段成毅
国网忻州供电公司，山西省 忻州市 034000
摘要： 在详细分析了高压输电线路监测需求的基础上，对基于无线传感器网络的智能化在线监测系统进行了设计。在充分利用无线传感器网络优势的同时，通过构建异构无线传感器网络架构，子网采用Ｚｉｇｂｅｅ网络，骨干网采用多跳自组织网络（基于ＩＥＥＥ ８０２．１１）。重点解决的主要问题包括节点供电、传输带宽及距离、电磁兼容及安全等，通过综合运用数据加密及访问权限设置等方式确保网络安全，使高压输电线路的监测质量及效率得到显著提升。
关键词：高压输电线路；无线传感器网络；智能化在线监测；实现路径
引言
1高压输电线路在线监测智能化优势
1) 实时感知：应用高可靠性监测传感技术，以及空天地立体监测、协同巡检等综合手段，实时掌控本体状态、通道环境，为开展自主预警及智能处置提供可靠的数据支撑。 2) 全息互联：设备状态、通道状况、人员情况全景监控，基础数据、监测数据和运行数据互联互通，具备开展自主预警以及智能处置的平台化基础。 3) 自主预警：借助于人工智能、大数据等技术，深度融合多源数据，统筹开展线路状态评估，实现对线路故障、缺陷和隐患的主动判断并根据实际情况作出客观预警，指导一线人员高效快速处置。 4) 智能处置：利用无人机、图像识别、智能穿戴等技术开展隐患、缺陷及故障处置的智能辅助及安全防护，提升故障、缺陷和隐患的处置效率，最大化保障作业人员的安全。
2高压输电线路智能化在线监测系统设计
2.1无线传感器网络设计要求
（１）支持远距离传输，高压输电线路中传送距离一般同电压等级成正比，２２０ｋＶ的输电线路较长，尤其是特高压输电线路可达到上千公里，可能穿越不同的区域，需以不同区域的实际情况为依据对相应监测设备进行部署，重点监测区域间的间隔可能较远，需网络支持远距离传输功能。（２）灵活的拓扑结构，满足不同线路类型的监测需求，连接不同变电站的输电线路通常呈线性排布，网络节点（安装于杆塔上）则呈线性拓扑结构，通过采用同塔多回（多回输电线路共用一个杆塔）的方式可节省占地资源，由三相导线和架空地线构成一回线路，在需同时监测多条输电线路的情况下，使局部呈网状网络拓扑结构。（３）支持多种数据传输类型，具有较强的灵活性和可扩展性，根据实际对输电线路的分析可知污染、覆冰、振动、外力破坏等是引起线路故障的主要因素，监测数据大致可分为标量数据类型（如盐密泄漏电流、导线温度等）、图像类型（如导线覆冰、线下活动等图像）。异构性的无线传感器节点包含了标量传感器节点和图像传感器节点。除支持多种数据传输外，还需具有较高的传输带宽以满足规模不断增加的监控需求.
2.2异构无线传感器网络架构
本文所构建的层次型异构无线传感器网络的架构示意图，如图１所示 监控中心负责对骨干网络和子网进行监测，子网为星形网络采用Ｚｉｇ ｂｅｅ无线通信技术，由监测子站和无线传感器节点构成（节点１跳即可接入监测子站），带宽可达２５０ｋｂｉｔ／ｓ，可有效满足小范围网络内的标量数据传输（如温度、弧垂等）及大量数据（如图片、视频等）的传输需求。基于ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ标准的骨干网络主要由监测子站构成，呈现簇头节点形式的监测子站具备较强的信息传输和处理能力，骨干网络采用自组织网络，通过配置高增益天线可有效满足远距离传输需求，并且单跳链路具备较高的带宽。作为监测系统的主要构成，采集终端主要由传感器、无线通信（支持Ｚｉｇ ｂｅｅ标准）及电源几个模块构成，以传感器节点位置为依据确定电源模块，位于杆塔上的采集终端可采用太阳能供电，位于导线上可使用电磁感应电源。监测子站主要由主控模块（低功耗芯片）、通信模块（包括Ｚｉｇ．ＴＩＦｂｅｅ和ＩＥＥＥ ８０２．１１标准）及电源模块构成，放置于杆塔上的监测子站可采用太阳能供电 。
呈线性或网状排布的监测网络需对动态路由协议进行设计，考虑到数据传输量在单一的数据流向下越靠近汇聚节点越大，导致电能易耗尽，因此采用能耗受限的可靠路由协议，以链路传输状态为依据对发送功率进行自动调节，兼顾低能耗需求及传输速率和丢包率，为使由监测数据大量聚集导致的网络拥塞问题得以有效避免，并能对报警事件进行及时处理，设计了２种数据查询方式：①事件驱动，在传感器节点监测到异常事件的情况下会及时产生具有高优先级的报警数据包并向监控中心上传，各中间节点均需对报警数据包进行优先处理、转发；②查询驱动，各传感器节点向监测子站周期性的上传普通数据包（即收集到的监测数据），由监测子站完成汇聚、缓存处理后传送至监控中心对监测数据进行存储、处理和分析。由监控中心负责调度各监测子站上传时间，通过轮询方式的使用可使网络拥塞问题得以有效避免，采取时间及事件唤醒机制，上传周期间隔内保持睡眠状态。此外还提供历史数据查询、故障点定位、数据可视化等功能。包括泄漏电流等在内的特殊数据需结合专家知识进一步处理 。
2.3高压线路感应取能的方法研究
以典型高压输电线路为基础，分析高压输电线路的感生磁场特性与分布，针对不同的采集传输装置应用需求，研究非接触式感应取能的原理和方法。根据线路绝缘子、金具、导线、接地导体等分布情况，建立分段静电感应取能电路阻容模型，模型真实反映线路实况，高压输电线路存在感生电场，其中的空气-电介质为线性介质，因此高压线路为感生电场独立系统。可以建立仿真的静电感应模型，以得到分段绝缘接地导体静电感应取能的方法及等值计算电路。对感应取能模型进行分析计算，选取导磁材料尺寸形状及技术参数，最大化提高感应取能效率以及相关参数的影响，分析导线电压、线路长度、杆塔结构、导线换位负载耐压水平等对感应取能功率影响。基于感应取能的效能评估、抗干扰性及安装可行性等分析，确定感应取能与控制策略 。防雷能力是感应取能装置设计方案中的关键参数指标，设置多重保护电路方案进行优化，通过模拟雷击试验平台对优化方案进行验证。
2.4 高压线路感应取能实验研究
针对典型高压输电线路，通过感应取能装置的优化设计与制作，及在现场的实测与应用对感应取能策略进行分析验证：采用非金属外壳增加屏蔽层，降低雷电冲击的危害；导线可能流经巨大的短时故障电流，感应取能装置需设计专用的限流电路；在线储能单元在线路负荷过小或失电故障时提供辅助应急能量 ；通过优化后的感应取能电路设计方案验证感应取能功率的计算及相关因素的影响是否合理。
结束语
为有效满足电力系统对高压输电线路安全运行的需求，本文主要对高压输电线路的智能化在线监测系统进行了研究和设计，完成了全参数的线路监测系统的构建，以该线路布局及监测参数的特点为依据完成了层次型异构无线传感器网络的构建，由负责采集图像和标量数据的子网和负责远距离可靠传输数据的骨干网构成，重点解决了包括节点供电、传输距离、电磁兼容等在内的关键问题，有效提高了高压输电线路的在线监测质量及效率。在节省运行费用的同时提高了系统的可扩展性、可靠性，为完善高压输电线路的监测功能提供参考。
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