基于无线传感器网络的电网防雷技术

杨天贵

(中国南方电网超高压输电公司广州局，广州市 510405)

0 引言

雷击是影响电网安全稳定运行的重要因素之一。电网故障分类统计表明，在我国运行的高压线路总跳闸次数中，由雷击引起的跳闸占40% ～70%，严重影响了社会经济的平稳运行与发展。每年各级供电单位需统计辖区内雷电的活动情况，通过分析雷电活动的频次、雷击地点，来表征该区域遭受雷害的分布情况，从而对电网雷击进行防护［1］。

对电网采取全面可靠的防雷措施是电网保护的重点工作内容，虽然各类防雷装置的应用范围逐步扩大，但受其保护能力及造价限制，在输电线路全线装设并不现实，因此需要一种能表征电网雷害分布、指导输电线路实施防雷保护的技术。

本文将研究一种新型电网雷害实时监测与分析管理系统，根据线路的具体情况(如杆塔高度、绝缘子数量、杆塔所处的地形地貌和地质条件等)布置无线传感器节点［2］。该系统能通过前端传感器网络实时监测电网防雷设备的运行情况，包括前端避雷器状态监测数据、雷击时的各种实时雷电参数等，通过传感器网络多跳传送至主控监测中心分析服务平台。相关管理人员可及时了解电网防雷设备的运行状况、同时实时检测雷电流波形，及时分析出雷击的形式和故障地点，为准确判断输电线路雷害成因提供证据，以便改进输电线路的防雷体系。

1 系统功能设计

雷击所造成的故障跳闸事故一般有3种成因，基于传感器的电网雷害实时监测与分析管理系统需针对不同情况进行相应的功能设计。雷击事故发生的原因大致有:

(1)线路避雷器分布点少，雷击直接击穿绝缘子导致线路发生接地故障，此类情况多发生在郊区。

(2)因变压器接地网残旧或人为破坏，造成变压器防雷功能完全失效，雷击的破坏性电流烧毁变压器;或变压器上的避雷器存在质量问题，导致受雷害时避雷器产生隐蔽的故障点，情况严重时将导致输电线路全接地;或脱挂式避雷器由于产品质量问题在雷击时不能及时脱开，从而造成隐蔽故障点。

(3)各类避雷器产品的进货量大，不能对每件产品都进行试验，部分产品参数与实际参数不一致，雷击跳闸时容易发生不动作现象。低压避雷器很容易受强雷击而击穿，特别是位于空旷地带的低压线路［3］。

传感器网络作为通信领域的新兴技术，具有分布式处理系统的高监测精度、高容错性、覆盖区域大、可远程遥测遥控、自组织、多跳路由等优点，无须另外设置基站，且具有很强的抗毁能力，能在各种极端的恶劣条件下稳定运行。本文研究的电网雷害实时监测与分析管理系统，需具有以下功能:

(1)实时监测整个配电网系统，包括钢塔、线路的雷击参数，记录遭受雷击时的电流、电压参数，判断出雷击的形式和发生位置。利用前端电流传感器，实时检测雷电流波形，及时分析出雷击形式和故障地点，为准确判断输电线路雷害的成因提供证据，以便改进输电线路的防雷体系。

(2)实时监测避雷器的工作状态，利用前端电流传感器监测避雷器全泄漏电流。主控监测中心服务系统对数据包进行打包解析，分解出避雷器的电流、电压数据［4］，对避雷器的各相数据进行处理，并对避雷器的运行状态进行分析，对其故障进行诊断和预警。

(3)实时监测电网的运行环境与状态，利用各类传感器实时监测电网外部环境数据与硬件设备状态，包括外部温度、湿度、磁场、风力、风向、设备腐蚀度、设备运行参数监测等。

2 前端数据采集多传感器节点的实现

雷害实时监测与分析管理系统包括前端数据采集节点和多跳路由传感器网络架构。前端数据采集节点承担着采集各类开关量、物理量的任务，节点必须设计成通用传感器接口，实现与不同类型的传感器连接。该节点主要由电源模块、信号调理电路、数据采集与处理模块、无线通信模块组成。数据采集节点的硬件体系结构如图1所示。

图1 数据采集节点的硬件体系结构Fig.1 Hardware system structure of data acquisition node

下面介绍各个功能模块单元的实现。

(1)电源模块电路设计。电源模块采用的电源芯片为AMS1117，将5 V的外部电源电源直接供给电源芯片，即输出3.3 V和1.8 V的电源电压。整个节点系统采用5 V电压供电，各个芯片的工作电压由电源转换芯片提供，主要含有 5、3.3、1.8 V这3种电源。其中，信号调理电路采用5 V的工作电源，TMS320F2812系列DSP的I/O电源为3.3 V，内核电源则为1.8 V。LPC213X微控制器的工作电压范围为3.0～3.6 V，I/O口可承受5 V的电压。

(2)信号调理电路的设计。设计信号调理电路的目的是将各类传感器传输的信号进行放大、滤波，再送到数据采集与处理单元进行逻辑处理。由前端传感器采集的模拟电压、电流信号强度一般较小，为mV级别，必须放大达到处理单元可以识别的0～3 V范围。由于监测配电网的实时信号，必须实现多传感器高速信号同时进行调理，因此要求运算放大器的转换速率高、带宽足够大。本文选用了高阻抗运算放大器CA3140进行设计，其高宽带和低噪声的特点保证了信号转换的稳定。本文设计的信号调理电路包括2级放大，因此选择2个CA3140运算放大器逐级放大。

(3)数据采集与处理模块电路的设计。数据采集与处理模块是前端数据采集节点的计算核心，执行同时与多路传感器的数据通讯任务。处理器的集成度要尽量高，有足够的外部通用 I/O和通信接口，使整个系统的处理器外围电路尽量简单，以便减小整个节点的尺寸。鉴于数字信号处理器(digital singnal processor，DSP)在数字信号处理方面的优越性能，并考虑到不同型号 DSP的性能参数及成本，综合配电网防雷所需的计算要求，最终选择采用 TI公司的DSP芯片TMS320F2812负责数据的采集和处理。

(4)无线通信模块设计。各类数据在采集、处理后，通过无线通信模块进行传输。无线通信模块硬件组成如图2所示。其中 LPC213X微控制器为PHILIPS公司推出的支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位处理器［5］，内置了宽幅串行通信接口和8/16/32 kB的片内SRAM，以及多达9个边沿或高低电平触发的外部中断口。AD7705模数转换接口芯片是AD公司推出的16位A/D转换器，其带有兼容串行接口，能直接与LPC213X控制器连接，对采集的传感器信号进行A/D转换。为适应突发雷击时的大量数据传输要求，系统外接外部存储器SST39VF1601，用于保存原始数据和需要掉电保护的历史数据。射频天线采用单片射频收发芯片nrf401为核心，有效传输距离可达2 km。

图2 无线通信模块硬件原理Fig.2 Hardware schematic diagram of wireless communication module

3 多跳数据传输的传感器网络构架

电网的宽幅跨度、复杂地形对传感器网络的服务质量(quality of service，QoS)机制提出了较高要求，如何设计适应网络结构且满足实时可靠需求的通信协议，成为高数据率无线传感器网络设计时的新问题。路由协议的基本目标是为不同服务找到满足其QoS需求的一条从源节点至汇聚节点的路径［6］。如图3所示，需要满足一系列约束条件，包括:带宽、时延、丢包率、搜索次数、距离、流量等，进而减少数据量，减轻网络拥塞，延长网络的生存时间。

通过配合适当的数据融合方法，在路由层采取以“事件”为中心的数据融合路由协议:数据在向汇聚节点传递的过程中，各自寻找最短路径，即:根据数据的发生区域寻找适当的中间节点，在这些中间节点上对来自多个传感器节点的数据进行“多入单出”的融合操作后，再向汇聚节点传递。在事件驱动型网络中，数据的形成主要发生在事件区域，网络中绝大多数节点只有很小的发射范围，而汇聚节点的发射能力较强，可以满足网络QoS的需求，将数据发回远程控制节点。

图3 以“事件”为中心的数据融合路由协议Fig.3 Data fusion routing protocol relying on“event”

4 电网雷害实时监测与分析管理系统

电网雷害实时监测与分析管理系统的前端使用传感器网络采集电网防雷的相关数据信息，所采集到的数据通过网络多跳传送到中心数据库，终端用户平台读取数据并进行分析管理，及时查找雷击故障点并进行分析，详细记录雷击故障的损伤情况，同时开展防雷运行总结和分析评估［7-9］，系统的整体结构如图4所示。

图4 电网雷害实时监测与分析管理系统Fig.4 Real-time monitoring and analysis system for lightning disturbance on power grid

5 结语

本文设计的电网雷害实时监测与分析管理系统使用传感器网络构建数据采集网络，所采集到的各类数据通过传感器网络多跳传输至主控监测中心服务系统。由于使用的传感器节点种类繁多、数据类型不一，无线多跳路由以及自组织方式有利于传感器节点的大范围部署和数据传输。不依赖于主站和其他通信系统，无需网络布线，具有部署灵活、低成本的优点;无需固定基站与通信线路，在灾害导致固定通信设施毁坏的情况下，依然可以保持稳定工作;无需借助第3方运营商网络，在山区等无运营商通信信号区域具有独特优势。

［1］董超，陈贵海.无线网状网的QoS研究［J］.软件学报，2009(6):1539-1552.

［2］刘英亮，丛伟，张洁，等.基于IEC 61850的广域保护系统通信服务模型［J］.继电器，2007，35(15):18-21.

［3］殷爱菡，钱飞鹏.自适应调度的增强QoS保证机制［J］.计算机工程与设计，2010，31(3):498-500.

［4］杨赞伟，阳春华.基于GPRS的配电变压器监测系统［J］.自动化与仪表，2009，24(4):22-25.

［5］关飞，吴小美，刘朝辉.基于GPRS通讯的配变监测管理系统［J］.电测与仪表，2008，45(1):21-23.

［6］Mehdi K，Shiri M E，Mehdi D.Distributed topology control algorithm based on one-and two-hop neighbors’information for ad hoc networks［J］.Computer Communications，2009，32(2):368-375.

［7］郝晓辰，窦晶晶，刘彬.基于路径损耗的无线传感器网络分布式拓扑控制算法［J］.软件学报，2009，20(12):3213-3222.

［8］张强，孙雨耕，杨挺，等.无线传感器网络在智能电网中的应用［J］.中国电力，2010，43(6):31-36.

［9］寿挺，张思建.小型并网光伏电站智能监控系统的研究［J］.中国电力，2012，45(9):60-63.