引言

电缆线路是电力传输最常见的通路，雷击、山洪暴发、工程建设施工和人为因素等易造成电力线缆中断损坏。此外，边远地区的农用电缆、路灯电缆和高速公路电缆的被盗情况时有发生，给国家造成巨大经济损失[1]。传统电力线缆故障都是人工巡检和维修完成的，无法及时报警。随着经济的发展，电力线缆的分布面积不断扩大，人工巡检工作量大大增加且工作被动，管理困难。国外低压电力载波通信无论是应用技术还是理论研究，比较成熟且应用广泛[2]；而国内，低压电力线传送着220 V/50 Hz的电能，谐波干扰大，通信信道干扰强且多变，对电力线缆的检测，存在误报率高、故障点定位不准确、检测功能受电缆带电情况影响大和系统性价比低等缺点[34]，无法真正满足电力线缆检测需求。为了能更稳定地随时在线检测，更准确地实现故障点定位，更好地提高信号传输的抗干扰能力，减少误报率，本设计采用FSK和DSSS的调制信号的电力载波通信技术，设计故障检测算法，利用ZigBee和GPRS无线通信技术，设计了一套检测、管理和报警于一体的线缆故障无线报警系统。

1 系统工作原理

本系统组成如图1所示，主要包括电力载波通信模块、ZigBee无线局域网、嵌入式无线网关和远程监控中心等4部分。在电力线缆上按照一定间距设置电力载波通信模块，将ZigBee模块与电力载波通信模块连接，在一定的区域内组建无线局域网。ZigBee模块通过串口发送检测数据，电力载波通信模块接收到数据后，经特定的放大电路和选频鉴频网络，放大整形、编码后，形成高频载波信号，通过耦合电路加载到电力线缆。接收端接收到载波信号，经过选频解码电路、整形滤波之后，通过串口将该检测数据发送到相应的ZigBee模块。ZigBee模块对数据进行分析对比，确定通信状态后，将线缆状况通过无线局域网发送到网络协调器，完成对线缆的在线检测。如果电缆被损坏，信号中断传输，则电力载波通信模块将故障报文通过ZigBee无线网络发送到网络协调器。嵌入式无线网关对网络协调器的数据进行融合、处理，然后通过接入的GPRS模块，将数据发送到远程服务器。服务器对传回的数据进行交互处理、存储，并以表格及图形界面相结合的方式显示线缆状况，为电力线缆的运行和维护提供决策依据。

图1 电力载波检测无线保护系统工作原理图

2 电力载波通信模块

电力载波通信模块是电力线缆故障检测的关键部件，由于我国低压电力网络通信环境比较恶劣，通信信道谐波干扰强且多变，经过载波模块的技术参数和实验对比，采用深圳某公司的BWP09电力载波通信模块,模块原理框图如图2所示。该模块性能稳定、体积小巧、集成度高，其采用频移键控（FSK）和直序扩频（DSSS）的调制及编码技术，抑制噪声和抗干扰能力强[56]，可实现信号在电力线上的可靠传输。FSK呼叫方式使信号具有较强的抗干扰能力，在电力载波中得到广泛应用；DSSS扩频通信是一种能够工作于负信噪比条件下的通信方式，抗噪声性能极强(门限信噪比很低)。两种通信方式相结合，可提高信号在电力线传输下的抗干扰和抗衰落能力，实现数据的稳定传输，满足项目开发需求。

图2 电力载波通信模块外形图

图2中，A、G为信号端，通过耦合电路接到220 V低压电力线上。16 V为外接直流电源，电压与发送功率和信号传输距离成正比。+5 V为模块内部的工作电源。TX是数据发送端, RX是数据接收端，欲发向远端的信号或数据应从此端接入。模块的载波中心频率为114 kHz，载波传输速率在300 bps左右调整；带宽为4～10 KHz；电缆带电且谐波干扰强时，载波模块最长通信距离为300 m；当线缆不带电时，通信距离最远可达500 m。

线缆上有220 V交流电时，电力载波通信模块能实现可靠监控检测。当线缆出故障断电时，则由蓄电池供电，模块仍能继续实现检测，不会因为线缆断电而影响检测。此外，由于线缆断电，其谐波和线路噪声对通信信号的影响下降，使信号更能稳定传输。因此，不管电缆是否带电，本设计方案都不会影响防盗报警功能。

3 ZigBee模块

ZigBee是最近几年发展很快的一种低功耗、近距离、无线组网通信技术。ZigBee技术采用DSSS扩频技术，抗干扰能力强，同时具备功耗低、数据传输安全可靠、网络容量大、兼容性好和高性价比等优点。本设计采用的ZigBee无线收发模块是基于IEEE802.15.4协议栈的CC2530芯片。CC2530能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点，拥有较大的Flash，其存储容量多达256 KB，系统采用ZStack协议栈实现带有网络自动功能的星型ZigBee无线网络[78]。

每个电力载波模块都连接ZigBee无线通信模块，在一定区域内将整个检测系统连接成一个网络。ZigBee网络中的协调器为每一位节点分配唯一的ID地址，最多可容纳的节点数为65 000个节点，相邻电力载波通信模块间的最佳有效通信距离为200 m，整个系统可以检测13 000 km的电力线缆。在整个网络范围内，各节点与协调器之间可以相互通信。一方面，协调器可以智能管理各个检测节点，当检测节点不工作时，采用休眠和定时唤醒模式，可大大降低电源功耗；另一方面，在整个网络中，每一个监测节点均负责与其相邻节点进行通信，共同配合对连接在这两个节点之间的电缆进行通断检测。若线路有故障，信号传输中断，其相应的ZigBee节点会将其自身ID发送到协调器，可实现准确的故障定位。

4 嵌入式无线网关

嵌入式无线网关结构框图如图3所示。与检测节点相比，无线网关要求较强的数据处理能力和运行速度，因此本设计主控制器选择了以ARM 32位的CortexM3 CPU为内核的STM32F103VET6，拥有72 MHz工作频率，内置高速存储器（512K的ROM和64K的SRAM），存储器的0等待周期访问时可达1.25 DMIPS/MHz(Dhrystone 2.1)[8]，用来对 ZigBee通信模块进行相应配置，并接收检测节点的数据。通过AT指令初始化GPRS通信模块，利用 TCP/IP协议将网关节点连接到GPRS网络，通过网络运营商动态分配的IP地址，与监控中心终端或服务器建立有效连接。

图3 无线网关结构框图

其中的GPRS模块选用SIMCOM公司的SIM900A模块，它支持GPRS multislot class 10/class 8和GPRS编程格式CS1、CS2、CS3以及CS4[10]，采用了功能强大的ARM926EJS双频GSM/GPRS模块，工作频段为EGSM 900 MHz和DCS 1800 MHz，工作性能稳定，性价比高[10]。

5 软件设计

本设计中将ZigBee无线通信模块与电力载波通信模块连接，共同完成对电力线缆的检测。检测系统中的电力线缆的检测由电力载波模块负责，节点之间的信息传输通过ZigBee完成。ZigBee组网流程图如图4所示，控制中心在上电或复位后，ZigBee协处理器定时广播加入

网络的请求帧。ZigBee节点接收到广播信息后，发送组建网络帧并携带其自身地址和层次数，建立无线局域网[11]。在整个ZigBee网络中，采用两种不同的信息传输方式。协调器采用广播方式对网络中的节点进行广播命令，使节点按照协调器的需要把采集的信息进行数据的传送；路由和终端设备采用点播的方式将采集到的信息数据点播到协调器上，实现数据的定点定向流动，避免了广播方式造成网络中信息的冗余。

图4 组网流程图

为了减少通信信道数据的干扰，在同一时间同一电缆上不能存在多个检测信息，故终端节点在检测电缆时采用接力式轮询检测的方法，即检测的顺序是沿着电线一端顺序往另一方向传递，这样就有效避免了相同时间同一电缆上的检测信息相互干扰，可实现有效便捷的检测。

如图5所示，从信号发送端算起，第1个节点不间断地发送载波信号，载波信号沿电力线路传递到节点2进行握手，握手成功，信号再由节点2发送，与节点3握手，一直传递到远端线路检测节点N。若检测节点不工作，则进入待机低功耗状态。若各个节点接收到正确的信息，则线路无故障，本次检测结束，如此一直循环。

图5 系统检测原理图

当某条电力线路发生故障或异常情况时，位于该故障线路两端的检测模块会重复新一轮的检测判断，如果接收端等待超时，则接收端的电力载波检测节点上的ZigBee将相应的ID地址发送到ZigBee协调器，无线网关对数据进行处理，然后通过接入的GPRS模块

将相关数据发送到远程服务器。路政人员接到信息后，可以推断定位出线缆故障所在位置，便可迅速赶往出事地点，进行处理。

在通信过程中，数据传输总会受到电力线网络的载波干扰，因此，在每帧数据的发送和接收中必须采取一定的措施，减少误报率。本设计采取的算法方案是：每个数据发送5遍，接收时分别将其存入5个寄存器，然后比较5个寄存器中的数据，至少2个寄存器中数据相等即为正确信息，这样可确保信息传递的正确性和可靠性。

6 测试结果

经过多次重复测量，线缆在通电状态下，相邻检测节点的距离为250 m时，接收端通过上位机可收到有效数据。随着距离增长，通信距离大于330 m时，接收端接收到的数据开始出现乱码。当线缆在断电状态下，相邻两个节点之间的通信距离可达400 m。

对检测系统的性能进行测试，为了提高系统无线组网和载波通信数据传输的稳定性和有效性，设置合适的通信距离，测试模型如图6所示。

图6 检测系统测试模型

系统上电或复位后，系统开始检测。表1是实验所得结果，无论哪一条线缆出现故障，控制中心都能实时显示故障点位置，管理人员可及时处理。当检测设备发生故障时，检测终端也能显示相应信息。此外，检测节点供断电自动适应，不受被控电缆是否有电影响，可满足各类复杂路段的白天、夜晚使用。

表1 系统测试结果

结语

电力线通断在线检测，要求检测系统能够在带电和不带电时候进行在线检测,准确地实现故障点定位。其中如何减少通信信道数据的干扰是关键要素，主要是在3个方面采取措施:一是终端节点在检测电缆时采用接力式轮询检测的方法，即检测的顺序是沿着电线一端顺序往另一方向传递，这样就有效避免了相同时间同一电缆上的检测信息相互干扰；二是检测模块间距要根据干扰的情况选好，不能太稀疏；三是可以采用算法冗余，5次采集信号的方法。

采用FSK和DSSS的调制传输信号，可以保证传输信号的抗干扰和传输距离。一个ZigBee无线网络组网技术灵活控制，系统反应时间< 25 s，最多可容纳65 000个节点，因此该系统可以检测约13 000 km的电力线缆。无论电缆是否带电，系统都能够稳定工作，可准确实现故障点定位，具有性能稳定、可靠性高、传输距离长、安装简单等优点，为工业基础设施及生产生活提供了可靠保障和经济效益，具有良好市场前景和较高应用价值。