基于DigiMesh网络的电缆外护套状态监测系统及其监测方法

摘要

基于DigiMesh网络的电缆外护套状态监测系统及其监测方法，将电力电缆外护套状态信息采集和DigiMesh通信技术相结合，以多跳的方式实现数据回传。本发明通过数据采集器将电缆状态数据进行实时测量，通过物联网进行数据传输，具有高效，高可靠性和超低功耗的特点，同时具备较强的抵御灾害应急通信的能力，能够及时的将监测状况传送到中心服务器，中心服务器对数据进行处理，根据处理后的数据判定电缆外护套的状态。这对实现电力电缆的及时检修，减少线路中存在的安全隐患有重要的现实意义。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统配电网管理技术领域，特别是电缆外护套状态监测系统及方 法。

背景技术

智能电网作为电力系统发展建设的方向，要求对系统中所有设备的实时状态进行监测， 以便及时检修。电力电缆是电力系统中最重要的组成部分之一，用于传输和分配电能，实践 证明，很多电缆故障都是由电缆外护套发生故障引起，而电缆一旦发生故障，可能会产生重 大损失。目前，电力电缆状态数据采集技术部分已实现，并在一定程度上进行了应用，但如 何有效地解决实时监测电力电缆外护套状态和状态数据传输一直没有得到真正解决。这个问 题集中体现在如何建立高可靠性，低功耗，低成本，灵活度高的输电线路通信系统，来实现 信息的无线传输。

目前电力电缆状态监测数据传输主要有两种方式，即通用无线分组服务(GPRS，general  packet radio service)和无线传感器网络(WSN，wireless sensor network)。GPRS监测 系统需要长期租用电信部门的通信服务，费用较高，数据传输带宽受限，且存在潜在的数据 信息安全问题。WSN技术是无线网络研究的热门领域，近年来，WSN得到实际应用的主要是以 IEEE 802.15.4标准为基础的ZigBee无线传感网络。ZigBee网络是一种低复杂度，低功耗， 低成本的无线网络技术，但ZigBee网络中节点间的传输距离有限，当传输距离扩展到几百米 时需要增加功率放大器，通信设备的功耗也会相应增加。

发明内容

本发明的一个目的就是提供一种基于DigiMesh网络的电缆外护套状态监测系统，它 可以提高通信系统的灵活性、及时性和可靠性，降低成本，降低盲目性。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有传感器节点、汇聚节点和中 心服务器；传感器节点分别设置在待测电缆的各位段点上，汇聚节点设置在待测电缆邻近中 心服务器的一端，中心服务器位于远端监控中心；中心服务器、汇聚节点和传感器节点呈长 链树型拓扑结构；传感器节点之间进行数据交互，传感器节点与汇聚节点进行数据交互，汇 聚节点与中心服务器进行数据交互。

进一步，所述传感器节点均包括有数据采集器、电池模块和无线通信器，电池模块为数 据采集器和无线通信器提供工作电源；数据采集器通过电缆向同一支路上的传感器节点的数 据采集器发送并接收监测脉冲，再将接收到的监测脉冲信息发送至无线通信器；无线通信器 包括有主处理单元和xtend无线通信单元，主处理单元控制数据采集器、电池模块和xtend 无线通信单元工作，接收并处理数据采集器发送的监测脉冲信息，并将处理后的监测脉冲信 息至该传感器节点的xtend无线通信单元，该xtend无线通信单元将处理后的监测脉冲信息 发送至目标传感器节点的xtend无线通信单元或汇聚节点，汇聚节点再将汇聚的信息发送至 中心服务器。

进一步，数据采集器通过UART接口单元将数据发送至主处理单元。

进一步，主处理单元采用16位RISC混合信号处理Msp430F169单片机。

进一步，所述电池模块包括有充电控制单元、太阳能电池和铅酸蓄电池，太阳能电池产 生的电能通过充电控制单元为铅酸电池蓄电，充电控制单元接收主处理单元发送的控制指令。

本发明的另一个目的就是提供一种基于DigiMesh网络的电缆外护套状态监测系统， 它可以有效地解决实时监测电力电缆外护套状态和状态数据传输的难题。

本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤如下：

1)为每个传感器节点和汇聚节点进行唯一编号；

2)根据传感器节点的地理位置，对传感器节点进行分簇；

3)传感器节点向同一簇的相邻传感器节点，通过电缆并行发送和接收监测脉冲；

4)传感器节点对接收到的监测脉冲进行处理，并通过无线通信的方式将处理后 的监测脉冲信号发送至下一个传感器节点或汇聚节点；

5)若下一个节点为传感器节点，则转入步骤4)；若下一个节点为汇聚节点，则 转入步骤6)；

6)汇聚节点将汇聚到的信息通过无线通信的方式，将汇聚的信息发送至中心服 务器；

7)中心服务器根据接收到的信息，监测电缆外护套的状态。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明将电力电缆外护套状态信息采集和DigiMesh通信技术相结合，以多跳的方式实 现数据回传。本发明通过数据采集器将电缆状态数据进行实时测量，通过物联网进行数据传 输，具有高效，高可靠性和超低功耗的特点，同时具备较强的抵御灾害应急通信的能力，能 够及时的将监测状况传送到中心服务器，中心服务器对数据进行处理，根据处理后的数据判 定电缆外护套的状态。这对实现电力电缆的及时检修，减少线路中存在的安全隐患有重要的 现实意义。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并 且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或 者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书 和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为长链树状拓扑结构的无线Mesh网络；

图2为通信节点分簇示意图；

图3为传感器节点结构框图；

图4为数据采集原理图；

图5为图像信息发送接收示意图；

图6为供电系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

基于DigiMesh网络的电缆外护套状态监测系统，根据电缆线路的分布特点，提 出一种长链树型的传感器节点分布模型。传感器节点由数据采集器、电源模块和无线 通信器组成，均部署在长链状电缆线路的各位段点上。在每条电缆线路邻近中心服务 器的一端设置一个汇聚节点，用于收集该条线路上所有监测脉冲信息，并与线路终端 的监控站点中心服务器相连。多条长链以汇聚节点为根形呈长链树型拓扑结构，其中 每条长链表示一条输电线路，其结构如图1所示。

该系统具有以下特点：

(1)长链树状拓扑结构的WMNs中，链路上的数据信息以多跳的方式传输到汇聚 节点；

(2)每个位段点上的数据采集器和通信节点都有唯一的ID号，以便于对传回的 信息进行标记和定位，节点部署后均不再发生位置移动；

(3)数据采集器定时采样，数据传输过程中需要对Msp430F169单片机的数据发 送速率和XTend模块的发射速率进行设置，使前者不大于后者，以防止出现数据溢出 和丢失；

(4)传感器节点采用太阳能与蓄电池相结合的供电方式。为降低功耗，线路上 的传感器节点在没有监测数据发送时处于休眠状态，在传输数据前定时唤醒并完成数 据的发送和接收。

针对长链树状WMNs，本发明采用多数据源多信道并行传输方案，可以减少数据 的路由跳数，降低处理时延和信道干扰，提高网络的利用率。基于802.15.4标准的 DigiMesh网络在915MHz频段提供了10个40bit/s独立信道。根据传感器节点地理 位置的分布特点对节点进行分簇，簇内不选定簇头，以防单跳距离过远或同一节点承 担转发任务过多导致节点提前失效。以双信道通信为例对节点进行分簇，分簇效果如 图2所示，图中单号方格为一簇，双号方格为另一簇，采用同一信道通信。

针对电力线路状态监测对设备稳定性及功耗的要求，提出一种传感器节点设计方 案，节点功能由数据采集器、电源模块和无线通信器三部分构成。其结构框图如图3 所示。

无线通信器由主处理单元和xtend无线通信单元组成。其中，主处理单元采用 16位RISC混合信号处理器Msp430F169单片机，功耗低，能够处理图像级数据的接 收、处理、存储和发送。无线通信器由基于DigiMesh协议的9Xtend无线射频模块， 即XTend模块构成，该模块发射功率为500mW的稳定工作状态下，可使用户在20公 里可视距离接收900MHz信号，同时支持节点的同步休眠和唤醒，能够降低监测系统 通信过程中的能耗，满足设备野外长时间工作的要求。

电力电缆外护套状态监测系统工作过程中，数据采集器将采集到的外护套状态信 息数据通过RS232/485总线和UART接口单元发送给主处理单元，经过主处理单元的 处理和分析，把相关信息经XTend模块传送至同一信道中距离中心服务器点较近的节 点。

电缆在正常工作时，电缆金属套中会产生工频感应电流或者环形感应电流，此时 数据采集器会测出外护套中的工频感应电压、工频感应电流或者环形感应电流，一旦 电缆出现短路故障、雷电过电压或内部过电压时，就会导致金属套中出现很高的工频 过电压或冲击过电压。该数据采集器在安装完成后通过电缆向同一簇的相邻的传感器 节点发送脉冲信号，临近传感器节点接收到脉冲信号后产生应答响应，发送方在接收 到应答信号后根据应答信号对电路的信息进行记录，并将问答信息和应答信息通过无 线通信器发送至传感器节点。由中心服务器对信息进行分析和处理，根据处理后的数 据对电缆外护套的状态进行评估。

图像信息在XTend模块间的无线发送接收过程如图5所示，其中XTend模块A 与XTend模块B均工作在900MHz的频段上。编码码流接收过程中，进入XTend模块 A数据接收缓冲器的第一个字节作为数据序列的起始，直到XTend模块A的数据接收 缓冲器不能再接收数据，缓冲器中的数据将打包并通过无线发送给XTend模块B。

传感器节点供电选择蓄电池组供电、太阳能电池浮充方式。系统的供电示意图如 图6所示。蓄电池通常采用免维护铅酸蓄电池。XTend模块与摄像头的的功率均为 500mW，主控芯片最大功率为30mW。上行数据采集器至监控站点方向的大部分业务为 周期性采集的监测数据，数据采集间隔30min。以十级链路为例，在需要传输状态监 测数据的周期内，无线通信器可以被及时、快速唤醒并完成数据传输任务，该工作周 期约为5min。在没有状态监测数据传输的周期内，通信设备能够自动进入休眠状态。 给设备供电的太阳能蓄电池容量为100Ah，电压为5V，在不考虑给太阳能蓄电池充电 以及电池损耗导致电压下降等因素的情况下，监测设备的工作时间约为120天。

采用太阳能电池作为充电电源，不受人为因素和外界干扰，长期运行成本低且易 于维护，能够长期自动维持检测设备的供电。出于安全考虑，杆塔上不能悬挂较长的 导线，因此太阳能供电系统要和监测设备一起安装在杆塔上，所以供电系统的体积和 重量要满足杆塔设计的承重和抗风要求。同时机壳采用防磁金属材料，并通过杆塔与 大地连接，该措施可以起到屏蔽电磁干扰、防尘、防水和抗雷击的作用，保障监测系 统稳定可靠。

本发明提供的电缆外护套状态监测系统设计是基于DigiMesh网络平台的，将电 力电缆外护套状态信息采集和DigiMesh通信技术相结合，以多跳的方式实现数据回 传。该设计通过数据采集器将电缆状态数据进行实时测量，通过无线物联网进行数据 传输，具有高效，高可靠性和超低功耗的特点，同时具备较强的抵御灾害应急通信的 能力，能够及时的将监测状况传送到附近的监控站点，监控站点对数据进行处理，根 据处理后的数据判定电缆外护套的状态。最终解决实时监测电力电缆外护套状态和状 态数据传输的难题，同时能够实现电力电缆的及时检修，对减少线路中存在的安全隐 患有着重要的现实意义。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖 在本发明的权利要求范围当中。