面向智能城市配电线路在线监测的物联网传感终端

作者:鲁文帅;李梦男;梁嘉倩; 刊名:中国电子科学研究院学报 上传者:赵丹

【摘要】面向智能城市感知需求,设计了用于电网线路健康状态监测的多参数NBIoT传感监测终端。终端以STM32L低功耗嵌入式系统为核心,基于由DS18B20测温芯片、DHT11感湿器件、BH1750光照检测芯片、LSM303DLHC微加速度计、L3G4200微陀螺仪组成的传感器阵列监测线路多参数,并通过NBIoT BC95模块和UDP协议实现物联网传输。监测设备能够实时传感电网环境的温湿度、光照度、振动倾覆状态等,并与云服务器交互。测试表明,该终端在未来城市输电监管应用中具有实用价值。

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0引言电网是城市管网的重要组成部分,随着城市形态向未来发展,智能电网越来越多的被认为是未来智能城市的重点领域和重要实现途径。智能电网通常需要对电网的发电、输电、变电、配电、用电以及调度的各个环节实施实时监控,全面掌控电力系统的运行状况[1]。其中的输电环节,智能输电线路是保障智能电网安全、减少事故发生的重要手段[2]。输电线路受环境与人为因素影响较多,需要监测的导线情况主要有导线弧垂、覆冰与舞动等现象,因此对环境温度、湿度、光照度与导线振动情况的在线监测和信息联网势在必行[3]。近年来,从事在线监测技术研发的厂家迅速增加,如西安金源电气有限公司研发了输电线路覆冰在线监测系统。该系统通过监测绝缘子串的张力、倾角和环境气象条件来推算导线的张力、弧垂及覆冰量。监测分机由太阳能加蓄电池组供电,监测数据通过GSM/GPRS网络发送到监控中心。天津大学研究了基于无线传感网络的高压输电线路在线监测系统,设计并实现了一种层次型异构无线传感器网络。子网为Zigbee网络负责图像和标量数据的采集;骨干网为基于IEEE 802. 11的多跳自组织网络,负责数据的远距离可靠传输[4]。然而,传统的GSM/GPRS,或3G/4G/5G大数据率传输的广域网络[5-6],在通信覆盖范围、接入容量、设备功耗等方面已渐渐表现出乏力,而Zigbee、Wifi、蓝牙等局域网技术又难以适用于电网这种分布范围极广的场景。随着中国三大运营商和华为公司等在窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NBIoT)标准的引领作用,国内广域物联网市场开始规范化,因此对未来城市的电网管廊监测应用需求已进入新的广域物联网时代。本文在当前高压输电线路无线监测技术发展现状的基础上,提出了基于NBIoT网络的无线监测节点和网络架构,并基于多物理量传感、无线通信和嵌入式技术,设计和研制了监测野外输电线路环境情况的多参数无线传感监测设备。该监测设备降低了数据融合难度、提高了多参数传输通量,提高了监测节点的网络独立性,并适合低功耗优势,适合大范围部署,具有工程实际意义。1监测设备的架构设计监测终端与监控中心共同构成监测系统。每个监测终端是系统中的一个节点,每个节点单独、直接向监控中心传输数据。每个节点可以实时监测与输电线路运行健康状况密切相关的五个具体参数,分别为温度、湿度、光照度、线加速度、角加速度。无线传感监测设备由测量导线所处环境情况的传感器、核心处理器、NBIoT通讯模块构成,有独立的电源供电。通过监测设备上集成的传感器可以采集导线所处环境的相应数据,数据经过处理后,监测设备可以通过NBIoT网络将数据信息发送到监测中心。监测设备结构框图如图1所示。其中,多参数传感器阵列包括温度传感器、湿度传感器、加速度传感器、角加速度传感器与光照度传感器。设备基于嵌入式ARM核心处理器,提供传感器控制、采集,数据处理,并与NBIoT通信模块交互数据。监测设备中集成的NBIoT通讯芯片能够与云服务器建立网络连接、远程传输数据。监测设图1输电线路监测物联网终端设备结构框图备集成了微存储卡来存储采集到的历史参数数据。监测设备各部分由可充电锂电池经过稳压源后统一供电,并集成了充电电路。人机交互界面包含LED灯、蜂鸣器等,能够指示设备初始化、设备传输数据、充电等状态等。2监测设备的关键技术设计2. 1传感单元设计为检测输电导线的表面温度,监测设备选用DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器。它是一种单总线数字温度传感器,芯片的测温范围为-55℃~125℃,可编程为9-12位A/D转换精度,

参考文献

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