基于多无线传感器网络的电力设备安全监控系统研究

福建电力职业技术学院自动化系 胡自强

1.引言

电力系统为社会经济的飞速发展提供了必备不可少的重要保障，当前大多电力设备还是靠人为值守观测进行安全管理，随着电力系统的电力设备逐渐增多，单靠人工对电力设备安全的管理基本无法实现，如2008年南方地区的冰雪灾害90多个县市电网中断，大部分灾害地区的电力设备遭受不同程度的损害，造成了重大的经济财产损失和人员伤亡。倘若能够建立一套远程自动监控系统，对分散在不同地理位置的电力设备的各种环境参数进行采集与分析，并给出相应的预警，势必减少电力系统在各种灾害中的损害。

无线传感器网络（Wire1ess Sensor Networks简称WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。借助无线传感器网络通过将大量低成本的微型传感器节点按一定结构或者完全随机散布到被监测区域内，并通过无线通信技术构成一个自组织的网络系统，各个传感器节点通过协同的工作方式来感知、采集和处理目标对象的各项信息，并通过网络自带的系统来分析处理采集到的数据信息，最后通过网络将信息传输给观察者，从而实现对监测区域的实时监控，为观察者做出决策提供必要的信息支持。由于无线传感器网络中的传感器节点成本低廉、体积微小且结构相同，部署方便，同时又具备了信息采集和发布功能。

因此，本文设计与实现了一个基于无线传感器网络实时对电力设备工作环境和各项指标进行远程自动监控系统，解决传统的人工巡查难于对分散电力设备因各种灾害导致的各种事故和现象进行提前预警处理等问题。

2.系统整体方案设计

2.1 系统需求分析

（1）监控对象

表2-1 电力系统远程监控清单表

图2-4 中央服务器与外围电路连接示意图

图2-1 系统的体系结构示意图

图3-3 温度数据接收流程示意图

图3-1 温度监控流程示意图

图2-2 无线传感器网络结构示意图

图2-3 微处理器和传感器SHT11的硬件连接示意图

图3-2 温度采集流程示意图

图3-4 实现效果示意图

电力系统的运行主要与电力设备的工作环境、电缆覆冰状况以及各个电力设备的运行状态密切相关，因此主要监控的对象即为电力设备的工作环境、电力设施覆冰状况、电力设备的运行状态。如表2-1所示。

在整个需要监控的范围来看主要包括电力系统整体环境以及各种设备的环境、运行参数，具体分为模拟量和数字量的相关信息监控。

（2）功能和技术需求

通常电力系统的各种电力设备分布在不同地点，并处于自动运行状态。作为安全营运管理，需要对电力系统的各种设备实时监控各种指标，具体来说要对各种设备达到表2-1所列指标进行实时采集，根据采集数据与预设阀值对比监控，如对电力设备作业环境的温度、湿度根据设备开关状态划分A、B、C3种等级，每种等级设定其阀值范围。为此，在技术上，借助无线传感器对前端相关对象数据信息进行以及传送到监控中心进行处理，监控中心选用ARM作为主要处理器，这样避免增加显示设备，同样能够实现数据传入互联网，进而为管理人员实时监控和处理提供接口。

2.2 系统整体方案与体系结构

根据对电力系统监控的需求分析，系统整体方案采用基于3G网络、ARM嵌入式服务器和Zigbee的电力系统环境监控系统的整体架构，具体体系结构分为：Zigbee无线传感网络（WSN）、中央ARM服务器、基于3G网络传输的数据收集转发服务器和用户终端四个部分，如图2-1所示。

Zigbee无线传感网络通过传感节点负责监控的数据采集，并通过协调器将采集数据上传到Arm嵌入式中央服务器进行相应的处理，并将处理后的数据暂存；通过3G网络将处理后的数据传输到数据收集转发服务器进而发送到用户终端，实现环境的实时监控和数据的准确传输显示。

2.3 部分硬件电路设计

（1）无线传感器网络

无线传感器网络在整个系统中是负责原始数据采集以及各种执行器控制作用，是整个监控系统的最基础部分。为了节约成本和降低功耗，簇内节点采用精简功能设备组建，无路由功能，只能与中央协调器（簇头）通信，结构图如图2-2所示。

（2）微处理器模块

微处理器模块的主要负责采集到的数据处理、存储以及控制无线通信。本文采用CC2530芯片来实现微处理器功能。

微处理器和传感器SHT11的硬件连接图如图2-3所示。

（3）ARM中央服务器

ARM中央服务器在整个系统中起到测量数据的存储、内部传输和发送到服务器的通信的作用。本设计采用S3C2430芯片来实现，整个中央服务器与外围电路连接图如下图2-4所示。

限于篇幅，外围电路连接就不在阐述。

3.系统的实现

3.1 实现方法

本系统采用IRA systems运行编程。下面着重介绍一下通过无线传感器网络实现温度数据采集和处理的实现方法，图3-1是系统实现温度监控的流程，图3-2是实现为温度数据的采集流程图，图3-3是实现为温度数据的接收流程图。

3.2 实现效果

系统实现效果如图3-4所示，点击上一节点和下一节点可以实时监控到不通节点的电力设备运行状况。

4.结束语

本文围绕基于无线传感器网络实现电力设备安全的远程监控展开研究，给出了总体方案，限于篇幅，没有附上相关所有的设计电路以及源代码。经试验，监控效果良好，但无线传感器网络的电源供给问题还难于解决，也是本研究课题在未来一段时间进一步探索的方向。

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