引 言

當前電纜在鋪設、運行中在線監(jiān)測較方便，在未來有廣泛的應用，在當前系統(tǒng)中，35kV及以上電壓等級電纜應用面最廣。據(jù)電網(wǎng)公司統(tǒng)計，當前已經(jīng)鋪設的 110kV及以上電壓等級的電纜總長度超過 3000km，最高電壓等級為 1000kV[1]。交聯(lián)聚乙烯電纜目前已經(jīng)在國內許多城市大面積進行現(xiàn)場應用，且鋪設數(shù)量越來越多[2]。隨著電力電纜的應用增多，其運行可靠性將直接關系電網(wǎng)的可靠與安全性。

無線傳感器網(wǎng)絡（WirelessSensorNetwork，WSN）在應用中有一大類以環(huán)境參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)作為監(jiān)控對象[3]，適用于構建室外環(huán)境下的電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理簡介

WSN 電力電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由WSN 裝置（由 GPRS 收發(fā)模塊、GPRS 基站、數(shù)據(jù)中心服務器和客戶端等組成）、電感耦合傳感器、局放監(jiān)測單元、現(xiàn)場取電裝置等組成。監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖 1 所示。電感耦合傳感器檢測并采集三相電纜的外屏蔽層接地線上的局部放電信號，由局放監(jiān)測單元自動選頻、混頻、濾波、峰值檢波、放大、模數(shù)轉換后，顯示在液晶顯示屏上，再由 WSN 節(jié)點把監(jiān)測數(shù)據(jù)周期上傳到數(shù)據(jù)中心服務器，數(shù)據(jù)中心服務器對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析 [4]。最后客戶端通過訪問服務器、瀏覽局放監(jiān)測單元的詳細信息來遠程控制和修改在線監(jiān)測單元的相關數(shù)據(jù)。

1.1 電感耦合器

本系統(tǒng)選用德方電子自主開發(fā)的開口式寬頻電流互感器作為電感耦合器，此傳感器靈敏度高，適用于電纜接地線局部放電測量，結合一定的抗干擾算法后具有較好的工程應用價值 [5]。檢測靈敏度為 10 pC，頻帶范圍為 10 kHz ～30 MHz，外形尺寸為 128 mm 130 mm 35 mm，信號傳輸借助 0.8 kg， 阻值 50

1.2 在線監(jiān)測Sink節(jié)點硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)原理圖如圖 2 所示。

(1) 信號調理模塊：該模塊由過壓保護、選通電路、預選器、衰減網(wǎng)絡、混頻電路和峰值檢測電路組成，把采集的信號轉換為單片機處理信號。

(2) 控制模塊：該模塊對信號進行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲。

(3) 液晶模塊：該模塊可實時顯示數(shù)據(jù)，并與按鍵電路實現(xiàn)友好的人機交互。

(4) GPRS模塊 ：該模塊可提供物理傳輸通道。

1.3 系統(tǒng)工作原理

局部放電信號由傳感器采集進入信號調理模塊 [6]，再由過壓保護電路泄放可能存在的過電壓信號后，選通電路選擇參數(shù)的通道，然后經(jīng)濾除干擾和雜波處理后，再由衰減和前置放大模塊對信號幅值進行調整，轉變?yōu)?455 kHz 的中頻信號并進一步降頻后完成模數(shù)轉換和數(shù)據(jù)處理，最后經(jīng)顯示模塊顯示在液晶顯示屏上，由GPRS上傳至數(shù)據(jù)中心服務器。

2 WSN在線監(jiān)測節(jié)點設計

WSN 選擇 ATmega128L 作為控制核心[7]，采用CC2420 收發(fā)射頻數(shù)據(jù)。監(jiān)測網(wǎng)絡拓撲由普通節(jié)點、中心節(jié)點和匯聚節(jié)點組成?？紤]到電纜架設環(huán)境會使網(wǎng)絡規(guī)模擴大，故采用中心拓撲結構設計，通過監(jiān)測普通節(jié)點的狀態(tài)，選取若干中心節(jié)點進行信息傳輸，而其它節(jié)點休眠可以減少能量消耗 [8]。中心拓撲結構如圖 3 所示。

節(jié)點定時采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)中心節(jié)點通過多跳路 由傳給 Sink 節(jié)點。Sink 節(jié)點將數(shù)據(jù)上傳至控制中心， 同時通過 GPRS 模塊把信息傳遞給 PC 機。 

目前國內外出現(xiàn)了多種網(wǎng)絡節(jié)點的硬件平臺。主 要有 Mica、Smart Dust、Telos 等，采用不同的處理器、 射頻、路由協(xié)議并選擇不同功能的傳感器作為區(qū)分。

2.1 普通節(jié)點結構 

本系統(tǒng)對功耗有特殊的要求，因此采取模塊化 體系設計，按功能分為傳感采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、 射頻發(fā)送模塊、供電模塊。

2.2 傳感采集模塊 

本系統(tǒng)選用性能較好的傳感器來實現(xiàn)電纜環(huán)境 的在線監(jiān)測，如加速度傳感器、溫濕度傳感器等。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊完成節(jié)點的數(shù)據(jù)處理、路由、時 間同步、定位等，是計算的核心。

本系統(tǒng)選用 Atmega128L 單片機 [9]。與外圍結 構連接電路如圖 4 所示。 

2.4 射頻收發(fā)模塊 

本系統(tǒng)采用 TI 公司生產(chǎn)的 CC2420 射頻收發(fā)芯 片作為核心構建射頻收發(fā)模塊，可實現(xiàn)點對點快速 組網(wǎng)。該系統(tǒng)具有體積小、成本低、功耗小等特點，適用于電池長期供電的情況。還具有硬件加密、安全可靠、組 網(wǎng)靈活、抗毀性強等優(yōu)點 [3]。射頻收發(fā)模塊電路如圖 5 所示。 

2.5 供電模塊 

本系統(tǒng)采用鋰電池供電與現(xiàn)場取電結合的供電模塊。原 因在于高壓電纜鋪設在野外，長度不等，對它進行在線監(jiān)測時， 通過現(xiàn)場電纜取電裝置從運行的電纜中感應出電流，利用電流 電壓轉換裝置形成直流電壓。 

2.6 交互接口 

節(jié)點交互接口包括 ISP 編程接口、JTAGE 接口、232 接口、 鋰電池充電接口等 [10]。

3 結 語

本文介紹了目前電纜局部放電在線監(jiān)測相關方法，然后 設計了一套基于 WSN 的在線監(jiān)測系統(tǒng)，并進行了相關系統(tǒng)的硬件選型和設計，具有一定的應用價值。