CN204405200U - 基于无线传感网络的输电线路测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于无线传感网络的输电线路测量系统，其包括至少一个测量集群，所述每一个测量集群均包括：一中心节点测量装置以及与该中心节点测量装置通过无线传感网络连接的若干从节点测量装置；其中，各从节点测量装置检测与其对应的检测点的输电线路母线接头处的温升以及母线的电流，并将检测到的数据通过所述无线传感网络近距离传输给中心节点测量装置；所述中心节点测量装置具有远程传输模块，所述中心节点测量装置检测与其对应的检测点的输电线路母线接头处的温升以及母线的电流，并将其检测到的数据连同各从节点测量装置传输给中心节点检测装置的数据一并通过远程传输模块发送出去。

Description

基于无线传感网络的输电线路测量系统

技术领域

本实用新型涉及输电线路测量领域，具体为一种基于无线传感网络的输电线路测量系统。

背景技术

输电事故多发于线路接头接触电阻、过负荷等因素引起的接头温度过高，使得接头处绝缘变差或烧崩，突发故障引起火灾，给工业生产现场带来了严重的不安全隐患，甚至导致被迫停机。而且输电线路跳线处的断线一般不会有接地点，所以对故障定位将会有一定困难，这就进一步延长了停电时间，造成短时间无法恢复生产的严重事故，造成重大经济损失和社会影响。

输电线路跳线接头，特别是用并沟线夹连接的接头和变电站引下线处使用螺栓线夹的接头，经过一段时间运行后，个别线夹由于螺栓松动、铝表面氧化等多种原因，接触电阻增大。当通过比较大的负荷电流时，在线夹接触面局部区域会过热发红，以致烧熔成洞或者表面烧成凹凸不平，从而又进一步增大了接触电阻，严重者可能烧断跳线/引下线造成事故。由此可见，输电线路跳线接头是输电线路中的一个薄弱环节，对输电线路跳线接头进行实时监测并对危险点及时采取补救措施具有极其重要的意义：一是大大减少发现输电线路跳线接头故障的时间，从而可以及早发现和检修有故障的输电线路跳线接头，避免因此而引起的停电等事故的发生；二是大大减少输电线路跳线接头的盲目检修，从而节省工作量巨大的线路维护工作。

目前对输电线路跳线接头常用的测温方法有：红外测温、导线接触式测温以及光纤式智能型导线测温。其中，红外测温的优点在于可用于远距离非接触式测量，灵敏度高、反应速度快、精度高、测量范围广；缺点在于其主要是利用表面热效应来进行在线监测，对外部发热故障检测效果较好，对于由于内部导致的发热故障，则需要结合其他方法；并且这种非接触式远程红外测温的方法需要巡线工人利用红外测量仪在用电高峰期逐个测量跳线接头温度来判断是否需要对跳线接头进行检修，对人力造成极大浪费，并且对监测目标的判断比较盲目；另外，由于是人工操作，不能够很好的对准被测点，并且仪器比较灵敏，易受设备现场环境干扰。导线接触式测温采用收费的GPRS/GSM等通讯方式，需要每个测温节点实时监测并发送大量数据到监控主站，这就造成了通讯花费高的缺点；另外，其主要针对导线温度进行测量，也可监测部分导线接头，但由于导线接头体积小个数多，对于导线接头温度的监测难定位，很难实际应用这种方法。光纤式智能型导线测温是将通信光纤并入传统的ACSR导线(钢芯铝绞线)，并使其与线路终端的仪表相连，以此来收集导线温度数据。分布式光纤测温更适合于电力电缆线路运行温度连续的在线检测和后期应用平台的软件开发，采用该技术不仅能够连续地实时检测线路的表面温度和测算稳态载流量，及时发现局部过热点位置，同时可检测和分析运行中线路绝缘状态；缺点是实施费用较高，短期内不可能对电网进行如此大规模大成本的改造。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服上述不足以提供一种基于无线传感网络的输电线路测量系统，该系统能对输电线路尤其是输电线路跳线接头的温度进行在线实时监测。

基于上述目的，本实用新型提供了一种基于无线传感网络的输电线路测量系统，其包括至少一个测量集群，所述每一个测量集群均包括：

一中心节点测量装置以及与该中心节点测量装置通过无线传感网络连接的若干从节点测量装置；其中，各从节点测量装置检测与其对应的检测点的输电线路母线接头处的温升以及母线的电流，并将检测到的数据通过所述无线传感网络近距离传输给中心节点测量装置；所述中心节点测量装置具有远程传输模块，所述中心节点测量装置检测与其对应的检测点的的输电线路母线接头处的温升以及母线的电流，并将其检测到的数据连同各从节点测量装置传输给中心节点检测装置的数据一并通过远程传输模块发送出去。

本实用新型所述的输电线路测量系统工作时，中心节点测量装置和若干从节点测量装置被对应设置于包含相距较近的多个测量节点的测量集群(通常是一个杆塔对应一个测量集群)，每个测量节点对应的测量装置测量该处的母线接头处的温升以及母线的电流。所述从节点测量装置和所述中心节点测量装置检测到的数据可以是原始数据，也可以是经即时处理的数据。所述即时处理可以是对异常情况的数据进行提取，如温升过高、电流异常等。所述从节点测量装置和所述中心节点测量装置之间的数据传输可以是直接传输，也可以是间接传输。

本实用新型所述的输电线路测量系统相对于现有的红外测温系统，更加真实准确，且无需人工参与，不易受现场环境干扰；相对于现有的导线接触式测温系统，因其采用了近距离无线传输，定位准确，且大大节约了远程通讯网络的通讯费用；相对于现有的光纤式智能型导线测温系统，成本低廉，至少短期内可行性高。

进一步地，本实用新型所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统还包括监控主站，其与各测量集群中的中心节点测量装置的远程传输模块分别远程数据连接。

上述方案中，所述监控主站对各测量集群中的中心节点测量装置发送的数据进行在线监控，以及时发现输电线路跳线接头故障，从而可以及早发现和检修有故障的输电线路跳线接头，避免因此而引起的停电等事故的发生；同时减少输电线路跳线接头的盲目检修，从而节省工作量巨大的线路维护工作。

进一步地，在本实用新型所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统中，所述若干从节点测量装置包括第一终端节点测量装置、第二终端节点测量装置和路由节点测量装置；其中，所述第一终端节点测量装置与与其对应的中心节点测量装置通过所述无线传感网络数据连接，所述第二终端节点测量装置通过所述无线传感网络与路由节点测量装置数据连接，所述路由节点测量装置通过所述无线传感网络与与其对应的中心节点测量装置数据连接。

上述方案中，所述第二终端节点测量装置和所述中心节点测量装置之间的数据传输是间接传输，即所述第二终端节点测量装置通过所述路由节点测量装置将数据转发给所述中心节点测量装置。

进一步地，在本实用新型所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统中，所述中心节点测量装置包括：

第一温度探头，其设置在与其对应的检测点的输电线路的母线上，以检测母线的温度；

第二温度探头，其设置在与其对应的检测点的输电线路的母线接头处，以检测母线接头处的温度；

取能线圈，其副边连接有采样电阻，所述取能线圈检测与其对应的检测点的母线电流；

控制模块，其与所述第一温度探头、第二温度探头分别连接，以根据第一温度探头和第二温度探头传输的温度信号确定与其对应的检测点的母线接头处的温升，所述控制模块还与采样电阻连接，并根据采样电阻传输的数据获得与其对应的检测点的母线电流值；

供电装置，其与所述控制模块连接，以为所述中心节点测量装置供电；

无线传输模块，其与所述控制模块连接，以将控制模块传输的数据近距离发送出去，并接收近距离传输至的数据；

所述远程传输模块，其集成于控制模块内或与控制模块连接，以将控制模块传输的数据远程发送出去，并接收近远程传输至的数据。

上述方案中，第一温度探头和第二温度探头采集的温度的差值反映了母线接头处的温升；取能线圈实际上就是一个电流互感器，其副边的感应电流大小可以反映母线上电流的大小，故在取能线圈的副边接一个采样电阻把电流信号转化为电压信号，作为控制模块计算母线电流的依据。

进一步地，在本实用新型所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统中，所述从节点测量装置包括：

第一温度探头，其设置在与其对应的检测点的输电线路的母线上，以检测母线的温度；

第二温度探头，其设置在与其对应的检测点的输电线路的母线接头处，以检测母线接头处的温度；

取能线圈，其副边连接有采样电阻，所述取能线圈检测与其对应的检测点的母线电流；

控制模块，其与所述第一温度探头、第二温度探头分别连接，以根据第一温度探头和第二温度探头传输的温度信号确定与其对应的检测点的母线接头处的温升，所述控制模块还与采样电阻连接，并根据采样电阻传输的数据获得与其对应的检测点的母线电流值；

供电装置，其与所述控制模块连接，以为所述中心节点测量装置供电；

无线传输模块，其与所述控制模块连接，以将控制模块传输的数据近距离发送出去，并接收近距离传输至的数据。

上述方案中所述从节点测量装置与前述方案中所述中心节点测量装置相比，可以不具备所述远程传输模块。

更进一步地，在上述基于无线传感网络的输电线路测量系统中，所述控制模块包括单片机，所述单片机包括AD采样模块和主控CPU。

上述方案中，所述AD采样模块用于与所述第一温度探头、第二温度探头分别连接，以及与采样电阻连接，并对接收的模拟信号进行AD转换供主控CPU使用。

更进一步地，在上述基于无线传感网络的输电线路测量系统中，所述采样电阻与AD采样模块之间连接有信号调理模块，所述信号调理电路包括双运放芯片和低通滤波器，以对采样电阻输出的信号分别进行抬压和滤波。

上述方案中，取能线圈副边连接的采样电阻出来的信号是一个交流信号，因此在进控制模块前需要进行抬压和滤波。所述双运放芯片用于抬压和有源滤波，低通滤波器用于抗混叠滤波。

更进一步地，在上述基于无线传感网络的输电线路测量系统中，所述供电装置包括：

供电模块，其包括感应线圈，所述感应线圈设于输电线路上，以从输电线路感应取电；

限流漏斗，其与所述供电模块的输出端连接；限流漏斗用于电流过大时将电流分流；

溢出开关，其与所述限流漏斗连接；溢出开关用于控制充电电流通断；

整流稳压单元，其与所述限流漏斗连接；

储能元件，其与所述整流稳压单元连接，所述储能单元还与控制模块连接；

充电控制单元，其与所述溢出开关、整流稳压单元和控制模块分别连接，以根据控制模块的控制信号控制储能单元的充放电。

供电装置负责提供本实用新型运行电源。由于本实用新型运行在高压端，对绝缘有较高的要求，普通的太阳能供电系统不宜安装在此运行环境，又由于本实用新型要长期运行在户外高压输电线上，不宜更换电池，故采用更换电池供电也不具有可行性。基于以上原因，采用在母线上感应取电的方式来给本实用新型供电。

进一步地，在本实用新型所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统中，所述远程传输模块为GPRS模块或GSM模块。

优选地，在上述基于无线传感网络的输电线路测量系统中，所述无线传输模块为ZigBee射频模块。一个测量集群的各个测量节点装置之间必须采用无线方式通信，考虑成本、可靠性和灵活性等因素，选择ZigBee技术实现短距离无线组网。

本实用新型所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统，具有以下优点：

1)相对红外测温，更加真实准确，且无需人工参与，不易受现场环境干扰；

2)相对导线接触式测温，采用了分布式测量、即时处理以及近距离无线传输，定位准确，且大大节约了远程通讯网络的通讯费用；

3)相对光纤式智能型导线测温，成本低廉，至少短期内可行性高；

4)大大减少了发现输电线路跳线接头故障的时间，从而可以及早发现和检修有故障的输电线路跳线接头，避免因此而引起的停电等事故的发生；

5)大大减少了输电线路跳线接头的盲目检修，从而节省工作量巨大的线路维护工作。

附图说明

图1为本实用新型所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统在一种实施方式下的结构框图。

图2为本实用新型在一种实施方式下的中心节点测量装置的结构框图。

图3为本实用新型在一种实施方式下的供电装置的结构框图。

图4为本实用新型在一种实施方式下的无线传输模块的接口示意框图。

图5为本实用新型在一种实施方式下的远程传输模块的接口示意框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明本实用新型。

图1显示了本实用新型所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统在一种实施方式下的结构。

如图1所示，本实施例的基于无线传感网络的输电线路测量系统应用时，各节点测量装置分别被安装在输电线路杆塔测量集群的回路1～回路N的1～3N的各个测量节点，每个测量节点装置测量其所处节点处的母线的温度、母线接头处的温度以及母线上的电流。测量节点3为中心节点，其余测量节点统称为从节点。中心节点测量装置设置于测量节点3，从节点测量装置设置于其余测量节点。中心节点测量装置相当于网络协调器，负责开启网络，组织从节点测量装置协调工作，其包含远程传输模块，以完成接收后台任务命令、各从节点测量装置信息搜集和远程传输功能。从节点测量装置间实际组网关系可根据当地实际空间位置动态组织，担任路由功能或者只作为终端功能，本实施例中，测量节点1～2和3N-2～3N处设置具有终端功能的终端节点测量装置，其余测量节点处设置具有路由功能的路由节点测量装置。本实施例利用ZigBee技术，通过节点方式组织分布式无线通信网络，从而实时感知、测量、采集各个分布对象的信息，并对其数据做出即时处理。

请继续参考图1，本实施例工作时，测量节点1～2和4～6处的从节点测量装置测量数据被即时处理后直接与测量节点3处的中心节点测量装置近距离无线交互，其余从节点处的从节点测量装置测量数据被即时处理后通过具有路由功能的路由节点测量装置间接与测量节点3处的中心节点测量装置近距离无线交互；中心节点测量装置将测量数据即时处理后与后台监控远程交互。即时处理是对异常情况的数据进行提取，包括温升过高、电流异常等。后台监控远程交互的对象是相互连接的数据接收终端、监控主站以及数据库；后台监控远程交互的手段是GSM/GPRS通讯网络。

图2显示了本实施例的中心节点测量装置的结构；图3显示了本实施例的供电装置的结构；图4显示了本实施例的无线传输模块的接口电路；图5显示了本实施例的远程传输模块的接口电路。

如图2所示，本实施例的中心节点测量装置包括：第一温度探头，其设置在输电线路的母线上，以检测母线的温度；第二温度探头，其设置在输电线路的母线接头处，以检测母线接头处的温度；取能线圈，其副边连接有采样电阻，取能线圈检测母线上的电流；控制模块，其包括单片机，该单片机包括AD采样模块和主控CPU，AD采样模块与第一温度探头、第二温度探头分别连接，以根据第一温度探头和第二温度探头传输的温度信号确定母线接头处的温升，AD采样模块还通过信号调理模块与采样电阻连接，并根据采样电阻传输的数据获得母线上的电流值，信号调理模块对采样电阻输出的信号进行抬压和滤波；供电装置，其与控制模块连接，以为中心节点测量装置供电；无线传输模块，其与控制模块连接，以将控制模块传输的数据近距离发送出去；远程传输模块，其集成于控制模块内，以将控制模块传输的数据远程发送出去。

具体地，在本实施例中，信号调理模块包括双运放芯片和与其连接的低通滤波器。该双运放芯片用于抬压和有源滤波，低通滤波器用于抗混叠滤波。在选择运放时，一个比较重要的指标是增益带宽积，要保证在一定放大倍数的情况下信号不受带宽的影响。同时，在选择运放时还应根据系统要求，尽量选择本体噪声系数小的芯片，这样可以最大程度地保证信号质量。在满足要求的前提下，考虑到成本问题，选用双运放芯片LM358来实现抬压和有源滤波电路。抬压电路实际就是一个加法运算电路，在交流信号上叠加一个1.25V的稳定电平。该1.25V的稳定电平由稳压源芯片AD1580BRT来提供。根据采样定律，在模拟信号进AD采样模块前，需要进行一次抗混叠滤波，其实就是低通滤波。本实施例中使用的是二阶压控电压源低通滤波器。

本实施例的从节点测量装置与上述中心节点测量装置相比，具有上述类似结构，但不具备远程传输模块。

具体地，本实施例中，供电装置如图3所示，包括：供电模块，其包括感应线圈，感应线圈设于输电线路上，以从输电线路感应取电；限流漏斗，其与所述供电模块的输出端连接；溢出开关，其与所述限流漏斗连接；整流稳压单元，其与限流漏斗连接；蓄电池，其通过二极管与整流稳压单元和控制模块连接；充电控制单元，其与溢出开关、蓄电池和控制模块分别连接，以根据控制模块的控制信号控制蓄电池的充放电。由于整流稳压后的电压还是较高的(7V～70V)，因此需要选择一个输入耐压比较高的DC/DC开关电源进行降压，本实施例中选择芯片LM5576，输出5V电压，最大3A电流。本实施例中还需要产生3.3V电压，使用线性稳压芯片TPS7333，从LM5576产生的5V电压稳压得到3.3V电压。

具体地，本实施例中，无线传输模块与控制模块单片机选用MICROCHIP公司的ZigBeeRF模块MRF24J40和单片机PIC18LF4620，其接口相互连接关系如图4所示，控制模块单片机的SCK、SDO、SDI、PHY_CS几个信号引脚组成的SPI接口向无线传输模块发出控制指令以及收发数据；外部中断0接无线传输模块的中断，利用两个数字IO口与无线传输模块的PHY_RESETn、PHY_WAKE相接，控制芯片的工作状态。原理图设计：1.采用MICROCHIP公司提供的datasheet中给出的参考电路图设计，尤其是与射频相关部分，在数字部分根据实际情况做一些变动；2.射频部分所涉及到的元器件(电容、电感、电阻等)均采用高频器件，尽可能的减少损耗；3.根据系统需要，使用带SMA头的非平衡单端天线，而MRF24J40的输入是平衡式的双端天线，因此，需要附加一个巴伦电路将非平衡的单端信号与平衡的双端信号之间进行转换，本实施例采用MICROCHIP公司推荐的LC组成的巴伦电路。

具体地，本实施例中，远程传输模块选用Motorola公司的G24芯片，其与控制模块单片机及SIM卡接口相互连接关系如图5所示。远程传输模块工作外接SIM卡后可实现GPRS网络传输数据和向手机用户发送短消息功能，控制模块单片机通过UART口向远程传输模块发送AT命令和数据。GPRS_ON/OFF是远程传输模块的电源开关控制信号，其持续0.5-1.5s的低电平可开启远程传输模块模块，本实施例中利用此引脚完成远程传输模块的重启功能。GPRS_nRI是语音呼叫指示信号，当远程传输模块模块接受到语音呼叫时，此引脚上会出现4s高电平1s低电平的方波，控制模块单片机可根据此信号作为后台服务器召唤数据指令，来启动数据采集任务。GPRS_PwrEN控制远程传输模块进入或退出休眠模式，远程传输模块在空闲模式下电流消耗为18mA，而在休眠模式下的电流消耗仅为3mA左右。本实施例仅在发送数据的时候需要开启远程传输模块，其他时间远程传输模块都处在待机状态，并且远程传输模块在休眠过程中网络连接并不断开，仍然监听网络，不会丢失在休眠期间由服务器发送过来的数。故本实施例中远程传输模块仅发送数据的时候处于全速运行状态，当数据发送完毕立刻进入休眠模式，最大程度降低此模块的功耗。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无线传感网络的输电线路测量系统，其特征在于，其包括至少一个测量集群，所述每一个测量集群均包括：

一中心节点测量装置以及与该中心节点测量装置通过无线传感网络连接的若干从节点测量装置；其中，各从节点测量装置检测与其对应的检测点的输电线路母线接头处的温升以及母线的电流，并将检测到的数据通过所述无线传感网络近距离传输给中心节点测量装置；所述中心节点测量装置具有远程传输模块，所述中心节点测量装置检测与其对应的检测点的的输电线路母线接头处的温升以及母线的电流，并将其检测到的数据连同各从节点测量装置传输给中心节点检测装置的数据一并通过远程传输模块发送出去。

2.如权利要求1所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统，其特征在于，还包括监控主站，其与各测量集群中的中心节点测量装置的远程传输模块分别远程数据连接。

3.如权利要求1所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统，其特征在于，所述若干从节点测量装置包括第一终端节点测量装置、第二终端节点测量装置和路由节点测量装置；其中，所述第一终端节点测量装置与与其对应的中心节点测量装置通过所述无线传感网络数据连接，所述第二终端节点测量装置通过所述无线传感网络与路由节点测量装置数据连接，所述路由节点测量装置通过所述无线传感网络与与其对应的中心节点测量装置数据连接。

4.如权利要求1所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统，其特征在于，所述中心节点测量装置包括：

第一温度探头，其设置在与其对应的检测点的输电线路的母线上，以检测母线的温度；

第二温度探头，其设置在与其对应的检测点的输电线路的母线接头处，以检测母线接头处的温度；

取能线圈，其副边连接有采样电阻，所述取能线圈检测与其对应的检测点的母线电流；

控制模块，其与所述第一温度探头、第二温度探头分别连接，以根据第一温度探头和第二温度探头传输的温度信号确定与其对应的检测点的母线接头处的温升，所述控制模块还与采样电阻连接，并根据采样电阻传输的数据获得与其对应的检测点的母线电流值；

供电装置，其与所述控制模块连接，以为所述中心节点测量装置供电；

无线传输模块，其与所述控制模块连接，以将控制模块传输的数据近距离发送出去，并接收近距离传输至的数据；

所述远程传输模块，其集成于控制模块内或与控制模块连接，以将控制模块传输的数据远程发送出去，并接收近远程传输至的数据。

5.如权利要求1所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统，其特征在于，所述从节点测量装置包括：

第一温度探头，其设置在与其对应的检测点的输电线路的母线上，以检测母线的温度；

第二温度探头，其设置在与其对应的检测点的输电线路的母线接头处，以检测母线接头处的温度；

取能线圈，其副边连接有采样电阻，所述取能线圈检测与其对应的检测点的母线电流；

控制模块，其与所述第一温度探头、第二温度探头分别连接，以根据第一温度探头和第二温度探头传输的温度信号确定与其对应的检测点的母线接头处的温升，所述控制模块还与采样电阻连接，并根据采样电阻传输的数据获得与其对应的检测点的母线电流值；

供电装置，其与所述控制模块连接，以为所述中心节点测量装置供电；

无线传输模块，其与所述控制模块连接，以将控制模块传输的数据近距离发送出去，并接收近距离传输至的数据。

6.如权利要求4或5所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统，其特征在于，所述控制模块包括单片机，所述单片机包括AD采样模块和主控CPU。

7.如权利要求6所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统，其特征在于，所述采样电阻与AD采样模块之间连接有信号调理模块，所述信号调理电路包括双运放芯片和低通滤波器，以对采样电阻输出的信号分别进行抬压和滤波。

8.如权利要求4或5所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统，其特征在于，所述供电装置包括：

供电模块，其包括感应线圈，所述感应线圈设于输电线路上，以从输电线路感应取电；

限流漏斗，其与所述供电模块的输出端连接；

溢出开关，其与所述限流漏斗连接；

整流稳压单元，其与所述限流漏斗连接；

储能元件，其与所述整流稳压单元连接，所述储能单元还与控制模块连接；

充电控制单元，其与所述溢出开关、整流稳压单元和控制模块分别连接，以根据控制模块的控制信号控制储能单元的充放电。

9.如权利要求1所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统，其特征在于，所述远程传输模块为GPRS模块或GSM模块。

10.如权利要求4或5所述的基于无线传感网络的输电线路测量系统，其特征在于，所述无线传输模块为ZigBee射频模块。