我国目前处于特高压直流输电技术研究和建设的初级阶段，其中1 100 kV电压等级的直流输电技术的研究已经走在国际的前列^[1-2]。在这个方面，国外没有成熟的设计方案、试验数据等研究成果可供参考。因此必须对特高压直流中的各种特性进行研究。合成电场和离子流是直流输电线路特有的物理现象^[3], 并且会导致不良的生物效应和环境问题，关系着输电线路附近居民的身心健康^[4-6]。若要深入地开展合成电场和离子流的物理特性及预控方法研究，首先需要解决的就是高效测量的问题。本文的出发点正是要研究离子流密度测量中的数据传输和处理方式，解决目前我国直流输电线路下离子流测量中测量装置精度不高、使用不便的问题。

1 离子流密度测量装置和测量原理

目前测量直流线路下的离子流密度测量装置主要由2部分组成：微弱电流测量装置和用于收集离子的威尔逊板。根据IEEE和国内现有的离子流密度测量方法相关标准^[7-9]，威尔逊板是一块平板式的双面金属板，其上下表面相互绝缘，上表面用于收集空间离子电流，下表面则接地。空间离子流从导线出发，在电场力的作用下流入收集板上表面，经过微弱电流测量仪后再通过下表面流入大地。直流输电线路、空间离子流、威尔逊板上表面、微弱电流测量仪和大地形成了串联检测回路，如图 1所示。

离子流密度计算由式(1) 给出：

$J = \frac{I}{A}$

(1)

式中：I为测量得到的电流，A为离子收集板的面积。

文中使用电流法进行离子流密度的测量，测量原理如图 2所示。其主要部分为一个理想运算放大器，输入阻抗和放大倍数均可以看作无穷大。理论上即使输入电流信号I_S非常微弱，只要电阻R_F足够大，也可使得输出电压V_O足够大以至于可以被测量到。在实际中，并不存在理想的运算放大器，则必须考虑输入阻抗的影响。在该影响下，被测微弱电流I_S经过运放时会产生一个偏置电流I_B，结合电阻R_F可以得到式(2)。

${V_O} = - \left( {{I_S} - {I_B}} \right){R_F}$

(2)

2 无线传感器网络搭建

文中的无线数据采集硬件实现方案如图 3所示。离子流测量仪测量威尔逊板收集到的离子流大小并通过内部的数据采集终端将测量值发送给子节点的Xbee Pro模块进行无线发送。上位机的主节点会进行数据接收并通过上位机软件使用Xbee Pro主节点进行子节点数据的接收。

2.1 Xbee Pro数据控制

图 4为Xbee Pro模块中UART接口的结构图。Xbee Pro模块接收到的数据首先被存储在DI缓冲器中，等待先一步进入串口的数据被发送器发送；接收器接收到的数据首先存储在DO缓冲器中，再通过串口传输到主机中。为了防止器数据溢出造成数据丢失，UART接口中还含有一个RF开关用于硬件流程控制^[10]。

离子流测量仪包括一个静电计进行微电流信号测量，另外还包含一个数据采集终端将测量到的电流信号传输到Xbee Pro模块。图 5为Xbee Pro与数据采集终端连接示意图。

从图 5可以看到，Xbee Pro的DOUT、DIN直接与数据采集终端的RX、TX进行连接，用于数据的发送和接收。但是因为该连接方式中没有RF开关即硬件开关进行数据流程控制，所以为了防止缓冲区溢出，需要在实际使用时进行数据传输速率的控制，使得该速率小于Xbee Pro模块的传输速率，这样才能不造成数据丢失^[11]。为此需要确定一个将数据从子节点发送的主节点的最小数据传输周期。

如图 6所示，测量数据从测量仪到上位机需要经过3个时间。假设UART波特率设为9 600 bit/s，射频传输速度为250 Kbit/s，一般情况一次性发送字节数不超过30 bytes；包括开始位和停止位在内，通过UART串行传输1 byte总的数据长度为10位。考虑到ZigBee协议中规定的丢包数据3次重发机制并忽略射频信号在空中传输的信号延迟，单个节点时进行一次数据传输的最小周期如式(3) 所示。

$\begin{array}{l} {T_{{\rm{min}}}} = {T_1} + {T_2} + {T_3} = \frac{{30 \times 10}}{{9{\rm{ }}600}} + 3 \times \frac{{30 \times 10}}{{250{\rm{ }}000}} + \\ \quad \quad \frac{{30 \times 10}}{{9{\rm{ }}600}} = 66{\rm{ ms}} \end{array}$

(3)

文中子节点数目不唯一，且使用轮询方式进行数据传输，因此实际使用时数据的测量周期不得小于单节点最小数据与节点个数的乘积，否则会造成数据的丢失。

2.2 网络拓扑选择

Zigbee技术支持3种网络拓扑：星型结构、簇树结构和网状结构，如图 7所示。

星型结构包含一个协调器和多个终端，协调器连接并直接控制每个终端，终端设备之间不能相互通讯。簇树结构和网状结构相对星型结构增加了路由器设备，进而拓展了整个网络范围。在实际使用时，需要对每种Xbee Pro模块进行定义，确定其是协调器、路由器或者终端设备^[12-15]。

考虑到实际使用环境的复杂性以及输电线路下测量范围的要求，采用了一种基于Mesh网络的DigiMesh网络，图 8为DigiMesh网络拓扑。

DigiMesh网络中的所有节点功能对等，相对Mesh网络结构而言简化了功能。DigiMesh网络中除了主节点，所有子节点既可以作为路由器也可以作为终端。当传输距离较远时，距离主节点较近的子节点将自动承担路由功能，增加了数据传输的可靠性，适合于输电线路下的复杂环境。实际的使用中，只需将所有子节点的目标地址(DL和DH)设置为主节点的64-bit物理地址(SL和SH)即可实现数据的汇聚和融合。

3 上位机软件开发 3.1 软件需求分析

为了完成与传感器节点进行通讯并实现离子流密度数据的采集、显示和存储，开发了上位机测量软件，软件主要功能需求如图 9所示。

为了实现功能方面的需求，对本软件主要进行了3个模块的设计，分别为通讯管理模块、数据采集与显示模块和数据库模块，图 10为模块所实现的功能。

Xbee Pro模块有6个可用的AD通道进行数据传输，软件方面需要按照硬件实际使用进行通道选择；由2.1节的分析可知，必须进行合适采样周期设置才能保证数据完整传输不丢包。本系统中数据以透传模式进行数据传输，需要解析接收到的数据帧中的离子流密度测量信息进行处理；由本文第一部分中离子流测量原理可知，子节点发送数据为电压值，需要通过参数配置将解析到的数据恢复为离子流大小。

3.2 软件开发

根据以上的分析可知软件的操作流程如图 11所示。图 12为软件界面，左侧为操作区，操作界面简单易懂。右侧上部分使用柱状图为离子流数值显示，方便不同位置离子流强度对比；右侧下部分为离子流强度的具体数据，根据接收到的数据不断刷新。

4 实际测试

本系统已经进行了实际测试。图 13为高压线下测试装置近照。威尔逊板收集离子流，离子流测量仪进行大小测量并将测量数据通过子节点的Xbee Pro模块发送。Xbee Pro主节点通过USB与电脑相连，接收子节点数据并传输到上位机软件进行处理、显示和存储。测试中系统运行稳定，满足实际使用需求。

5 结论

本文根据对离子流密度测量的需要，做了以下几部分工作：

1) 在研究离子流密度测量装置和测量原理的基础上，确定无线传感器网络平台搭建的初步设计；

2) 选择了DigiMesh网络拓扑结构进行无线传感器网络平台搭建并确定传输数据所需最小周期；

3) 完成了上位机软件的编写，实现了数据采集、处理、显示和存储功能，满足了实际测试的需要。

本系统的搭建满足了实际对离子流密度测量的需要，目前已经在稳定使用中，有助于特高压直流输电线路下离子流密度的检测，进一步研究线下电磁环境的影响。