基于无线传感器网络的变电站设备温度监测系统设计

基于无线传感器网络的变电站设备温度监测系统设计
龚陈龙
【期刊名称】《《电子测试》》
【年(卷),期】2019(000)024
【总页数】2页(P76-77)
【关键词】无线传感器; 变电站设备; 在线监测; 系统设计
【作者】龚陈龙
【作者单位】国网江苏省电力有限公司检修分公司江苏南京 210000
【正文语种】中文
1 无线传感器网络的发展现状
在无线传感器网络的发展历史中，美国是第一个从事无线传感器网络研究的，其发展的目的是满足军方侦查军用系统的需求，所以研究的方向主要是传感器网络中的通信和计算问题，这种最先由军事需要发展起来的无线传感器网络技术，在经过网络技术的革命和网络思想体系的革新之后变得越发的成熟，也由此推动了无线传感器网络的发展。

对于我国而言，无线传感器网络的发展是比较晚的，但是我们国家对于无线传感器网络技术的发展高度重视，在短短的几十年时间内，我国在研究、应用和标准化方面已经可以和国际的先进水平相媲美，在无线传感器网络技术得到快速发展的同时，随着“感知中国”计划的提出，无线传感器网络技术已经被应用于国家层面并且已经进入到战略实施阶段，这表明“感知中国”计划的提出对中国
的无线传感网络产业起到了一定的促进作用，无线传感器网络产业的发展面临着一个巨大的机遇。

2 无线传感器网络的体系结构
2.1 无线传感器网络节点的结构
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点以无线多跳通信方式形成的自组织网络系统，其中的传感器节点能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给用户。

无线传感器网络中最基本的组成要素是传感器节点，它由数据采集单元、处理器单元、数据传输单元和能量供应单元四部分组成。

数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，借助形式多样的传感部件，传感器节点能够感知温度、湿度、噪声、移动物体的大小、速度和方向等信息。

处理单元负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理数据信息。

数据传输单元负责与其他传感器节点交换控制信息和传输采集到的数据信息。

能量供应单元为传感器节点各部件提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

2.2 无线传感器网络的体系结构
无线传感器中的节点所收集到的有用消息经过多跳的转发，最后把传感器所收集到的有用消息发送给目标用户供其使用，无线传感器网络的系统构架包括分布式的无线传感节点组、汇集的主节点、传输媒质以及客户端。

无线传感网络里面的节点通常都是采用人工安装、飞行器抛撒等方法达到让无线传感器网络中的节点随意分散在待监测的地方。

把传感网络当做中心，在传感网络的感知区域里面，许多无线传感网络节点用无线自组网的形式来进行通信，其中所有的无线传感器节点都可以作为一个路由器，另外所有的无线传感器节点都有着具备动态搜索、实时定位以及自主恢复联接的能力，无线传感器的节点会把它监测的物理信息以初步的数据处理以及信息融合的形式传递给观察者，信息传送的方法是采用相邻无线传感器节点之间的接力传递，并且最后发送给基站，最后基站采用卫星信道或者有线网络的联接方
式发送给观察者。

3 基于无线传感器的变电站设备故障在线监测系统总体设计
本研究中开发的监测装置采用电容微型摆锤原理，在地球重力的作用下，通过对装置中的电容量向量进行分析和转换最终得到变电站设备的故障角度。

装置总体组成部分有：（1）系统内核，数字输出型双轴倾角无线传感器×1；（2）转换器，高
精度16bitA/D转换器×1；（3）其他传感器，高精度数字传感器。

其中，高精度数字传感器的主要作用，是保证不同温度下的装置运行精度。

本次设计的基于无线传感器的变电站设备故障在线监测系统主要包括变电站设备监测模块、GPRS通信模块和后台管理系统三部分。

本次系统中的变电站设备监测模块主要由倾角传感器、主板、供电装置和数据处理装置以及TSM无线模块构成。

这些装置被紧密固定于杆塔上，对杆塔的故障状况进行实时监测。

系统中的GPRS模块主要由主板、温度传感器、供电装置和GPRS 模块构成。

这些装置主要作用为远程传输数据和接收主站控制指令。

主站管理系统创新性地采用主机+手机的管理方式，增强了数据管理和风险处理的灵活性。

根据汇聚节点电路要实现的功能，本文将汇聚节点的硬件组成框架设计成如图1
所示，由微处理模块、无线通信模块、串行通信模块、存储模块和电源模块五部分。

图1 汇聚节点的硬件组成框架
4 变电站设备温度监测装置设计
4.1 防电磁干扰设计
电磁干扰主要影响系统中的供电模块，因此在本系统中，对供电芯片模块加装了抗干扰单元。

抗干扰单元主要包括四方面：自恢复保险丝；并联的压敏电阻；并联陶瓷放电管；防反二极管；瞬态抑制二极管。

4.2 GPRS通信模块设计
本次系统设计，笔者选用了整体式的西门子MC55GSM/GPRS通信模块，该模块
技术成熟、设计紧凑、体积较小，且在系统低功耗状态下能够实现3mA电流运行，非常适合无线式信号传输。

在接线方式的上，系统GPRS通信模块两侧分别与DSP芯片和SIM卡卡座电路相连，实现监测模块与后台管理系统的无线通信。

4.3 控制流程设计
开始运行之前，首先要对系统的PSW值、中断向量入口地址进行初始化和设置，对系统的主时钟、RSS时钟、GPIO、定时器等设备进行初始化，通电进入数据采
集状态，然后进入系统测量模式，读取采集频率为8Hz状态下的数据实时数据。

通过对采集数据进行计算，得到杆塔的综合故障数据。

最后将所得数据通过GPRS 模块上传。

5 主站管理系统设计
5.1 结构设计
本次系统设计中，变电站设备故障监测系统由一个中心主站和若干个监测子站组成。

中心主站与各个子站之间通过GPRS连接。

一旦发生变电站设备事故，各个监测
子站可以立即通过IP地址分析，将事故数据发送到中心主站系统，中心主站系统
通过对实时数据进行分析、计算和处理呈现给工作人员，从而提醒线路运维人员对线路运行状况予以关注并采取相应处置措施
5.2 软件平台设计
本次主站管理系统主要采用三层架构统一开发的模式。

三层架构主要为：（1）数据层，主要作用是封装访问故障监测设备的通信接口，并针对设备和数据的处理方法提供参考意见；（2）业务逻辑层，主要作用是根据不同的工作环节对反馈回的各种数据进行逻辑分析和处理；（3）应用表示层，主要是直观显示数据并实现人机交互。

具體来说，三层架构的主要功能如下。

数据层能够提供数据实时处理和访问功能，可以查询各个监测区任一杆塔的状态数据，如终端设备状态、变电站设备状态、电池剩余电量等。

业务逻辑层的具体功能包括三方面。

第一，能够判断用户是否具有对该系统的访问权限；第二，能够根据用户信息，判断用户是否具有站点管理的权限；第三，将不同的工作流程进行逻辑处理，通过分析，将统计结果呈现到应用展示环节。

应用表示层的功能主要是指令交互和数据呈现。

用户可以通过APP、浏览器对数
据进行远程操控和查询。

6 结束语
本文针对传统变电站设备运维管理工作的不足，提出了开发新的变电站设备的构想，研发了一套变电站设备状态监测装置，能够实现变电站设备状态的在线监测。

该装置能够通过GPRS进行无线实时通信，将监测区域内的若干变电站设备故障情况
进行处理。

系统精度高，能够进行双向故障角度（延线路方向和垂直于线路方向）实时监测，且变电站设备状态监测装置无需专业工具即可安装，简单地与杆塔固定后，就可以监测杆塔的故障状态。

克服了传统的巡线检修依靠人工、拼时间、凭经验的运维检修模式，在实际运营过程中效果优秀。

参考文献
【相关文献】
[1]王海伦,蔡志宏,范一鸣.电气设备温度监测的无线传感器网络节点设计[J].传感器与微系统, 2011, 30(7) : 97-99.
[2]沈楚焱,杨鹏,史旺旺.基于无线传感器网络的预装式变电站测控系统[J].机电工程, 2012, 29(10) : 1213-1216.。