基于物聯網的輸電線路狀態監測技術在智能電網中的應用研究

摘 要：為了滿足智能電網建設中對輸電線路狀態實時監測的需求，采用基于物聯網技術、PON技術及模糊專家診斷技術的輸電線路狀態監測系統。通過大量的實驗和現場試點，獲得了較為理想的結果，能夠實時獲得輸電線路的狀態，并做出精確的判斷。驗證了系統的精確性、可實施性，具有狀態信息采集全面、網絡穩定、輸出精度高、部署簡單等特點。

關鍵詞：PON技術； 物聯網； 模糊層次法； 智能電網； 輸電線路狀態監測

0 引 言

2009年，國家電網公司提出了“堅強智能電網”的概念。堅強智能電網是以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強網架為基礎，以通信信息平臺為支撐，具有信息化、自動化、互動化特征，包含電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環節，覆蓋所有電壓等級，實現“電力流、信息流、業務流”高度一體化融合的現代電網。其中輸電環節在電網建設中顯得尤為重要。保證輸電線路的正常、穩定的工作是電網正常運行的必要條件。傳統的線路檢修方式主要是事后檢修、定期檢修，這種方式早已不能滿足智能電網建設的需求，迫切地需要一套系統：能夠實時地了解線路狀況，并能做出正確的處理，即輸電線路在線監測系統。該系統涉及到的主要有三個部分，即：前端的信息采集；監測信息的傳輸；信息的處理及故障診斷。提取線路中重要的特征向量，通過通信網絡層傳輸至控制臺，控制中心通過智能模型判斷出線路的當前狀態，輸出對應的處理方式，再傳達到相關部門實施[1]。

1 關鍵技術簡介

1.1 物聯網技術

物聯網的定義是通過射頻識別（RFID）、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把所有物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。作為新一代信息通信技術，物聯網技術的發展引起了廣泛關注，物聯網及其產業發展已被納入國家戰略，國家科技部、工業與信息化部等部委先后在多項國家重大科技專項中設立課題支持物聯網技術研究及產業化[2]。

1.2 PON技術

PON（Passive Optical Network，無源光纖網絡）是指光配線網中不含有任何電子器件及電子電源，ODN全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成。目前PON技術的主流是EPON和GPON技術。EPON組網的優勢體現在以下幾方面：

（1） 傳輸頻帶寬，通信容量大，多業務接入能力強。

（2） 組網靈活，拓撲結構可支持樹型、星型、總線型、冗余型、混合型等網絡拓撲結構，非常適合配電網的樹形或總線型網絡結構。

（3） 光分支器為無源器件，設備的使用壽命長，維護簡單，網絡中的任何1臺ONU故障都不會影響其他設備的正常工作。

（4） 安裝方便。OLT一般為機架型，可以上機架安裝；ONU可以設計成工業級模塊，便于安裝到室外的設備箱里。

（5） OLT和ONU提供以太網接入交換功能，并且可以支持SNMP協議進行網絡管理。

（6） 傳輸過程損耗小，無需中繼設備，傳輸距離遠，最大可達20 km左右。

（7） 安全性強，不易被竊聽和干擾，適合變電站或配電變壓器附近電磁環境復雜的場合。

1.3 模糊診斷專家系統

在輸電線路系統診斷中存在許多邊界不分明的事情，不能再用經典集合論中的二值邏輯關系來描述，必須用模糊集合論中的“隸屬度”來描述。根據征兆對故障的肯定和否定程度，可以建立模糊篩選矩陣，建立故障診斷的數學模型；利用模糊篩選矩陣可以反映故障存在的充分條件，可以考慮不同征兆之間的相互影響，能夠對故障隸屬度進行精確計算。但涉及的故障和征兆數目太多時，就可能難以分辨征兆之間的相互作用，且模糊篩選矩陣一般是根據機組故障的典型情況建立的，一旦確定后不能根據故障的具體情況靈活地進行調整。由于故障和征兆表現的多樣性，必須根據機組的不同狀態和故障可能表現的形式對模糊篩選矩陣進行修正。

2 研究現狀

輸電線路在線監測技術是指直接安裝在線路設備上可實時記錄表征設備運行狀態特征量的測量系統及技術，是實現狀態監測、狀態檢修的重要手段，狀態檢修的實現與否很大程度取決于在線監測技術的成功與否。國外較早開展了輸電線路在線監測技術的研究，并將自己國家成熟或試運行的各類在線監測設備推向中國市場，而國內有能力從事這項技術研發的高等院校及科研院所由于缺乏市場能力和足夠的資金，無法將研制的成果批量產業化，導致我國目前成為全球輸電線路在線監測與診斷系統需求最大的市場[3]。最近幾年，隨著高新技術企業的發展，國內出現了一些專業的在線監測技術生產廠家，他們在積極學習國外先進技術的同時，立足我國電力國情，開發了一系列輸電線路在線監測技術，有效提高了現有輸電線路的運行安全水平[4]。

3 本系統的構成及應用

結合物聯網技術的輸電線路狀態監測的系統如圖1所示。在輸電電路部分，包括桿塔及輸電線上裝備智能傳感器，這些智能傳感器分別采集線路上的設備信息及周圍環境的微氣象信息，這些信息包括：線路覆冰、絕緣子污穢、線路舞動、溫度、濕度等信息，并將這些信息通過短距離無線通信的方式（ZigBee/WIFI等）匯聚到狀態監測代理，然后通過光纖將信息匯聚到變電站中的OLT，然后通過電力專用網絡傳遞給遠端控制中心，通過專家診斷系統，對線路的當前狀態做出正確的判斷，并將結果輸出到相應部門，以便及時應對，避免事故的發生[5]。

3.1 感知層

采用無線傳感器網絡技術，無線傳感器網絡通常由大量具有感知、計算及無線通信能力的微小節點組成，其目的是監視環境而非通信。傳感器節點部署在要監視的區域中，采集指定的環境參數，并將數據發送到匯聚節點供分析。無線傳感器網絡的優勢：通過在物理環境中部署大量廉價的智能傳感器節點，可以獲得長時間、近距離、高分辨率的環境數據，這是傳統監視設備無法得到的；傳感器節點的計算和存儲能力允許節點執行數據過濾、數據壓縮等操作，也可以執行一些應用特定的處理任務；節點之間的通信能力允許節點之間協同完成更復雜的任務，如目標跟蹤；通過任務的重新分配可以改變傳感器網絡的用途。

無線傳感器網絡要解決的問題：網絡的自組織、自配置（節點定位、時間同步、自動校準、拓撲控制等）；通信協議（MAC、路由協議）；分布式數據管理（數據采集、存儲、查詢、獲取等）；各種應用特定的數據融合處理；節省能耗應貫穿到所有的設計中。設計系統時主要考慮如下問題：干擾、供電、傳輸距離等問題[6]。

系統中將無線智能傳感器布置于輸電線路和桿塔上，用于檢測線路和周圍的環境，并將采集到的信息匯總到狀態監測代理裝置。傳感器裝置和狀態監測代理裝置間通過ZigBee協議進行通信[7]，如圖2所示。

3.2 網絡層

網絡層的功能主要是將感知層采集到信息傳輸到應用層[8]。傳統的數據傳輸系統主要是基于無線公網即GPRS、3G網絡等，但是速率和帶寬都受到限制，很難滿足智能電網中大量數據的傳輸要求。目前，隨著OPGW（架空地線復合光纜）在輸電線路中的建設，使得通過光纖通信變成了現實。光通信中較為成熟和可行的方案是PON技術[9]。本系統中正是采用了EPON技術來傳輸實時監測所采集的數據。PON主要是由三部分組成，即：OLT、ODN和ONU。OLT設備在系統中布置于變電站中，ODN和ONU布置于線路的桿塔上。本系統中的ONU是由狀態監測代理裝置實現，同時它還完成了智能傳感器信息的收集、匯聚。狀態監測代理裝置和智能傳感器之間的通信是通過無線，可選用ZigBee或WIFI。同時考慮到現場環境及取電難的情況，要求狀態監測代理裝置必須能適應于野外工作，且功耗低，一般要求功耗低于5 W，供電方式采用太陽能板供電，同時還要有蓄電池儲能，以防遇到長時間陰雨天氣。數據通信架構如圖3所示。