监测装置，其特征在于，所述基站节点的手机模块是TD-SCDMA模块、EDGE模块、GPRS模块中的一种。

9.一种架空输电线路的监测方法，包括如下步骤：

S410，提供节点，采用无线传感器网络多跳的方式对所述节点组网，所述节点包括普通节点和基站节点；S420，所述普通节点获取且处理输电线路的参数信息并将处理后的所述输电线路的参数信息发送到所述基站节点；S430，所述基站节点接收且处理所述输电线路的参数信息并将处理后的输电线路的参数信息通过移动网络通信方式上传到控制中心；所述普通节点分为簇头节点和子节点，每个区域内的子节点将采集的输电线路的参数信息打包成数据包后传送给所述区域的簇头节点，与该簇头节点采集的输电线路参数信息进行融合，形成新的数据包，并传送给相邻区域离所述基站节点更近的簇头节点；所述数据包包括该节点采集的输电线路参数信息、该节点的节点号、当前区域的簇头节点号、重传次数和当前数据包序号；所述新的数据包包括每个节点的节点号及每个节点对应采集的输电线路参数信息、本地簇头节点号、重传次数、新的数据包序号；所述无线传感器网络多跳的方式组网是每个区域内的所有节点都位于一条垂直于输电线路的直线上，所述节点的发射功率可调；所述每个区域内的所有节点中只有一个簇头节点，当簇头节点出现故障时，由同一区域内的任意一个子节点增大发射功率，成为新的簇头节点，同时通知相邻区域的簇头节点本区域的簇头节点更换，使相邻区域的簇头节点更新自身路由信息。

10.根据权利要求9所述的架空输电线路的监测方法，其特征在于，所述S420步骤包括采集输电线路的参数信息；根据采集的输电线路的参数信息处理生成数据包，所述数据包包括该节点采集的输电线路参数信息、该节点的节点号、当前区域的簇头节点号、重传次数和当前数据包序号；将生成的数据包通过无线传感器网络多跳的方式进行发送。

11.根据权利要求9所述的架空输电线路的监测方法，其特征在于，所述无线传感器网络多跳的方式组网是把要监测的输电线路分为至少一个空间，每个空间内设置一个基站节点，所述某空间内的所有的普通节点采集的输电线路的参数信息经所述某空间的基站节点传送给控制中心。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的架空输电线路的监测方法，其特征在于，所述输电线路参数信息包括当前线路的张力、温度、电压和电流。

13.根据权利要求9至11中任一项所述的架空输电线路的监测方法，其特征在于，所述移动网络通信方式为TD-SCDMA、EDGE和GPRS中的一种或多种。