高压输电线路电力塔监测系统设计

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1 引言

电力设施是与生产、生活密不可分的一部分。高压输电线路和电力塔的设备完好情况以及周边环境情况是电能安全远程传输的关键。在实际电力线路传输中却存在众多可能损害电力设施的不确定因素，诸如人为损害、自然灾害等，造成巨大经济损失，使生产和生活蒙受无法估量的经济损失。所以对高压线路和电力塔进行全方位的因素监测是非常必要的，但是高压线路和电力塔所处环境、位置不同，人工监测和维护成本巨大且操作不方便。论文介绍如何实现对高压线路和电力塔的远程监测系统，对电力设施建立远程的无线智能信息监测，把各种预警信息采集远程传输，从而实现对电力设施的实时安全监控，减少损失。

2 无线传感器网络原理

无线传感器网络涉及多学科，它能提高获取信息的能力，把各种采集信息的传感器与传输信息的网络连接在一起组成采集与传输网络，提供实时监控信息，具有可扩展、低功耗及智慧化等优点。无线传感器网络技术是物联网技术的基础，用来实现物与物之间信息的交互。无线传感器网络由传感器节点、基站和管理节点构成。无线传感器协议包含物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层等。如图1所示为无线传感器网络协议。

图1 无线传感器网络协议

2.1 无线传感器网络节点

无线传感器网络节点一般包括电源模块，传感器模块、处理器模块和无线传输模块。如图2所示为无线传感器网络节点结构示意图。

电源模块为整个系统提供可靠的能源，并进行能源状态监测。传感器模块是无线传感器网络的前端部分，用来采集各种被监测目标的数据信息，根据测量对象的不同包含各种不同种类的传感器。处理器模块接受传感器采集的各种信息并进行存储与处理，协调系统的整体工作，并控制无线传输模块的工作。无线传输模块用来实现节点与节点之间、节点与网关之间的数据信息无线传输。

图2 所示为无线传感器网络节点结构

2.2 无线传感网络工作方案比较

电力设施监测中常用的无线射频技术是一种近距离、低功耗的无线通信技术，无需重新布线，利用点对点的射频技术实现对设备的无线监控。目前，常用的无线射频技术主要有Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等，它们各有特点，下面针对传输速率和传输距离的不同进行比较和择优选择。

Wi-Fi无线通信采用IEEE802.llb标准，是目前WLAN的主要技术标准之一，工作在2.4GHz，最高支持54M速度。Wi-Fi 通信依赖TCP/IP作为网络层，通信距离较短，且其功耗较

大，故而在一些电源要求苛刻的场合应用受限。

高压输电线路电力塔监测系统设计

梁日华

（中国铁建电气化局集团第二工程有限公司，山西 太原 030023）

摘 要：本文根据高压输电线路和电力塔的实际环境及位置，设计实时在线监测系统，避免常规巡检手段无法第一时间发现隐患的弊端。基于最新的无线传输技术ZigBee设计无线传感系统，建立高压输电线路和电力塔环境信息网络，对人为破坏、自然灾害、系统本身故障等进行实时监测预报，实现对高压线路和电力塔等电力传输设施的安全保护。关键词：电力塔；监测；ZigBee；无线传输

中图分类号：TM723 文献标识码：A 文章编号：1671-8089（2012）02-0074-03

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蓝牙通信是一种短距离无线通信技术，是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。蓝牙采用IEEE802.15.1标准，也采用2.4GHz频段，其传输距离最短，并且最多只能有7个节点，在大型无线传感网络系统中受限。

ZigBee采用IEEE802.15.4无线标准，是一种新兴的短距离、低成本、低功耗、低数据率的无线通信技术。它是开发有关组网、安全和应用的通信技术。它具有省电、可靠、时延短、网络容量大、安全、高保密性等优点。目前ZigBee在工业控制、环境监测、医疗和军事等领域都得到了越来越广泛的应用。ZigBee具有组网灵活性、流动性的特点，可以大大节约费用和精力。ZigBee协议结构如图3所示。其中，应用层包括应用支持层或应用程序接口、ZigBee设备对象和由制造商制定的应用对象。网络层负责确定拓扑结构和维护，以及命名和绑定服务，且完成寻址、路由和安全的任务。应用层负责为网络应用程序提供网络通信的服务。

图3 ZigBee协议结构

综合以上分析，电力设施的监测系统采用ZigBee技术作为无线传感网络系统的最终设计方案。监控系统中无线传感网络采用星型连接，主要包括了一个网关以及若干个无线通信子节点。网关上有一个无线收发模块，其他的无线通信子节点安放在各个监测点上，通过无线收发模块，各种信息数据可以在主节点和子节点之间进行传输。系统整体结构如图4所示。

图4 系统整体结构

3 系统整体设计

图5 高压输电线路和电力塔监测系统本系统设计远程高压线和电力塔监测，对高压线和电力塔的温度、周边实时信息进行感知并监测，在遇到认为损害或恶劣气候环境以及自身运行状态异常时进行预警处理。监测点进行无线测量和传输，利用ZigBee棉模块，通过布置无线传感器网络，实现数据的无线快速传输，从而达到降低危害的效果。

因为高压线和电力塔是高压电力输送的骨干传输设施，地域跨度非常大，基本是线性延伸的分布，所以在实际监测系统设计时，除了在终端使用无线传感器网络作为短距离通信方式，需要把监测的数据进行采集与简单处理后，采用以太网实现集中远程数据传输到系统管理模块，以实现远程长距离监测的要求。系统的传感器节点部署在高压输电线路和电力塔基上，将高压输电线路和电力塔的受力、温度、图片等环境参数采集后进行处理，在几公里或十几公里的局部范围内，各电力塔之间构成一个相互联系的无线传感器通信网路。最后再将多个区域内的信息汇聚以后，通过以太网将监测数据传回系统管理中心。

系统整体分为：无线传感器网络模块，数据采集模块，主控模块，以太网传输模块，系统管理模块，安全预警处理模块等。其中无线传感器网络模块采用CC2430芯片实现无线

收发及传感器网络系统，最终实现无线传感网络模块，完成对监测节点的控制与通信。数据采集模块利用多种传感器组成传感器网络系统，通过布置在高压线和电力塔上的温度、压力、视频等传感器对设备进行实时数据采集。主控模块通过中央处理器把采集到的实时数据进行简单处理，以获得设备的实时状态信息，并控制安全预警处理模块进行相应的安全预警处理。以太网传输模块利用网络接口芯片实现以太网通信，把采集到的实时数据传输到系统管理模块，进行数据比较存储与处理。系统管理模块利用高级语言设计用户管理接口，实现统一数据及控制管理。图5所示为高压输电线路和电力塔监测系统整体结构。

4 监测系统软件设计

监测系统的主控模块主要负责对无线模块上传来的各种数据信号进行判断，并发出相应的操作信息。当系统初始化完成后，主控模块会不停的刷新LCD显示，并且等待各种中断源触发中断。当有定时中断的时候，系统会运行定时器中断服务程序，更新时间。当有按键中断时，系统会运行键盘扫描程序，并且对相应的按键做出相应的反应。当有串口中断的时候，系统会接收来自各个传感器的数据，并且对所接收的数据做出相应的判断，发出相应的控制信息。

主ZigBee节点作为系统的信息枢纽，主要负责从ZigBee 节点与主控模块之间的通信。初始化完成后，主ZigBee节点一方面对传感器接口进行扫描，发出相应信息；另一方面会等待串口中断和从ZigBee节点的无线中断。如果从节点有监测到温度、压力、图像等信息，则主ZigBee直接上传给主控模块，主控模块对状态信息进行判断后，把信息通过串口发

回给主ZigBee节点，主节点一方面把相应命令信息无线广播

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