宋宣佳
身份证号码：37068219871106**** 山东 济南 250017
摘要：目前，高压交流输电是远距离输电的重要手段，具有电压等级高、输电距离远、输送容量大等特点。高压输电线路一般是主供电线路，一旦发生故障，可能导致大面积停电的严重后果。因此，有必要对高压输电线路进行监控，以保证输电线路的安全稳定运行。
关键词：物联网；高压线路；监测
高压线路的监控是保证其稳定安全运行的必要手段，它是我国智能电网发展的重要组成部分。然而，高压输电线路具有覆盖范围广、所穿越地域复杂、难以采集高压线路电参量等特点，很难实现对线路的监控。基于此，本文对基于物联网技术的高压线路监测进行了详细的分析。
一、物联网技术概述
1、定义。物联网技术(Internet of Things，IoT)起源于传媒领域，是信息科技产业的第三次革命。物联网(Internet of Things)是指将无处不在(Ubiquitous)的末端设备(Devices)和设施(Facilities)，包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、数控系统、家庭智能设施、视频监控系统等、和“外在使能”(Enabled)，如贴上RFID的各种资产(Assets)、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”(Mote)，通过各种无线/或有线的长距离/或短距离通讯网络实现互联互通(M2M)、应用大集成(Grand Integration)、以及基于云计算的SaaS营运等模式，在内网(Intranet)、专网(Extranet)、互联网(Internet)环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面(集中展示的Cockpit Dashboard)等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。
2、诞生发展。“物联网”在1999年提出，其定义简单：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。也就是说，物联网是指各类传感器和现有的互联网相互衔接的一个新技术。2005年国际电信联盟(ITU)发布《ITU互联网报告2005物联网》，报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可通过因特网主动进行交换。射频识别技术(RFID)、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。2008年3月在苏黎世举行了全球首个国际物联网会议“物联网2008”，探讨了“物联网”的新理念和新技术与如何将“物联网”推进发展的下个阶段。
自2009年8月温家宝总理提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是美国、欧盟及其他各国不可比拟的。
物联网的概念与其说是一个外来概念，不如说它是一个“中国制造”概念，其覆盖范围与时俱进，已超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围，物联网已被贴上“中国式”标签。
二、系统总体框架设计
为满足高压输电线路监测长时间、远距离的特点,将系统设计为三层,即数据采集层、数据传输层、分析控制层。其中，数据采集层完成对高压线路各节点上的电压、电流、温度等信号的采集工作。数据传输层通过zigbee通信与GSM/GPRS通信完成数据的传输。监控中心的计算机在接收到数据后,经专家系统的处理,得出高压线路的实际运行情况。
此外，每一个节点的数据采集由两个副机与一个主机实现,主机和副机分别对高压输电线的每一相电参数进行监控,副机采集得到高压线路相关的电参数后,通过短距离无线通信将数据发给主机。主机将所有数据收集后,先通过Zigbee网络将数据汇总到一个主机上,再通过GSM将数据传送到监控中心。主机与主机间的通信则采用Zigbee通信。
三、数据采集层
数据采集由安装在高压线路各节点上的主机与副机完成。
主机与副机模块的硬件结构基本相同,但主机模块相比副机模块增加了Zigbee网络通信部分,部分主机还安装有GSM/GPRS通信部分。系统设计采用STM32F103ZET6单片机为核心,驱动各种传感器模块,实现对高压电线参数的监测。
1、系统电源的设计。为满足高压线路监控的长时间工作需求,在不增加额外供电线路情况下,可采用将高压线路上的电流通过互感,取得一定大小的交流电压,在经变换得到系统工作电源。但由于一般高压线路的输电电流值变化范围较大,因此在电路设计中必须考虑相关器件参数的选择,并且要加入蓄电池,以保证在高压线路断路或电流较小时,装置能正常工作。
2、传感器电路的设计。高压输电线路由于电压过高,无法采用常规的电压互
感器进行电压采集。依据电磁场理论,交流高压输电线路在工作时周围会产生较强的电场,其强度大小与线路的电压成正比,与离线路的距离成反比。在距离高压线路一定距离的位置设置一对电容极板,则电容两端会有感应电压产生,感应电压的大小为:
UAB=E×d(1)
式中：E为电容安装处的电场强度,d为电容极板间的距离。可通过调整平板电容距离高压线路的位置,使感应电压保持在0～3.3V之间,能直接使用单片机自带的AD来进行数据采集。
对于电流信号,可在距离高压线路一定距离的位置安装一个闭合回路,依照楞次定律,高压线路在工作中会产生一个交变磁场,因此会在闭合回路中形成感应电动势。通过测量该电动势的大小,即可得出高压线路中电流大小。
3、短距离无线通信电路设计。对于10～110kV输电线路,副机与主机间的安装距离较短,通信方式可采用低功耗的短距离无线通信方式进行。设计采用SI24R01无线通信模块,该模块采用2.4G的通信频段,并采用数传芯片nRF24L01+,能方便支持SPI接口,实现对发射功率、通信频道及协议的设置。模块整体具有功耗低、稳定性高、编程方便等特点。
四、数据传输层
数据传输层由Zigbee通信网络与GSM/GPRS通信两部分组成。主机通过Zigbee网络将整个网络中所有节点所采集到的数据进行汇总,然后通过GSM/GPRS通信部分可将主机收集到的数据传送至监控中心。
Zigbee网络由一个协调器、若干个路由器及网络终端组成。其中，协调器负责创建网络,路由器负责网络路径搜索及数据包的收发,当有更多的节点加入网络时,能自动为节点分配地址。而网络终端只能收发数据而不能进行数据转发。而对于数据传输型的网络,通常采用一个协调器和多个路由器组网的方式。
本次设计采用的是DRF1605H物联网模块,该模块采用CC2530F256物联网芯片,并带有3.3V的串口。在开阔环境中的无线传输距离可达1.6km，并能方便设置模块的工作模式。
当主机模块通过Zigbee网络将数据收集后,通过GSM/GPRS模块将数据传输至监控中心。本次设计采用MC35i,该模块具有功耗低、已集成、通信延时小、环境适应性好等特点。单片机能方便的通过串口向其发送AT指令,实现对其的控制。
五、平台验证
实验平台采用调压器进行搭建,调压器的输入电压为380V,输出电压为0～450V之间可调。在距离模拟输电导线28mm的位置处安装平行电容板,在电压为450V时测得平行电容板间的电压约为482mv。
硬件平台采用STM32开发板为平台，该开发板以STM32F103ZET6芯片为核心,开发板上集成了串口、无线通信及触摸屏等多种外设,并且能方便地通过USB来进行程序的下载。在采用Keil MDK软件进行程序编写后,将程序下载后进行测试,实际测得的电压约为440V左右，最终数据通过GPRS通信发送至手机。
综上所述，按我国智能电网的发展规划,我国要通过高压输电线路行程全国范围内的电力高速通道,以实现全国能源的优化配置。因此可预见,在未来长时间内,高压输电线路的覆盖范围将越来越广,对高压输电线路的监控越来越重要。本次设计了一套基于物联网的高压输电线路的参数监控装置,着重设计了电源模块及传感器部分,使监控装置不用另加电源,直接利用高压输电线路的电源即可长时间工作，并利用STM32开发板搭建了相关的实验平台。实验结果表明，实际采集的电参量数据能通过Zigbee网络及GSM/GPRS通信将数据传输至上位机,实现了对高压输电线路电参量监控的功能。
参考文献：
[1]吴鹏辉.基于物联网技术的输电线路在线监测系统[J].中国新技术新产品,2015(23).
[2]高春雨.基于物联网技术的高压线路监测研究[J].自动化与仪器仪表,2017(03).