第二章 按照光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器一般可分为3类： (1)功能型光纤传感器。利用光纤本身的特征把光纤直接作为敏感元件，既 智 感知信息，又传输信息。有时又称其为传感型光纤传感器，或叫做全光纤传感器。 能 (2)非功能型光纤传感器。利用其他敏感元件感知待测量的变化，光纤仅作 为光的传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号。有时也称其为传光型 网 传感器，或叫做混合型传感器。 (3)拾光型光纤传感器。利用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被 其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传 感器等。 目前，已研制出测量位移、速度、加速度、压力、液面、流量、温度、振动 等各种物理量的多种光纤传感器。光纤传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离 低损耗传输，成为输变电设备监测应用的理想选择。 美国、德国、加拿大、英国等都在致力于新型光纤传感器及解调系统的研究， 我国对光纤传感器的研究相对较晚，但发展较快，随着波长解调等技术的进一步 发展和完善，光纤传感器在智能电网中必将得到更广泛的应用。 (二)智能传感器 智能传感器技术是涉及传感、微机械、微电子、网络、通信、信号处理、电 路与系统，以及小波变换、神经网络、遗传算法、模糊理论等多种学科的综合技 术，目前正在蓬勃发展。 智能传感器的功能如数字信号输出、信息存储与记忆、逻辑判断、决策、自 检、自校、自补偿等都是以微处理器为基础的，目前已从简单的数字化与信息处 理发展到具有网络通信功能，集成了神经网络及多传感器信息融合等新技术的现 代智能传感器。 智能传感器具有以下特点：①通过软件技术可实现高精度的信息采集：②具 有一定的自动编程能力：③功能多样化等。智能传感器性价比高，易于安装与 维护：集成度高、体积小，并且能有效地防止破坏；电磁兼容性良好，易于实现 故障检查：同时具有实现智能数据交换与远程控制的软硬件，因此在设备状态监 测等方面具有广泛的应用前景。 (三)传感器技术展望 传感器技术已经从过去的单一化向集成化、微型化和网络化方向发展，并随 着物联网概念的提出而越来越受到关注
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是多学科高度交叉的前 智能电 沿研究领域，综合了传感器、嵌入式计算、计算机及无线通信、分布式信息处理 等技术。无线传感器网络利用大量的微型传感计算节点，通过自组织网络以协作 方式实时监测、感知和采集各类环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息 菜 进行处理，以一种“无处不在的计算”的新型计算模式，成为连接物理世界、数 字虚拟世界和人类现实社会的桥梁。 传感器网络的基本要素是传感器、感知对象和观察者。传感器之间、传感器 与观察者之间通过有线或无线网络进行通信，节点间以Ad Hoc方式（Ad Hoc是 一种特殊的无线移动网络。网络中所有节点的地位平等，无需设置任何的中心控 制节点。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能 力)进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色。传感器由电源、感知部件、 嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件构成。观察者是传感器网络的用户，是 感知信息的接受和应用者。一个观察者也可以是多个传感器网络的用户。观察者 既可以主动地查询或者收集传感器网络的感知信息，也可以被动地接受传感器网 络发布的信息。观察者将对感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策或对感知 对象采取相应的行动。感知对象是观察者感兴趣的监测目标，也是传感器网络的 感知对象。感知对象一般通过表示物理现象、化学现象或者其他现象的数字量来 表征。 通常情况下，无线传感器网络系统结构如图2-2所示。具有射频功能的传感 最务 传感器节点 图2-2无线传感器网络系统结构
第二章 器节点分布于无线传感器网络的各个部分，负责对数据的感知和采集，并且通过 无线传感器网络通信技术将数据发送至汇聚节点。汇聚节点与监控或管理中心通 过公共网络等进行通信，从而使用户对收集到的数据进行处理分析，以便做出正 确判断或决策。 ⑧ 网 射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)是从20世纪90年代开始 础 走向成熟的一种非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获 取相关数据。识别工作无需人工干预，可适应各种恶劣工作环境（如高温、变频 术 磁场等)。RFD技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 其主要核心部件是一个电子标签，直径不到2mm,通过相距几厘米到几十米距离 内传感器发射的无线电波，可以读取电子标签内储存的信息，识别电子标签代表 的物品、人和器具的身份。 RFID一般包括低频系统、频率为13.56MHz的高频系统、频段在900MHz 左右的超高频系统，以及工作在2.4GHz或者5.8GHz微波频段的系统。不同频率 的标签有不同的特点，应用于不同的领域。例如，低频标签比超高频标签便宜、 节省能量、对废金属物体穿透力强、工作频率不受无线电频率管制约束，最适合 用于含水成分较高的物体，例如水果等；超高频标签作用范围广、传送数据速度 快，但是比较耗能、穿透力较弱，作业区域不能有太多干扰，适用于监测港口、 仓储等物流领域的物品：而高频标签属中短距识别，读写速度居中，产品价格相 对便宜，例如应用在电子票证一卡通上。RFD收发器包含有源和无源两种类型： 无源RFD收发器主要用于物流和目标跟踪，其自身没有电源，是从读/写器的射 频电场获得能量：有源收发器由电池供电，因此具有数十米长的有效距离，但是 体积更大、价格更贵 RFD应用前景十分广泛，在很多领域得到了推广应用，取得了良好的效果 二、同步相量测量 同步相量测量技术是目前电力系统的前沿课题之一。同步相量测量是基于高 精度卫星同步时钟信号，同步测量电网电压、电流等相量，并通过高速通信网络 把测量的相量传送到主站，为大电网的实时监测、分析和控制提供基础信息。 目前，同步相量测量依靠卫星导航系统提供高精度同步时钟信号，目前主要 使用全球定位系统(Global Positioning System,GPS)。GPS是美国1970年起研制 的空间卫星导航定位系统，包括3部分：空间部分一卫星星座，地面控制部
分—地面监控系统，用户设备部分一一卫星信号接收机。GPS由距离地球表面 约20200km轨道上的24颗卫星组成，地球表面任何一点至少可以看到4颗卫星 用户通过卫星发送导航电文读取卫星位置坐标、时间信号、秒脉冲等信息。其他 的卫星导航系统包括中国北斗、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO等。 GPS的高精度秒脉冲为同步相量测量提供同步时标，使分布于电力系统各 个厂站的电压、电流信号的同步精度达到微秒级。 电力系统的交流电压、电流信号可以使用相量来表示，设正弦信号为 x(0=V2Xcos(2πi+p) (2-1) 采用相量表示为 X=Xel=X coso+jx sino=X&+jX (2-2) 交流信号通过傅里叶变换，将输入的采样值转换为频域信号，得到相量值。 式(2-1)用相量的形式表示为 (2-3) 模拟信号)=√2Ucos(41+)的相量形式为U但。如图2-3所示，当 u(t)的最大值出现在卫星同步秒脉冲信号(PPS)时，相量的角度为0°；当 u(t)正向过零点与秒脉冲同步时，相量的角度为-90° GPS 图2-3同步相量测量示意图 广域测量系统(Wide Area Measurement Systems,.WAMS)是在同步相量测 量技术基础上发展起来的，对地域广阔的电力系统进行动态监测和分析的系统。 下面将从广域测量系统的关键技术、系统结构、标准、应用等方面来进行阐述。 22
第 二章 (一)广域测量系统关键技术 1.同步测量技术 智 基于GPS的同步测量原理为：由相量测量装置(Phasor Measurement Unit, PMU)高精度晶振构成的振荡器经过分频产生满足采样要求的时钟信号，它每隔 1s与GPS的秒脉冲PPS信号同步一次，保证振荡器输出的脉冲信号的前沿与GPS 家 时钟同步，去除累计误差。同时通知采样CPU,在新的1PPS作用下，采样点数 重新清零。各AVD转换器都以计数器输出的经过同步的时钟信号作为开始转换的 信号，控制各自的数据采集，因此采样是同步的。同时，GS接收机经标准串口 将国际标准时间信息传送给数据采集装置，用于给采样数据加上“时间标签”。 同步测量需要有高精度的卫星时间同步技术，GS技术是当前比较成熟并在 国际上广泛使用的卫星时间同步技术。GPS时间同步技术具有精度高、可靠性好、 成本较低的优点。但GPS受美国军方控制，其P码仅对美国军方和授权用户开 放，民用C/A码的时间同步精度比P码低两个数量级。 2003年，我国自主研发的北斗卫星导航系统正式开通，采用北斗卫星导航系 统的授时定时型用户机，可以得到优于100s的时间基准，北斗卫星导航系统的 应用已逐步进入了实用性阶段。由于俄罗斯的GLONASS系统正常运转的卫星数 量有限，稳定性和可靠性无法保障，而欧洲实施的“伽利略”计划进度较为缓慢， 尚无正式开始组网的时间表，预计随着我国北斗卫星导航系统的发展，广域测量 系统将逐步过渡到使用北斗卫星导航系统的同步时间信号。 2.实时通信技术 实时通信技术是广域测量系统的关键部分之一。广域测量系统的测量、决策 及响应时间在很大程度上依赖于通信系统的鲁棒性、带宽、低误码率、多点通信、 冗余性等指标。通信系统需具备最大的可靠性，要求能够检测出通信故障，并具 备容错能力。通信系统的技术要求主要包括： (1)支持保护和控制的高速、实时通信 (2)支持电力系统应用的宽带网。 (3)能够处理应用发展所需的最高速率。 (4)能够访问所有的地点，以支持监控和保护功能 (5)在部分网络出现故障的情况下仍能连续工作。 基于WAMS能够实时监测电力系统的稳定运行，预测可能出现的电力系统 失稳或崩溃，并通过适当的控制策略来防止系统稳定的破坏。为了可靠获得电力 23