高压输电线路反馈式无源测温装置及其无线传感网络设计

高压输电线路反馈式无源测温装置及其无线传感网络设计

摘要：面对电力行业不断快速发展及我国电网规模日益增长的现状，高压输电

线路在线监测系统在电网运营维护方面上起到了重要作用，不但可以取代繁重的

人工巡线工作，还可以及时准确地反映线路运行动态，确保线路运行的安全性和

稳定性。本文研究并设计了一套高压输电线路导线温度在线监测系统，包括传感

器节点、汇聚节点及无线传感器网络，对传感器节点进行了软硬件设计，成功应

用于嵌入式系统的高压输电导线接触式测温，其抗干扰能力、量程与精度都达到

了预期效果。本文在完成室内测试和结果分析后，将系统置于实际环境进行了测试，其可靠性和实用性得到了验证。

关键词：电压反馈、无源、测温、传感器网络

1.引言

为了在不使用蓄电池且不增加取电装置体积的情况下，降低传感器节点的工作死区电流，本文设计了一套基于储电电容的无源感应取电电源系统，采用铁芯最佳参数匹配方法提高了

感应取电的效率，并按照传感器节点的工作特性设计了电压反馈式电源管理电路，可使传感

器节点的死区电流从50A下降至18A，并满足了体积小型化和长期免维护需求。

2.系统整体方案设计

2.1系统组成与工作过程

由于本设计应用了自组织网络技术，组成了无线传感器网络（简称WSN），故本文按WSN的结构组成，称导线温度采集单元为传感器节点（End Device），称数据集中器为汇聚

节点（Router），并将CMA、CAG和主站系统视为一体，统称为管理节点（Coordinator），

以免混淆。三种节点在安装示意如图 21所示，所标示的杆塔皆为耐张塔，两级耐张塔之间

相距500至3000米不等，其间可能分布数座直线塔；传感器节点在各耐张塔上皆有分布且

数量很多，一般每股分裂导线的接头处都将安装一个；每个WSN中汇聚节点仅一个，按照WSN的性能和公网覆盖情况部署。传感器节点自动采集各测温点的温度数据，通过433MHz

通信构建的无线传感器网络将数据进行融合整理，然后经由汇聚节点进行数据汇总和处理，

通过2G/3G/4G等公共网络传输至远程的管理节点。

图 21在线监测系统安装示意图

本文设计的在线监测系统由导线温度采集单元（传感器节点）、数据集中器（汇聚节点）、状态监测代理(CMA)、状态接入网关机(CAG)和主站系统组成。其中前两者统称为状态

监测装置，属于装置层；中间两者属于接入层；后者属于主站层。由于实际应用中，接入层

和主站层通常由电力公司提供，故本文仅对装置层进行了研究和设计，并提供了与接入层的

通信接口。

2.2设计要求及技术指标

国家电网公司为了在坚强智能电网建设中，保证输电线路状态监测系统的科学和规范、

技术标准统一等，制定了相应的技术规范。本课题设计按此标准进行，其中导线温度采集单

元的主要技术参数要求如下：

接触类测温。依据被测导线的类型，量范围为下列的四种之一：a）－40℃～＋120℃；b）－40℃～＋180℃；c）－40℃～＋290℃；d）非常规导线温度测量范围与用户协商。

非接触类测温。a）－40℃～＋290℃；b）非常规导线温度测量范围与用户协商。测量精

度综合误差应小于±1.0℃。

2.3在线监测设备电源方案选择

为了达到在线监测的目的，一个能长期稳定可靠工作的电源必不可少。电源方案的选择，

将影响到监测设备的硬件选型、工作模式选择等，甚至影响到WSN的路由协议选用或设计。因此，电源方案的研究是进行本系统进行设计的第一步。由于设备安装于户外，常规市电供

能的方式并不适用。根据1.2.1小节的介绍，在目前的在线监测系统中，最常用的供电方案

有电池供能、太阳能光伏供能、激光供能、电容器抽取在线取能、电磁感应取能等。另外，

还有一些如风力发电、超声波供能、微波供能、远红外供能等供电方式，但它们的应用都受

到了一定的限制。下面对常用的四种供能方式进行研究和对比介绍。

（1）电池供电

化学能转换成电能的装置叫化学电池，一般简称为电池，可分为原电池和蓄电池两种，

区别在于后者可以进行充电复原。蓄电池也称二次电池，特点是放电后可通过充电将电能转

换为化学能，需要放电时再将化学能转换为电能。

电池供电优点：电源电路简单，电源质量好，稳定可靠，保护电路简单。设备体积小、

重量轻，不受天气环境影响。电池供电缺点：使用寿命有限，难以更换电池。电池价格高昂，成本较高。

（2）太阳能光伏供电

太阳能光伏供电优点是光能是一种可再生、无污染的绿色能源。使用寿命长，无需外界

供能，无需敷设线路，无需复杂的外围辅助设备。缺点是供能不稳定，受天气影响较大。若

受光面积聚了鸟粪、沙尘等污物会极大影响性能，长时间被部分遮挡会导致光伏阵列损坏，

人工清除不便。高寒地区可能会出现数月积雪的情况。装置体积稍大，有一定重量。光伏板

面积根据功率需要选择，若太大将令上塔安装不便。受限于天气和太阳能转换效率有限，设

备功率不宜过大，考虑到设备续航，对低功耗技术要求较高。需要蓄电池配合使用，若应用

于大量的分布式传感器节点，光伏板和蓄电池成本较高。

（3）激光供电

激光供电优点是在一定变温条件下能恒功率工作，电源纹波小、噪声低，不受负载影响，不受天气和环境因素影响。由于其高低压侧由光纤连接，可以传输数据。激光供电缺点是其

低压侧需要市电等外界供电，不利于部署在野外输电走廊，安装成本高。激光器功率有限，

激光二极管长时间工作在大功率状态下容易退化，使用寿命迅速降低。若要在输电线路上大

量安装传感器节点，需要在线路上布设大量光纤，不利于安装。

（4）电磁感应取电

电磁感应取电优点取电不受自然环境影响，使用寿命长、性能可靠，无需维护。无需敷

设线路，无需复杂的外围辅助设备，设备体积和重量可根据所需功率进行调整，成本低。只

要输电线路有一定的负荷，即可源源不断地获取电能，对设备低功耗要求低，可以加大无线

通信功率，大大增加通信距离，增强对环境电磁干扰的抵抗能力；可避免自组织网络路由协

议的能量均衡限制，降低开发难度，有利用无线传感器网络的架设。

电磁感应取电缺点是一次侧电流过小或停电时无法给设备供能，存在供能死区，需要进

行电源管理加以克服。一次侧电压等级高、电流变化大，甚至有冲击电流，需采取严格的保

护和抗干扰措施，以保证设备的稳定性和可靠性。无法用于直流输电线路。

电源方案比较及选择

对比上述四种电源方案，它们各有优劣，目前并没有一种方案可以适应各种不同的应用，因此需要结合具体的应用环境对电源方案进行选择。

由于本文的温度在线监测系统需要保证不间断供电，保证输电线路在异常发热时及时向

后台发出警报，因此受环境影响大的太阳能光伏供电方案并不适宜。考虑到在野外输电走廊

敷设供电线路的成本高昂，和大量部署传感器时光纤布设不便，故不适合采用激光供电方案。使用电池供电虽然安装方便、供电可靠，但考虑到组建自组织网络后的能量消耗增加、电池

使用寿命有限和难以更换电池等因素，故不采用电池供电方案。感应取电的突出优势在于成

本低廉、供电可靠、免维护，非常有利于无线传感器网络的应用，因此本文选择这种方式进

行供电。

3.传感器节点设计