CN102867399A - 基于无线传感器网络的高压电力线受力断裂监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感器网络的高压电力线受力断裂监测系统，包括无线传感器节点网络和后台监控中心，无线传感器网络包括用以收集电力线受力数据和环境数据的传感器节点和用于传输数据的Sink节点，传感器节点与所述Sink节点连接，所述Sink节点与后台监控中心，在每根电线杆上放置一个所述传感器节点，所述传感器节点上温度和湿度传感器，与所述电线杆连接的电力线的高处安装张力传感器，所述张力传感器通过屏蔽线与无线传感器节点连接，所述后台监控中心包括用以将采集到的张力与预设最大拉断力比较，当张力超过最大拉断力时发出告警信号的异常监测模块。本发明低功耗、提高监测的准确性和实时性。

Description

基于无线传感器网络的高压电力线受力断裂监测系统

技术领域

本发明属于高压电力线监测技术领域，具体为一种能够利用低功耗无线传感器网络采集、处理、传输高压电力线受力信息的监测与报警系统。

背景技术

2008年我国南方遭遇雪灾，电力线普遍覆冰，严重情况下导致电力线断裂，由于电力公司无法判断电缆将要在何处断裂以及断裂后的具体位置，故无法进行及时抢修，这是现在电力线系统普遍存在的问题。

现有的电力线受力监测系统有采用张力传感器，利用全球移动通信系统（GSM）或通用分组无线电业务（GPRS）网络进行通信，分析电力线覆冰状况，对电力线覆冰时的受力状况进行监测的。但是GMS和GPRS网络都是收费型的网络，并且存在较大的局限性，因此这影响了系统的应用范围和应用前景。

基于无线传感器网络的电力线受力监测与报警系统，由于无线传感器网络是多跳网络，具有无主站、自组织、自治、自适应、体积小、价格便宜等优点，而且网络的通信是完全免费的，这对于系统的普及有很大的帮助。并且该系统可以实现全范围监测，减少传统人工监测的高额成本，提高监测的可靠性。它的研究成果可以满足电力系统在这个方面的需求，应用前景广阔。

目前针对电力线监测的国内专利有专利[1]林菲，李增军.电力线路接点温度监测系统[P].中国专利：200420112527。专利[1]公开了一种电力线路温度的监测系统，包括若干监测装置和控制装置。专利[2]叶耀确，潘润东.远程电力线路断线监控系统[P].中国专利:200820049172.8。专利[2]采用了由联网监控中心、传输网络和若干智能报警终端组成的监控系统。专利[3]刘建山.电力线覆冰监测装置[P].中国专利:200920276523.3。专利[3]是针对电力线覆冰情况进行监测的装置，该装置通过温湿度传感器和视频传感器读取数据，谈后通过GPRS将数据传输到变电站监控主机。专利[4]谢完成.基于GPRS的电力线覆冰监测装置[P].中国专利:201020617498.3.专利[4]提出了一个设置有太阳能电池和备用电池的监测装置，保证了电力的持续供电。以上这些专利都对电力线进行了监测，有基于电脉冲的，也有基于环境参数的，都采用了相应的传感器，并用GPRS将数据传送至终端，但都没有提及无线传感网络的应用。

发明内容

为了解决已有电力线监测系统中能耗较高、准确性较低、实时性较差的不足，本发明提供一种低功耗、提高监测的准确性和实时性的基于无线传感器网络的高压电力线监测系统。

为了解决上述技术问题提出的技术方案为：

一种基于无线传感器网络的电力线监测系统，所述电力线监测系统包括无线传感器节点网络和后台监控中心，所述无线传感器网络包括用以收集电力线受力数据和环境数据的传感器节点和用于传输数据的Sink节点，所述传感器节点与所述Sink节点连接，所述Sink节点与后台监控中心连接，在每根电线杆上放置一个所述传感器节点，所述传感器节点包括温度和湿度传感器，以及与所述电线杆连接的电力线的高处安装的张力传感器，所述张力传感器通过屏蔽线与无线传感器节点连接，所述后台监控中心包括用以将采集到的张力与预设最大拉断力比较，当张力超过最大拉断力时发出告警信号的异常监测模块。

进一步，所述后台监控中心还包括用以动态地显示各节点位置的受力情况和环境参数，将相关信息存入数据库，提供各种方式的查询服务的监测显示模块。

更进一步，所述后台监控中心还包括用以将告警信号通过短信猫发送到所在位置的指定手机号码的短信通知模块。

所述传感器节点包括数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块，其中，数据采集模块包括张力传感器、温湿度传感器和风力传感器，数据采集模块采集到数据后传至数据处理模块，数据处理模块主要是考虑采集到的数据存在较大的冗余，同时为了节省节点的能量，我们会对采集的数据进行处理，然后通过数据传输模块发送至Sink节点，所述的电源管理模块包括蓄电池和充放电模块，充电主要采用太阳能充电机制，这样可以保证传感器节点的续航能力。

所述Sink节点包括数据处理模块、数据传输模块、GPRS模块和电源管理模块；数据传输模块接收来自监测节点的数据，而数据处理模块主要是对多个传感器节点发送过来的数据进行汇聚处理，然后通过GPRS模块传送至后台监测中心。

本发明的技术构思为：由无线传感器节点网络和后台监控中心两部分组成，其特征在于所述传感器节点网络能够采集电力线受力数据和环境数据，并将数据传至Sink节点，再由Sink节点将数据传输到后台监控中心，通过后台监控中心将收到的数据进行汇总处理，动态显示地显示各节点的受力情况，将相关信息存入数据库，并用我们设计的预测算法对数据进行分析，并异常情况进行报警，并提供各种方式的查询服务，所述无线传感器节点网络由监测节点和Sink节点（即汇聚节点）组成，所有监测节点和Sink节点构成了一个统一的无线传感器网络。

本发明的有益效果为：采用无线传感器节点网络和后台监控终端相配合的形式，可以很好地解决电力线的监测问题，免去人工检查的繁琐过程和维护次数，既减少成本，同时又提高了监测的可靠性，是一种有利于实时对高压电力线进行监控和报警的系统。

附图说明

图1为系统示意图。

图2为电力线受力情况示意图。

图3为受力监测终端结构示意图。

图4为张力传感器示意图。

附图标号说明：1—无线传感器节点网络、2—后台监控终端3—Sink节点、4—无线传感器监测节点、5—张力传感器、6—短信猫。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1：一种基于无线传感器网络的高压电力线监测系统，包括无线传感器节点网络1和后台监控中心2，所述无线传感器节点网络能够采集电力线受力数据和环境数据，并将数据传至Sink节点3，再由Sink节点3将数据传输到后台监控中心2，通过后台监控中心2将收到的数据进行汇总处理，动态显示地显示各节点的受力情况，将相关信息存入数据库，对异常情况进行报警，并提供各种方式的查询服务，所述无线传感器节点网络1由Sink节点3、无线传感器节点4和张力传感器5组成，所有Sink节点3和无线传感器节点4以及张力传感器5构成了一个统一的无线传感器网络。张力传感器5通过屏蔽线将采集到的高压电力线受力信息传递给无线传感器节点4，无线传感器节点4本身自带温度和湿度传感器，故通过无线传感器节点4可采集到电力线受力数据和环境数据，然后将数据以一定格式的数据包的形式经过无线传感器网络1发送到Sink节点3，再由Sink节点3将数据传输到后台监控系统2，后台监控系统2发现异常情况时通过短信猫6将异常信息发送到指定的手机上。

参照图2：所述的电力线受力情况，可通过架空电线上作用的张力大小与电线材质、截面积和承受的荷载等因素计算获得。为了表征和比较电线的受力情况，通常以单位截面上的量值来进行电线的力学计算。可把单位截面上作用的张力称为应力(σ)，单位为N/mm²或MPa；电线单位长度、单位截面上承受的荷载称为比载（r），单位用N/mm²·m或MPa/m表示。在覆冰情况下，电线垂向比载（r_v）包括电线自重比载(r_v1)和覆冰比载(r_v2)： $r_v=r_{v1}+r_{v2}=\frac{{\mathrm{qg}}_n}{A}+\frac{0.9\mathrm{\π}{g}_{n}b(b+D)\×{10}^{-3}}{A}.$ 其中，q为电线单位长度质量(kg/m)；gn为重力加速度(N/kg)；A为电线截面积(mm²)；b为覆冰厚度(mm)；D为电线外径(mm)。电线水平比载(r_h)为： $r_h=\frac{(D+2b)W_o\mathrm{\α}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{sc}}{\mathrm{\μ}}_z{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\θ}}{10}^{-3}}{A}.$ 其中，W_o为基准风压标准值；α为风压不均匀系数；μ_sc为电线体型系数；μ_z为风压高度变化系数；μ_θ为风压随风向的变化系数。有冰有风时，电线的综合比载r为：电线任一点C的轴向应力σ_x与该点对最低点高差之间的关系式为：σ_x=σ_o+r(y-y_o)(N/mm²)。其中，σ_o为电线最低处的水平应力，r为比载，y和y_o分别为电线C点和O点处的纵坐标值(m)。由上式可知，在同一档内电线相对高度越高的点上，其轴向应力越大。因此，我们在安装张力传感器的时候一定要将其装在电力线相对位置较高的地方。

参照图3：所述无线传感器节点选用工作在2.4GHz免费频段的JN5139型无线传感器节点。所述无线传感器节点通过CPU控制AD转换器周期性的采集张力、温度、湿度和风力数据，通过自身带有的12位高精度的AD转换器将各个传感器传来的信号转换为数字信号，CPU将各种传感器采集到的数据按一定的格式通过无线收发器发送给靠近汇聚节点的JN5139节点，节点在收到数据包之后即将数据包发送给离其最近且靠近汇聚节点的节点。JN5139节点采用定期休眠和唤醒机制，这样可以节省能量，使整个无线传感器网络在没有光照的情况下持续运行更长的时间。

参照图4：所述的张力传感器，电力线通过U形螺栓固定在传感器上，当钢丝绳受拉力时，力通过导向轮作用于传感器上，传感器内部应变片产生形变之后经过特定的电路产生对应的受力信号，张力传感器内部自带放大电路，输出信号为0～5V的模拟电压信号，综合精度误差为±0.3%F·S，工作温度为－20°C～＋60°C，工作电压为12V，量程为10T，大于一般用于110千伏高压输电线的最大拉断力（一般用于传输110千伏高压输电线为：钢线7根直径2.4mm，铝线24根直径3.6mm，拉断力75620牛约7716千克）。

所述后台监控中心系统主界面，图中黑色区域为受力图形显示区，受力大小以柱形图显示，当受力数据属于正常范围的时候，受力数据将在接收显示区显示，否则就在异常数据显示区显示，同时通过短信猫将受力异常数据发至指定的手机号码上，即使没有人在后台监控系统旁也可以知道哪里电力线将要或者已经出现了故障，这样可以使电力公司迅速组织人力物力及时解决电力线因覆冰或其他原因而出现的险情。本系统另外一个功能是可以根据日期和受力等条件查询电力线的受力数据，供日后电力部门工作人员分析电力线因环境等因素受力改变提供原始数据。

Claims (5)

1.一种基于无线传感器网络的高压电力线受力断裂监测系统，其特征在于：所述电力线监测系统包括无线传感器节点网络和后台监控中心，所述无线传感器网络包括用以收集电力线受力数据和环境数据的传感器节点和用于传输数据的Sink节点，所述传感器节点与所述Sink节点连接，所述Sink节点与后台监控中心连接，在每根电线杆上放置一个所述传感器节点，所述传感器节点包括温度和湿度传感器，以及与所述电线杆连接的电力线的高处安装的张力传感器，所述张力传感器通过屏蔽线与无线传感器节点连接，所述后台监控中心包括用以将采集到的张力与预设最大拉断力比较，当张力超过最大拉断力时发出告警信号的异常监测模块。

2.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的电力线监测系统，其特征在于：所述后台监控中心还包括用以动态地显示各节点位置的受力情况和环境参数，将相关信息存入数据库，提供各种方式的查询服务的监测显示模块。

3.如权利要求1或2所述的基于无线传感器网络的电力线监测系统，其特征在于：所述后台监控中心还包括用以将告警信号通过短信猫发送到所在位置的指定手机号码的短信通知模块。

4.如权利要求1或2所述的基于无线传感器网络的电力线监测系统，其特征在于：所述传感器节点包括数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块，其中，数据采集模块包括张力传感器、温湿度传感器和风力传感器，数据采集模块采集到数据后传至数据处理模块，并通过数据传输模块发送至Sink节点。

5.如权利要求1或2所述的基于无线传感器网络的电力线监测系统，其特征在于：所述Sink节点包括数据处理模块、数据传输模块、GPRS模块和电源管理模块；数据传输模块接收来自监测节点的数据经数据处理模块处理后通过GPRS模块传送至后台监测中心。

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