網(wǎng)絡(luò)監(jiān)察論文：絕緣子無(wú)線(xiàn)網(wǎng)監(jiān)察體系的建構(gòu)范文

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作者：董京勝李干單位：北京市電力公司昌平供電公司

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高壓輸電線(xiàn)路絕緣子閃絡(luò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由閃絡(luò)電流傳感器、信號(hào)處理單元、太陽(yáng)能供電單元、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)單元組成，如圖1所示。太陽(yáng)能充電儲(chǔ)能系統(tǒng)保證了監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了故障發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)通知工作人員故障的原因及地點(diǎn)。

絕緣子發(fā)生閃絡(luò)故障時(shí)，發(fā)生絕緣子擊穿，引起電力系統(tǒng)對(duì)地的工頻續(xù)流，造成短時(shí)間的工頻接地故障。輸電線(xiàn)路接地桿塔流過(guò)較大的工頻續(xù)流，能產(chǎn)生一個(gè)工頻交流電磁場(chǎng)。本文提出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用電感線(xiàn)圈直接測(cè)量工頻電磁場(chǎng)來(lái)識(shí)別絕緣子是否發(fā)生閃絡(luò)。這種故障定位方法簡(jiǎn)單、可靠，而且不依賴(lài)于任何測(cè)距算法，原理上沒(méi)有故障定位誤差。一旦發(fā)生故障，監(jiān)測(cè)裝置會(huì)主動(dòng)喚醒周邊的其他監(jiān)測(cè)裝置，并發(fā)送故障數(shù)據(jù)信息，然后數(shù)據(jù)信息以“手牽手”接力的方式傳送到數(shù)據(jù)匯集單元，最后匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。如果中間某一個(gè)監(jiān)測(cè)單元因故障不能實(shí)現(xiàn)“手牽手”通信鏈路，則監(jiān)測(cè)單元會(huì)自動(dòng)搜索周?chē)渌己玫谋O(jiān)測(cè)單元，通信單元的冗余度提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。監(jiān)控中心分析上傳的數(shù)據(jù)以直觀(guān)的方式反饋給用戶(hù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存或者打出報(bào)表。

輸電線(xiàn)路上獲取能源成本較高且安裝復(fù)雜，本文提出的系統(tǒng)采用Atmel公司的低功耗atmega8單片機(jī)、TI公司低功耗傳輸網(wǎng)絡(luò)芯片CC1101以及無(wú)源閃絡(luò)電流傳感器，降低了系統(tǒng)整體的能耗，監(jiān)測(cè)設(shè)備在無(wú)光照或光照強(qiáng)度不夠時(shí)不能對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的電池進(jìn)行充電，電池自身電量可以使監(jiān)測(cè)設(shè)備工作4個(gè)月，當(dāng)陽(yáng)光充足的時(shí)候，太陽(yáng)能對(duì)蓄電池充電，連續(xù)8個(gè)小時(shí)可以充滿(mǎn)電，保障了系統(tǒng)供電的可靠性。

信號(hào)調(diào)理處理設(shè)計(jì)

輸電線(xiàn)路存在大量的諧波和電暈現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)裝置在這種強(qiáng)磁場(chǎng)高電壓干擾下，易造成傳感器信號(hào)的失真。濾除高次諧波、提取工頻50Hz的工頻信號(hào)為絕緣子在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一定的科學(xué)數(shù)據(jù)，為識(shí)別和判斷絕緣子閃絡(luò)提供了可靠的保證。為了盡可能多的獲取信號(hào)中真實(shí)的數(shù)據(jù)和減少CPU處理數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，本文采用Butterworth有源低通模擬濾波器濾除信號(hào)中的300Hz以上的信號(hào)成分，如圖2所示。濾波器是通過(guò)RC濾波電路和相同比例放大電路的壓控電壓源二階低通濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該電路的小信號(hào)分析結(jié)果如圖3所示，具有良好的濾波效果，達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求。為了提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，將濾波后的低頻信號(hào)進(jìn)行10倍放大，再利用運(yùn)放開(kāi)環(huán)電路實(shí)現(xiàn)了電壓比較器功能，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻提供的參考電位可以改變故障電流的整定值。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，傳感器耦合的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大后與故障電流整定值比較輸出高電平，觸發(fā)MCU外部中斷0喚醒單片機(jī)，比較器輸出波形如圖4所示，圖4中正弦信號(hào)是閃絡(luò)電流傳感器測(cè)量的信號(hào)，直流為故障電流整定值，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻比例值改變故障電流整定值，方波信號(hào)是傳感器測(cè)量信號(hào)和整定值比較的結(jié)果，可將輸出信號(hào)傳給MCU。單片機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算分析故障電流，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊傳送到終端服務(wù)器，以便工作人員能夠準(zhǔn)確確定閃絡(luò)電流發(fā)生的位置，盡快檢修絕緣子恢復(fù)供電。

無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

隨著無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和Zigbee技術(shù)的發(fā)展，大量傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)自組網(wǎng)方式構(gòu)成星型、網(wǎng)狀、環(huán)形等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均包括路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)，其中路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)要求一直或者間歇處于接收狀態(tài)并要求實(shí)時(shí)供電，終端節(jié)點(diǎn)可以處于休眠或者待機(jī)狀態(tài)。而電力系統(tǒng)輸電線(xiàn)路屬于鏈狀結(jié)構(gòu)，要求各個(gè)節(jié)點(diǎn)都要完成路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的功能，且節(jié)點(diǎn)要求低功耗、低成本，因此，Zigbee技術(shù)不能完全移植到輸電線(xiàn)路絕緣子的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文針對(duì)輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)自身特點(diǎn)提出了一種新型的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線(xiàn)路絕緣子閃絡(luò)，如圖5所示。

無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片CC1101是一種低成本、低功耗、無(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)、傳輸可靠、支持無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的單片可編程UHF收發(fā)芯片。其工作頻段靈活，可以設(shè)定在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz的ISM工業(yè)科學(xué)、醫(yī)療和SRD頻段。CC1101收發(fā)器集成了一個(gè)可配置的調(diào)制調(diào)解器，其可編程數(shù)據(jù)的傳輸速率可達(dá)500kBaud。無(wú)線(xiàn)收發(fā)空曠的傳輸距離達(dá)300～500m，且該模塊具有無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程喚醒功能，支持低功率電磁波激活功能，利用該模塊的無(wú)線(xiàn)喚醒特性可以方便的實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)、低功耗的功能。

在輸電線(xiàn)路無(wú)故障狀態(tài)下，各個(gè)閃絡(luò)電流監(jiān)測(cè)設(shè)備處于休眠狀態(tài)，功耗小于50uA。現(xiàn)假設(shè)7號(hào)桿塔發(fā)生絕緣子閃絡(luò)，有工頻續(xù)流流過(guò)桿塔，此時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢測(cè)到電流產(chǎn)生的工頻磁場(chǎng)，觸發(fā)和喚醒MCU，單片機(jī)通過(guò)數(shù)字信號(hào)分析處理，判斷是否是由于絕緣子閃絡(luò)造成的故障，如果判斷為絕緣子閃絡(luò)，喚醒該監(jiān)測(cè)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)通信模塊，該模塊發(fā)射低功率的電磁波喚醒周邊的3、5、6、8節(jié)點(diǎn)，按照預(yù)先設(shè)定的模式將故障信息發(fā)送到3號(hào)節(jié)點(diǎn)，CC1101帶有硬件地址檢測(cè)功能，5、6、8節(jié)點(diǎn)由于地址不匹配忽略收到的數(shù)據(jù)。

如果3節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障不能自組網(wǎng)，7號(hào)節(jié)點(diǎn)依次將數(shù)據(jù)發(fā)送到5、6、8節(jié)點(diǎn)，直到收到對(duì)方的應(yīng)答，表示信道良好。這樣在某種程度上大大降低了網(wǎng)絡(luò)的盲點(diǎn)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端服務(wù)器，實(shí)際運(yùn)行中可以每間隔10～30公里加裝一個(gè)GPRS模塊，降低了設(shè)備維護(hù)和運(yùn)行的成本。絕緣子在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備具有硬件自檢功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備電池電量低時(shí)，相鄰的監(jiān)測(cè)設(shè)備通知服務(wù)器及時(shí)更換該節(jié)點(diǎn)，以保證監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)的健壯性和可靠性。

結(jié)論

第一，絕緣子閃絡(luò)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)掌握絕緣子的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)檢修，節(jié)約了成本也提高了工作人員的工作效率。

第二，絕緣子在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備采用了低功耗的MCU和無(wú)線(xiàn)射頻模塊，同時(shí)利用無(wú)線(xiàn)喚醒特性和太陽(yáng)能充電儲(chǔ)能系統(tǒng)，降低了監(jiān)測(cè)設(shè)備的功耗和保證了工作電源的可靠性，實(shí)現(xiàn)了絕緣子實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，提高了電力系統(tǒng)供電的可靠性。

第三，監(jiān)測(cè)設(shè)備具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，解決了長(zhǎng)距離信號(hào)采集傳輸?shù)膯?wèn)題，同時(shí)也降低了設(shè)備和后期維護(hù)的成本，實(shí)現(xiàn)了全范圍、低成本的絕緣子在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。