基于WSN技术的电力电缆在线监测系统设计

引 言

当前电缆在铺设、运行中在线监测较方便，在未来有广泛的应用，在当前系统中，35kV及以上电压等级电缆应用面最广。据电网公司统计，当前已经铺设的 110kV及以上电压等级的电缆总长度超过 3000km，最高电压等级为 1000kV[1]。交联聚乙烯电缆目前已经在国内许多城市大面积进行现场应用，且铺设数量越来越多[2]。随着电力电缆的应用增多，其运行可靠性将直接关系电网的可靠与安全性。

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）在应用中有一大类以环境参数与系统参数作为监控对象[3]，适用于构建室外环境下的电力电缆在线监测系统。

1 系统原理简介

WSN 电力电缆局部放电在线监测系统主要由WSN 装置（由 GPRS 收发模块、GPRS 基站、数据中心服务器和客户端等组成）、电感耦合传感器、局放监测单元、现场取电装置等组成。监测系统结构如图 1 所示。电感耦合传感器检测并采集三相电缆的外屏蔽层接地线上的局部放电信号，由局放监测单元自动选频、混频、滤波、峰值检波、放大、模数转换后，显示在液晶显示屏上，再由 WSN 节点把监测数据周期上传到数据中心服务器，数据中心服务器对现场监测数据进行统计与分析 [4]。最后客户端通过访问服务器、浏览局放监测单元的详细信息来远程控制和修改在线监测单元的相关数据。

1.1 电感耦合器

本系统选用德方电子自主开发的开口式宽频电流互感器作为电感耦合器，此传感器灵敏度高，适用于电缆接地线局部放电测量，结合一定的抗干扰算法后具有较好的工程应用价值 [5]。检测灵敏度为 10 pC，频带范围为 10 kHz ～30 MHz，外形尺寸为 128 mm 130 mm 35 mm，信号传输借助 0.8 kg， 阻值 50

1.2 在线监测Sink节点硬件系统

系统原理图如图 2 所示。

(1) 信号调理模块：该模块由过压保护、选通电路、预选器、衰减网络、混频电路和峰值检测电路组成，把采集的信号转换为单片机处理信号。

(2) 控制模块：该模块对信号进行数据采集、处理、存储。

(3) 液晶模块：该模块可实时显示数据，并与按键电路实现友好的人机交互。

(4) GPRS模块 ：该模块可提供物理传输通道。

1.3 系统工作原理

局部放电信号由传感器采集进入信号调理模块 [6]，再由过压保护电路泄放可能存在的过电压信号后，选通电路选择参数的通道，然后经滤除干扰和杂波处理后，再由衰减和前置放大模块对信号幅值进行调整，转变为 455 kHz 的中频信号并进一步降频后完成模数转换和数据处理，最后经显示模块显示在液晶显示屏上，由GPRS上传至数据中心服务器。

2 WSN在线监测节点设计

WSN 选择 ATmega128L 作为控制核心[7]，采用CC2420 收发射频数据。监测网络拓扑由普通节点、中心节点和汇聚节点组成。考虑到电缆架设环境会使网络规模扩大，故采用中心拓扑结构设计，通过监测普通节点的状态，选取若干中心节点进行信息传输，而其它节点休眠可以减少能量消耗 [8]。中心拓扑结构如图 3 所示。

节点定时采集数据，数据经中心节点通过多跳路 由传给 Sink 节点。Sink 节点将数据上传至控制中心， 同时通过 GPRS 模块把信息传递给 PC 机。 

目前国内外出现了多种网络节点的硬件平台。主 要有 Mica、Smart Dust、Telos 等，采用不同的处理器、 射频、路由协议并选择不同功能的传感器作为区分。

2.1 普通节点结构 

本系统对功耗有特殊的要求，因此采取模块化 体系设计，按功能分为传感采集模块、数据处理模块、 射频发送模块、供电模块。

2.2 传感采集模块 

本系统选用性能较好的传感器来实现电缆环境 的在线监测，如加速度传感器、温湿度传感器等。

2.3 数据处理模块

数据处理模块完成节点的数据处理、路由、时 间同步、定位等，是计算的核心。

本系统选用 Atmega128L 单片机 [9]。与外围结 构连接电路如图 4 所示。 

2.4 射频收发模块 

本系统采用 TI 公司生产的 CC2420 射频收发芯 片作为核心构建射频收发模块，可实现点对点快速 组网。该系统具有体积小、成本低、功耗小等特点，适用于电池长期供电的情况。还具有硬件加密、安全可靠、组 网灵活、抗毁性强等优点 [3]。射频收发模块电路如图 5 所示。 

2.5 供电模块 

本系统采用锂电池供电与现场取电结合的供电模块。原 因在于高压电缆铺设在野外，长度不等，对它进行在线监测时， 通过现场电缆取电装置从运行的电缆中感应出电流，利用电流 电压转换装置形成直流电压。 

2.6 交互接口 

节点交互接口包括 ISP 编程接口、JTAGE 接口、232 接口、 锂电池充电接口等 [10]。

3 结 语

本文介绍了目前电缆局部放电在线监测相关方法，然后 设计了一套基于 WSN 的在线监测系统，并进行了相关系统的硬件选型和设计，具有一定的应用价值。