CN102818590A - 基于无线传感器网络的输电线路覆冰在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于无线传感器网络的输电线路覆冰在线监测系统，通过采集导线及周围环境的状态信息来实现对输电线路覆冰情况远程实时监测，成本较低，结构简单，数据传输相对可靠。为达到上述目的，本发明的技术方案这样实现：一种基于无线传感器网络的输电线路覆冰在线监测系统，包括若干终端数据采集节点，若干数据汇聚节点，一监测网关，一卫星，一远端监控中心，所述各终端数据采集节点可以通过Zigbee无线链路与所述数据汇聚节点通信，所述各数据采集节点之间不能相互通信。

Description

基于无线传感器网络的输电线路覆冰在线监测系统

 

技术领域

本发明涉及传感器技术和无线通信技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的输电线路覆冰在线监测系统，属于无线传感器网络应用领域。

背景技术

架空输电线路是电力系统的重要组成部分，其可靠性和运行状况直接关系到整个系统的安全，也决定着供电质量和供电可靠性。冰雪灾害是影响架空线路安全运行的自然灾害之一，输电线路覆冰可能引起输电线路过载、跳闸、导线舞动、绝缘子串覆冰闪络等事故，特别是我国2008年雪灾造成南方电网严重覆冰，导致输电线路多处断线、塔杆断裂倒塌等严重事故，给国民经济带来重大损失。

目前，国内外大多进行覆冰理论、冰闪机理和塔杆强度设计等方面的工作，建立了大量的观冰站、气象站进行现场观察和数据收集，研究了大量预报结冰事件、导线除冰、地线除冰等技术，但针对覆冰雪在线监测技术的研究较少，2008年的冰灾事故促进了覆冰雪在线监测技术的研发和应用。

专利号为201020141329.7，名称为“应用无线传感器网络的输电线路导线状态在线监测装置”公开了一种基于Zigbee技术的输电线路综合在线监测装置。每个传感器监测节点仅集成了加速度传感器，角度传感器和温度传感器，然而根据输电线路覆冰计算的要求，需要针对温度、湿度、风速、倾斜角度及导线受力变化等参数进行监测，因此该发明仅对输电线路状况进行大体监测，而不能针对输电线路具体的覆冰情况进行监测。同时，所有传感器节点采用电池供电方式，由于节点完全处在室外环境，大大降低了电池的可靠性，一旦电池电量耗尽，人力更换电池相对比较困难。

申请号为201110154537.X，名称为“电网输电线路监测方法和系统”，公开了一种基于传感器多维感知技术的输电线路在线监测方法和系统，有效预防和减少电网输电线路事故。该发明采用多种传感器采集输电线路各项参数,对输电线路覆冰、舞动、污秽等故障进行监测。但是该发明中数据传输采用TD一SCDMA网络或接入光纤复合架空地线(OPGW)。前一种方式完全依赖于移动通信网络，在移动信号不能覆盖的偏僻区域，数据将不能及时可靠地传输。铺架光纤复合架空地线代价过高，不易实现。

发明内容

本发明的目的在于针对以上现有技术的不足，提出了一种基于无线传感器网络的输电线覆冰监测技术，通过采集导线及周围环境的状态信息来实现对输电线路覆冰情况远程实时监测，成本较低，结构简单，数据传输相对可靠。

为达到上述目的，本发明的技术方案这样实现：

一种基于无线传感器网络的输电线路覆冰在线监测系统，包括若干终端数据采集节点，若干数据汇聚节点，一监测网关，一卫星，一远端监控中心，其特征在于：所述各终端数据采集节点可以通过Zigbee无线链路与所述数据汇聚节点通信，所述各数据采集节点之间不能相互通信。

在某一实施例中，所述系统采用层次网络结构，下层基础网络为星型结构，上层骨干网络为链状结构。

在某一实施例中，所述系统将特定区域内数个终端数据采集节点和一个数据汇聚节点划分为簇，将该区域中所述多个数据终端数据采集节点作为簇内节点，一个数据汇聚节点作为簇首节点，组建局部星型网络，作为下层基础网络；而架空输电线路通常呈队列式排列，所有数据汇聚节点则组建链状网络，作为上层骨干网络。

在某一实施例中，所述终端数据采集节点采集相关输电线路状态数据，包括环境温度和湿度、即时风速、绝缘子串倾角和绝缘子串所受拉力的数据，并将采集到的数据传输到所述数据汇聚节点。

在某一实施例中，所述终端数据采集节点包括微处理器、Zibgee通信模块，温湿度传感器、拉力传感器、倾角传感器、风速传感器和供电模块。

在某一实施例中，所述数据汇聚节点协调和收集簇内所述终端数据采集节点的工作状态和监测数据，并通过簇首转发的形式将数据传送至所述监测网关。

在某一实施例中，所述无线传感器网络所有节点均采用导线感应取能电源。

本发明还公开了一种基于无线传感器网络的输电线路覆冰在线监测系统进行监测的方法，包括：

在每个输电线塔杆的各路输电线绝缘子串上人工设置数个终端数据采集节点和一个数据汇聚节点，构成一个簇；

各终端数据采集节点上电后，进入工作模式开始进行监测点输电线路周围环境的温湿度，绝缘子串倾角、所受拉力和即时风速等相关数据的采集，并将采集到的数据发送给对应数据汇聚节点；

在完成数据采集及发送后，各终端数据采集节点关闭Zigbee通信模块再次进入休眠模式；

各数据汇聚节点定时采集监测点数据，并且将自身采集到的数据与本簇内各终端数据采集节点的数据进行融合，待监听到监测网关发来数据接收命令时，将数据转发给相邻数据汇聚节点；

监测数据经过链状多跳中继最终到达监测网关；

所述监测网关通过卫星把所述监测数据传输至远端监控中心；

所述远端监控中心通过对监测数据进行分析来确定该输电线路的覆冰情况。

本发明系统的优越性在于：

（1）数据采集节点集成多种传感器，可以对输电线及周围环境参数进行监测，实现对输电线覆冰情况更为精确的分析。

（2）基于IEEE 802.15.4标准和Zigbee技术组建局部无线传感器网络，数据通过链式多跳形式进行远距离传输，再通过卫星通信网络与远端监控中心通信，有效解决了移动网盲区覆盖问题，同时实现了低成本高效率远程监控。

（3）本发明系统中所有节点均采用导线感应取能电源，同时配备锂电池作为备用电池，从而确保了节点的不间断供电，同时大大降低了后期维护的难度。

附图说明

图1为本发明在线监测系统总体结构示意图；

图2为本发明在线监测系统无线传感器网络中终端数据采集节点硬件结构示意图；

图3为本发明在线监测系统无线传感器网络中数据汇聚节点硬件结构示意图；

图4为取能电源工作原理图；

图5为本发明在线监测系统无线传感器网络中终端数据采集节点程序流程图；

图6为本发明在线监测系统无线传感器网络中数据汇聚节点程序流程图。

图中：101.终端数据采集节点，102.Zigbee无线链路，103.数据汇聚节点，104.监测网关，105.卫星通信网络，106.远端监控中心，201.微处理器，202.Zigbee通信模块，203.温湿度传感器，204.拉力传感器，205.倾角传感器，206.风速传感器，207.供电模块，301.微处理器，302.Zigbee通信模块，303.温湿度传感器，304.拉力传感器，305.倾角传感器，306.风速传感器，307.供电模块，308.外部存储器，401.高压输电线路，402.取能线圈，403.过流保护模块，404.整流滤波模块，405.降压模块，406传感器节点，407.电源管理模块，408.锂电池组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明系统进行详细描述。

参照图1，本发明输电线路覆冰在线监测系统中无线传感器网络为层次型结构。本监测系统包括：若干终端数据采集节点101，一Zigbee无线链路102，若干数据汇聚节点103，一监测网关104，一卫星通信网络105，一远端监控中心106。特定区域内数个终端数据采集节点101和一个数据汇聚节点103划分为簇，该区域中数据终端数据采集节点101作为簇内节点，一个数据汇聚节点103作为簇首节点，组建星型网络，作为下层基础网络。由于架空输电线路通常呈队列式排列，所有数据汇聚节点103组建链状网络，作为上层骨干网络。采用此层次型网络拓扑结构便于集中管理，可以降低系统成本，提高网络覆盖率和数据传输可靠性。

其中，终端数据采集节点101属于无线传感器网络中的精简功能设备，负责采集相关输电线路状态数据，包括环境温湿度、风速、绝缘子串倾角、绝缘子串所受拉力等数据，并将采集到的数据传输到数据汇聚节点103。由于没有路由功能，各终端数据采集节点101之间不能相互通信。其硬件结构如图2所示，包括微处理器201、Zibgee通信模块202，温湿度传感器203、拉力传感器204、倾角传感器205、风速传感器206、供电模块207。其中：

微处理器201作为主控制器，控制各终端数据采集节点101工作状态的切换以及数据的采集和发送。Zigbee通信模块202用于终端数据采集节点101与对应数据汇聚节点103之间的数据传送与通信。温湿度传感器203用于采集线路周围环境温湿度。拉力传感器204用于采集绝缘子串所受拉力。倾角传感器205用于采集绝缘子串倾斜角度。风速传感器206用于采集周围环境风速。供电模块207用于各终端数据采集节点101的供能,其具体工作方法将在后面内容中阐述。

数据汇聚节点103属于无线传感器网络中的全功能设备，主要负责协调和收集簇内终端数据采集节点101的工作状态和监测数据，并通过簇首转发的形式将数据传送至监测网关104。其硬件结构与终端数据采集节点101相似，添加外部存储器308以满足大量数据存储要求。

微处理器选用C8051F021单片机。该芯片在极小的封装中集成了高速8051CPU、12位ADC、64KB Flash存储器和4352B RAM等，32个I/0引脚，工作电压2.7-3.6V，满足各传感器节点功能需求。

Zigbee通信模块选用Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是Chipcon公司开发的首款符合ZigBee标准的2. 4 GHz射频芯片，利用此芯片开发的无线通信设备数据传输速率高达250kbps。该芯片性能稳定且功耗低，加大发射功率后相近两节点之间的通信距离可达200-500m,满足本发明系统中各节点之间的通信要求。

温湿度传感器选用集成温湿度传感器SHT71。该芯片工作电压范围是2.4-5.5V，温度测量误差0.4，相对湿度测量误差3%。处理器通过二线串行数字接口与SHT71进行通信，接口简单，传输可靠。

拉力传感器选用S型拉压传感器。该传感器属电阻应变式传感器，输出信号为电信号。具有测量速度快、结构简单、使用方便、性能稳定可靠等特点。

倾角传感器选用集成角度传感器SCA100T。该传感器为双轴倾角传感器测量范围30或90，单极5V供电，数字SPI输出与微处理器连接，具有稳定性好，抗冲击能力强，高分辨率的特点。

风速传感器选用WAA15风速传感器。该传感器是低门槛值(0.4m/s)、测量风速范围为0-75m/s的三杯式光电风速计，具有较高的灵敏度和较大的测量范围。它的输出为数字信号，可直接与微处理器相连接。

本发明中无线传感器网络所有节点均采用导线感应取能电源加锂电池组供电方式。供电模块工作原理如图4所示。感应取能供电方式是利用电磁感应原理, 通过取能线圈402从高压输电线路401上感应交流电压, 然后经过整流滤波404和降压405后变为直流输出，为传感器节点406供电。正常情况下传感器节点由取能电源供电，在输电线路故障停电时，电源管理模块407将供电方式切换为锂电池组408供电，这样就保证了节点的不间断供电，提高了整个监测系统的可靠性。

本发明中层次型无线传感器网络组网分为两步：

（1）上层骨干网络的建立。监测网关上电后完成初始化，并建立网络。各数据汇聚节点103依次上电并初始化，在第一个上电的数据汇聚节点103完成入网后，下一个数据汇聚节点103入网并与上一个数据汇聚节点103进行关联，这样就形成了包括监测网关104和各数据汇聚节点103在内的链状网络。 

（2）下层基础网络的建立。数据汇聚节点103完成上层骨干网络组网后，广播组网信息，等待终端数据采集节点101入网。相邻区域内终端数据采集节点101上电初始化后发送申请入网信息，在接收到对应数据汇聚节点103回复信息后完成入网，由此组建以一个数据汇聚节点103为簇首节点，数个终端数据采集节点101为簇内节点的局部星型网络。完成组网后，簇首节点为每个簇内节点分配地址和时隙，以保证各簇内节点在所分配时间内向簇首节点发送数据，避免各簇内节点的碰撞。

本发明系统的具体工作步骤为：在每个输电线塔杆的各路输电线绝缘子串上人工设置数个终端数据采集节点101和一个数据汇聚节点103。各终端数据采集节点101上电后，完成初始化及组网后即进入休眠模式。微处理器201定时唤醒各终端数据采集节点101退出休眠模式，进入工作模式开始进行监测点输电线路周围环境的温度、湿度，绝缘子串倾角、所受拉力和即时风速等数据的采集，并将采集到的数据发送给对应数据汇聚节点103。在完成数据采集及发送后，各终端数据采集节点101关闭Zigbee通信模块202再次进入休眠模式。数据汇聚节点103上电完成初始化和组网随后一直处于监听模式。各数据汇聚节点103定时采集监测点数据，并且将自身采集到的数据与本簇内各终端数据采集节点101的数据进行融合，待监听到监测网关104发来数据接收命令时，将数据转发给相邻数据汇聚节点103。监测数据经过链状多跳中继最终到达监测网关104。监测网关104通过卫星通信网络105把监测数据传输至远端监控中心106。远端监控中心106通过对监测数据进行分析来确定该输电线路的覆冰情况，以便进一步进行除冰或修护工作。终端数据采集节点101和数据汇聚节点103工作程序流程如图5和图6所示。

本发明基于无线传感器网络的输电线路覆冰在线监测系统，通过组建层次型无线传感器网络完成监测点导线温度、环境湿度、风速、绝缘子串倾角、绝缘子串所受拉力等数据的采集，实现了对输电线路覆冰情况的可靠实时远程监测。

Claims (8)

1. 一种基于无线传感器网络的输电线路覆冰在线监测系统，其包括若干终端数据采集节点，若干数据汇聚节点，一监测网关，一卫星，一远端监控中心，其特征在于：所述各终端数据采集节点可以通过Zigbee无线链路与所述数据汇聚节点通信，所述各数据采集节点之间不能相互通信。

2. 如权利要求1所述系统，其采用层次网络结构，下层基础网络为星型结构，上层骨干网络为链状结构。

3. 如权利要求2所述系统，其中将特定区域内数个终端数据采集节点和一个数据汇聚节点划分为簇，将该区域中所述数据终端数据采集节点作为簇内节点，一个数据汇聚节点作为簇首节点，组建星型网络，作为下层基础网络；而架空输电线路通常呈队列式排列，所有数据汇聚节点则组建链状网络，作为上层骨干网络。

4. 如权利要求1所述系统，其中所述终端数据采集节点采集相关输电线路状态数据，包括导线周围环境温湿度、即时风速、绝缘子串倾角和绝缘子串所受拉力的数据，并将采集到的数据传输到所述数据汇聚节点。

5. 如权利要求1所述系统，其中所述终端数据采集节点包括微处理器、Zibgee通信模块，温湿度传感器、拉力传感器、倾角传感器、风速传感器和供电模块。

6. 如权利要求1所述系统，其中所述数据汇聚节点协调和收集簇内所述终端数据采集节点的工作状态和监测数据，并通过簇首转发的形式将数据传送至所述监测网关。

7. 如权利要求1所述系统，其中所述无线传感器网络所有节点均采用导线感应取能电源。

8. 一种基于如权利要求1-7所述系统进行监测的方法，包括：

在每个输电线塔杆的各路输电线绝缘子串上人工设置数个终端数据采集节点和一个数据汇聚节点，构成一个簇；

各终端数据采集节点上电后，进入工作模式开始进行监测点输电线路的温度、湿度，绝缘子串倾角、所受拉力和即时风速的相关数据，并进行采集，并将采集到的数据发送给对应数据汇聚节点；

在完成数据采集及发送后，各终端数据采集节点关闭Zigbee通信模块再次进入休眠模式；

各数据汇聚节点定时采集监测点数据，并且将自身采集到的数据与本簇内各终端数据采集节点的数据进行融合，待监听到监测网关发来数据接收命令时，将数据转发给相邻数据汇聚节点；

监测数据经过链状多跳中继最终到达监测网关；

所述监测网关通过卫星把所述监测数据传输至远端监控中心；

所述远端监控中心通过对监测数据进行分析来确定该输电线路的覆冰情况。

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