摘要：高压交流输电是当前最主要的长距离输电手段，其具有电压等级高、传输距离长、输送容量大等特点。高压输电线路一般都为主要的供电线路，如果其出现故障有可能导致大面积停电的严重后果。因此对高压线路的监控是保障重要输电线路安全、稳定运行是十分必要的。国家电网公司在我国智能电网建设发展需求中明确提出要建设高压输电线路监控系统，实现对重要电力走廊、大跨越、灾害多发地区的环境监测以及灾害预警。
关键词：物联网技术；高压线路；监测
随着电网智能化的不断发展，输变电设备的性能越来越重要。因此为了确保电网运行的安全性与可靠性，可以利用物联网技术对输变电站设备状态进行监测。在应用中，需要充分了解物联网技术，依据输变电站设备监测所要的灵活性，确保监测数据的准确性，从而进一步提高电网运行质量。
1 物联网技术
1.1构建物联网体系
（1）感知层所起到的作用是接收距离范围内的网络信息，利用短距离无线通信网络连接通信设备，从而使感知层能够接收网络系统在运行过程中所传递的各种信息；（2）网络层的主要功能是传输网络数据信息，确保各种信息的有效传递；（3）应用层主要包括智能手机、计算机、平板电脑，其主要作用是使用户与计算机两者之间在应用层上能够实现交互，确保操作的合理性。
1.2设计物联网体系
路由器、协调器、终端设备三者是物联网体制中必不可少的，缺少任意一项，物联网体制都变得不完善。协调器是物联网的核心内容，包括连接设备的维护与组网构建等多项内容，其在运行过程中的主要功能是执行指令。网络设计以电网设计为主，利用网络连接方式，将主控芯片与网关接口连接，在网络终端设备上连接路由器。在设计物联网体系过程中，需要加强对节点设计的重视程度，并且需要不断提高路由器的兼容性，使其使用范围能够变得更加广泛。数据信号传输需要使用协调器，传输的信号在经过逻辑电平转化之后，在传输到网路平台之上。
2 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，分别是数据采集层、数据传输层、以及分析控制层三层。数据采集层主要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，经过专家系统的处理，得出高压线路的实际运行情况。其中每一个节点的数据采集由两个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的电参数进行监控，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，首先通过Zigbee网络将数据数据汇总到一个主机上，然后再通过GSM将数据传送到监控中心。主机与主机之间的通信则采用Zigbee通信。
3 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。系统设计采用意法半导体公司的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。
3.1系统电源的设计
为满足高压线路监控的长时间工作的需求，在不增加额外供电线路的情况下，考虑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，在经过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，因此在电路设计过程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是电流较小时，装置能够正常工作。
高压线路的电流经过n1线圈的互感后的电压经过平波电感L后通过整流和滤波电容C给7805供电，产生稳定的5V电源。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为防止因高压线路电流过大，互感电压较高，电源在设计过程中采用了另一组绕组n2，当高压线路电流过大时，n2线圈的输出电压使场效应管T导通，电阻Ｒ将作为负载电阻接入电路，起到消耗互感电源能量的作用。
3.2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，其强度的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为电容极板之间的距离。可以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，能够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，高压线路在工作过程中会产生一个交变的磁场，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的大小。
3.3短距离无线通信电路设计
对于10－110kV的输电线路，副机与主机之间的安装距离较短，通信方式可采用低功耗的短距离无线通信的方式进行。设计采用SI24Ｒ01无线通信模块，该模块采用2.4G的通信频段，并采用了数传芯片nＲF24L01+，能够方便的支持SPI接口，实现对发射功率、通信频道以及协议的设置。模块整体具有功耗低，稳定性高，编程方便等特点。
4 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网络由一个协调器和若干个路由器组成以及网络终端组成。协调器负责创建网络，路由器负责网络路径搜索以及数据包的收发，当有更多的节点加入网络时，能够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TI公司的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。并能够方便的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。本次设计采用的西门子公司的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。单片机能够方便的通过串口向其发送AT指令，实现对其的控制。
5 结论
按照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。因此可以预见，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以及传感器部分，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ALLENTEK公司的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够通过Zigbee网络以及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。但在设计过程中没有考虑到电磁干扰、防潮、防雷以及各种自然环境等防护问题，在以后的设计中考虑以上一些问题。
参考文献
[1]王玉峰，赵敏，罗沛文.一种高压线非接触式自取电电源的设计[J].机械制造与自动化，2013(12):178－185.
[2]牛博，姚林，曹小行，王森，惠华，张桂青.基于3G物联网的高压输电线路多状态信息监测系统[J].陕西电力，2013，(12):56－60+70.
论文作者:冯万学
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/7
标签：高压论文; 线路论文; 主机论文; 电压论文; 网络论文; 模块论文; 数据论文; 《电力设备》2017年第18期论文;