基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)防雷技術(shù)

楊天貴

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州市 510405)

0 引言

雷擊是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素之一。電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計表明，在我國運行的高壓線路總跳閘次數(shù)中，由雷擊引起的跳閘占40% ～70%，嚴重影響了社會經(jīng)濟的平穩(wěn)運行與發(fā)展。每年各級供電單位需統(tǒng)計轄區(qū)內(nèi)雷電的活動情況，通過分析雷電活動的頻次、雷擊地點，來表征該區(qū)域遭受雷害的分布情況，從而對電網(wǎng)雷擊進行防護［1］。

對電網(wǎng)采取全面可靠的防雷措施是電網(wǎng)保護的重點工作內(nèi)容，雖然各類防雷裝置的應(yīng)用范圍逐步擴大，但受其保護能力及造價限制，在輸電線路全線裝設(shè)并不現(xiàn)實，因此需要一種能表征電網(wǎng)雷害分布、指導(dǎo)輸電線路實施防雷保護的技術(shù)。

本文將研究一種新型電網(wǎng)雷害實時監(jiān)測與分析管理系統(tǒng)，根據(jù)線路的具體情況(如桿塔高度、絕緣子數(shù)量、桿塔所處的地形地貌和地質(zhì)條件等)布置無線傳感器節(jié)點［2］。該系統(tǒng)能通過前端傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測電網(wǎng)防雷設(shè)備的運行情況，包括前端避雷器狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、雷擊時的各種實時雷電參數(shù)等，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳傳送至主控監(jiān)測中心分析服務(wù)平臺。相關(guān)管理人員可及時了解電網(wǎng)防雷設(shè)備的運行狀況、同時實時檢測雷電流波形，及時分析出雷擊的形式和故障地點，為準確判斷輸電線路雷害成因提供證據(jù)，以便改進輸電線路的防雷體系。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

雷擊所造成的故障跳閘事故一般有3種成因，基于傳感器的電網(wǎng)雷害實時監(jiān)測與分析管理系統(tǒng)需針對不同情況進行相應(yīng)的功能設(shè)計。雷擊事故發(fā)生的原因大致有:

(1)線路避雷器分布點少，雷擊直接擊穿絕緣子導(dǎo)致線路發(fā)生接地故障，此類情況多發(fā)生在郊區(qū)。

(2)因變壓器接地網(wǎng)殘舊或人為破壞，造成變壓器防雷功能完全失效，雷擊的破壞性電流燒毀變壓器;或變壓器上的避雷器存在質(zhì)量問題，導(dǎo)致受雷害時避雷器產(chǎn)生隱蔽的故障點，情況嚴重時將導(dǎo)致輸電線路全接地;或脫掛式避雷器由于產(chǎn)品質(zhì)量問題在雷擊時不能及時脫開，從而造成隱蔽故障點。

(3)各類避雷器產(chǎn)品的進貨量大，不能對每件產(chǎn)品都進行試驗，部分產(chǎn)品參數(shù)與實際參數(shù)不一致，雷擊跳閘時容易發(fā)生不動作現(xiàn)象。低壓避雷器很容易受強雷擊而擊穿，特別是位于空曠地帶的低壓線路［3］。

傳感器網(wǎng)絡(luò)作為通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，具有分布式處理系統(tǒng)的高監(jiān)測精度、高容錯性、覆蓋區(qū)域大、可遠程遙測遙控、自組織、多跳路由等優(yōu)點，無須另外設(shè)置基站，且具有很強的抗毀能力，能在各種極端的惡劣條件下穩(wěn)定運行。本文研究的電網(wǎng)雷害實時監(jiān)測與分析管理系統(tǒng)，需具有以下功能:

(1)實時監(jiān)測整個配電網(wǎng)系統(tǒng)，包括鋼塔、線路的雷擊參數(shù)，記錄遭受雷擊時的電流、電壓參數(shù)，判斷出雷擊的形式和發(fā)生位置。利用前端電流傳感器，實時檢測雷電流波形，及時分析出雷擊形式和故障地點，為準確判斷輸電線路雷害的成因提供證據(jù)，以便改進輸電線路的防雷體系。

(2)實時監(jiān)測避雷器的工作狀態(tài)，利用前端電流傳感器監(jiān)測避雷器全泄漏電流。主控監(jiān)測中心服務(wù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)包進行打包解析，分解出避雷器的電流、電壓數(shù)據(jù)［4］，對避雷器的各相數(shù)據(jù)進行處理，并對避雷器的運行狀態(tài)進行分析，對其故障進行診斷和預(yù)警。

(3)實時監(jiān)測電網(wǎng)的運行環(huán)境與狀態(tài)，利用各類傳感器實時監(jiān)測電網(wǎng)外部環(huán)境數(shù)據(jù)與硬件設(shè)備狀態(tài)，包括外部溫度、濕度、磁場、風(fēng)力、風(fēng)向、設(shè)備腐蝕度、設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測等。

2 前端數(shù)據(jù)采集多傳感器節(jié)點的實現(xiàn)

雷害實時監(jiān)測與分析管理系統(tǒng)包括前端數(shù)據(jù)采集節(jié)點和多跳路由傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。前端數(shù)據(jù)采集節(jié)點承擔(dān)著采集各類開關(guān)量、物理量的任務(wù)，節(jié)點必須設(shè)計成通用傳感器接口，實現(xiàn)與不同類型的傳感器連接。該節(jié)點主要由電源模塊、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、無線通信模塊組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware system structure of data acquisition node

下面介紹各個功能模塊單元的實現(xiàn)。

(1)電源模塊電路設(shè)計。電源模塊采用的電源芯片為AMS1117，將5 V的外部電源電源直接供給電源芯片，即輸出3.3 V和1.8 V的電源電壓。整個節(jié)點系統(tǒng)采用5 V電壓供電，各個芯片的工作電壓由電源轉(zhuǎn)換芯片提供，主要含有 5、3.3、1.8 V這3種電源。其中，信號調(diào)理電路采用5 V的工作電源，TMS320F2812系列DSP的I/O電源為3.3 V，內(nèi)核電源則為1.8 V。LPC213X微控制器的工作電壓范圍為3.0～3.6 V，I/O口可承受5 V的電壓。

(2)信號調(diào)理電路的設(shè)計。設(shè)計信號調(diào)理電路的目的是將各類傳感器傳輸?shù)男盘栠M行放大、濾波，再送到數(shù)據(jù)采集與處理單元進行邏輯處理。由前端傳感器采集的模擬電壓、電流信號強度一般較小，為mV級別，必須放大達到處理單元可以識別的0～3 V范圍。由于監(jiān)測配電網(wǎng)的實時信號，必須實現(xiàn)多傳感器高速信號同時進行調(diào)理，因此要求運算放大器的轉(zhuǎn)換速率高、帶寬足夠大。本文選用了高阻抗運算放大器CA3140進行設(shè)計，其高寬帶和低噪聲的特點保證了信號轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定。本文設(shè)計的信號調(diào)理電路包括2級放大，因此選擇2個CA3140運算放大器逐級放大。

(3)數(shù)據(jù)采集與處理模塊電路的設(shè)計。數(shù)據(jù)采集與處理模塊是前端數(shù)據(jù)采集節(jié)點的計算核心，執(zhí)行同時與多路傳感器的數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。處理器的集成度要盡量高，有足夠的外部通用 I/O和通信接口，使整個系統(tǒng)的處理器外圍電路盡量簡單，以便減小整個節(jié)點的尺寸。鑒于數(shù)字信號處理器(digital singnal processor，DSP)在數(shù)字信號處理方面的優(yōu)越性能，并考慮到不同型號 DSP的性能參數(shù)及成本，綜合配電網(wǎng)防雷所需的計算要求，最終選擇采用 TI公司的DSP芯片TMS320F2812負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理。

(4)無線通信模塊設(shè)計。各類數(shù)據(jù)在采集、處理后，通過無線通信模塊進行傳輸。無線通信模塊硬件組成如圖2所示。其中 LPC213X微控制器為PHILIPS公司推出的支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位處理器［5］，內(nèi)置了寬幅串行通信接口和8/16/32 kB的片內(nèi)SRAM，以及多達9個邊沿或高低電平觸發(fā)的外部中斷口。AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換接口芯片是AD公司推出的16位A/D轉(zhuǎn)換器，其帶有兼容串行接口，能直接與LPC213X控制器連接，對采集的傳感器信號進行A/D轉(zhuǎn)換。為適應(yīng)突發(fā)雷擊時的大量數(shù)據(jù)傳輸要求，系統(tǒng)外接外部存儲器SST39VF1601，用于保存原始數(shù)據(jù)和需要掉電保護的歷史數(shù)據(jù)。射頻天線采用單片射頻收發(fā)芯片nrf401為核心，有效傳輸距離可達2 km。

圖2 無線通信模塊硬件原理Fig.2 Hardware schematic diagram of wireless communication module

3 多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

電網(wǎng)的寬幅跨度、復(fù)雜地形對傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)機制提出了較高要求，如何設(shè)計適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且滿足實時可靠需求的通信協(xié)議，成為高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時的新問題。路由協(xié)議的基本目標是為不同服務(wù)找到滿足其QoS需求的一條從源節(jié)點至匯聚節(jié)點的路徑［6］。如圖3所示，需要滿足一系列約束條件，包括:帶寬、時延、丟包率、搜索次數(shù)、距離、流量等，進而減少數(shù)據(jù)量，減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

通過配合適當?shù)臄?shù)據(jù)融合方法，在路由層采取以“事件”為中心的數(shù)據(jù)融合路由協(xié)議:數(shù)據(jù)在向匯聚節(jié)點傳遞的過程中，各自尋找最短路徑，即:根據(jù)數(shù)據(jù)的發(fā)生區(qū)域?qū)ふ疫m當?shù)闹虚g節(jié)點，在這些中間節(jié)點上對來自多個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)進行“多入單出”的融合操作后，再向匯聚節(jié)點傳遞。在事件驅(qū)動型網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的形成主要發(fā)生在事件區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中絕大多數(shù)節(jié)點只有很小的發(fā)射范圍，而匯聚節(jié)點的發(fā)射能力較強，可以滿足網(wǎng)絡(luò)QoS的需求，將數(shù)據(jù)發(fā)回遠程控制節(jié)點。

圖3 以“事件”為中心的數(shù)據(jù)融合路由協(xié)議Fig.3 Data fusion routing protocol relying on“event”

4 電網(wǎng)雷害實時監(jiān)測與分析管理系統(tǒng)

電網(wǎng)雷害實時監(jiān)測與分析管理系統(tǒng)的前端使用傳感器網(wǎng)絡(luò)采集電網(wǎng)防雷的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，所采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)多跳傳送到中心數(shù)據(jù)庫，終端用戶平臺讀取數(shù)據(jù)并進行分析管理，及時查找雷擊故障點并進行分析，詳細記錄雷擊故障的損傷情況，同時開展防雷運行總結(jié)和分析評估［7-9］，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)雷害實時監(jiān)測與分析管理系統(tǒng)Fig.4 Real-time monitoring and analysis system for lightning disturbance on power grid

5 結(jié)語

本文設(shè)計的電網(wǎng)雷害實時監(jiān)測與分析管理系統(tǒng)使用傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，所采集到的各類數(shù)據(jù)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳傳輸至主控監(jiān)測中心服務(wù)系統(tǒng)。由于使用的傳感器節(jié)點種類繁多、數(shù)據(jù)類型不一，無線多跳路由以及自組織方式有利于傳感器節(jié)點的大范圍部署和數(shù)據(jù)傳輸。不依賴于主站和其他通信系統(tǒng)，無需網(wǎng)絡(luò)布線，具有部署靈活、低成本的優(yōu)點;無需固定基站與通信線路，在災(zāi)害導(dǎo)致固定通信設(shè)施毀壞的情況下，依然可以保持穩(wěn)定工作;無需借助第3方運營商網(wǎng)絡(luò)，在山區(qū)等無運營商通信信號區(qū)域具有獨特優(yōu)勢。

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