基于物聯網的架空輸電線路災害監測預警技術的研究

楊楠　胡智　郭太平

【摘 要】針對架空輸電線路經過的區域環境復雜，監控策略單一，通訊困難，耗費大量的人力物力等問題，運用物聯網低功耗、低成本、多傳感器等諸多優勢，結合目前的輸電線路監測系統中的溫度與濕度、覆冰、傾斜、氣象等傳感器和監測設備，憑借物聯網的優勢，從物聯網的整體架構、網絡組成以及預警策略等方面，提出了基于物聯網的架空輸電線路監測預警系統。

【關鍵詞】物聯網；輸電線路；無線通信；網絡架構

0 引言

架空輸電線路是電力系統輸送電能的關鍵設施，因為架空輸電線路一般長達幾十米甚至幾百千米，并且架設在相對復雜的環境中，主要有自然災害，如：大風，雨雪，冰凍等；其次是人為損壞，如：盜竊，樹木生長等不可控因素的影響，據統計，在電網停電事故中，線路事故占主要原因，輸電的安全性往往會受到一定的威脅。因此，對架空輸電線路的安全運行進行實時在線監測是十分必要的。因為輸電線路經過的區域環境相對復雜，所以給輸電線路的通訊造成一定的阻礙。現階段，GPRS、CDMA、OPGW、3G等方式是應用于輸電線路在線監測的主要通信方式，但是這些通信技術在某些方面仍有一定的欠缺性，例如它無法覆蓋到輸電線路的全程，偶爾會出現信號不穩定的現象，所以，這就可能導致在線監測系統無法正常工作，不能保證架空輸電線路在線監測設備數據的可靠性傳輸。

1 物聯網系統的體系架構

物聯網是由各種智能設備，如射頻識別（RFID）、紅外傳感器、無線傳感器網絡（WSN）、全球定位系統（GPS）、激光掃描儀和具有互聯網意識、能識別物理世界的儀器構成。物聯網技術利用互聯網和電信網絡，讓人與物之間得到信息交換（如安全控制、安全監測、數據采集、交互等），從而實現對各種智能設備的管控實時性、管理精準性以及進行輔助分析決策等。智能電網的大部分數據的感知范圍可以大大提高，從而支持智能電網系統的信息流，業務流和功率流的集成。

物聯網的系統共可以分為三個層次：最底層為感知層、其次是網絡層和應用層。如圖1所示。

圖1 物聯網的體系架構

多傳感器、多維編碼和閱讀器組成了感知層。如：RFID標簽和閱讀器、攝像機、無線傳感器網絡、GPS終端、有線傳感器網絡，機器對機器（M2M）終端、傳感器網關等。感知層又分為兩層：感知管制層和通信擴展層。感知控制層處理物理世界的智能感知，包含數據辨別、信息獲取、解決和主動控制等功能。在通信擴展層的通信模塊的幫助下，各種智能設備可以連接到網絡層和應用層。

網絡層由各種電信網和核心網組成。電信網絡通常被認為是接入網，而信息傳輸、路由和控制通常在核心網絡中實現。網絡層的概念由于其成熟的技術已經被廣泛接受。此外，物聯網管理中心和信息中心屬于網絡層。這一事實意味著網絡操作和信息操作都可以在網絡層上實現。

應用層是將物聯網技術應用于各行各業中。這其中包含物聯網的各種基礎設備，如安裝于輸電線路上的眾多傳感器設備以及網絡傳輸設備。并且應用層也實現了各行業與物聯網技術的充分聯合，它的關鍵功能在于信息的安全與共享。

2 基于物聯網技術的架空輸電線路監測預警的網絡架構

首先是傳感網絡層，傳感網絡層由眾多的傳感器組成，而這些眾多的傳感器可以被認為是物理世界的“感覺器官”，并提供原始信息的處理、傳遞、分析與反饋。傳感器主要布置在輸電線路的桿塔上，用來監測輸電桿塔的傾斜，導線的舞動，風偏，導線覆冰，導體溫度以及微氣象等方面的信息。由于輸電線路需要監測的信息量相對較大，并且周圍環境復雜，不利于大量信息的直接傳輸，所以，這就需要在一定的區域內組成多個小型的傳感器組網，再通過匯聚節點來集合這些組網的數據，進行總體傳輸。所以底層的傳感網絡也具有不同環境下的感知，收集和抗干擾的功能。

其次是移動網絡層，移動網絡層的主要功能在于對底層傳感網絡所收集的大量信息進行匯聚、融合與傳輸，根據需要傳輸的范圍，可分為短距離傳輸和廣域通信傳輸。在匯聚處理信息的同時，為保證信息收集的效率，運用數據融合技術，更有效的將有用的信息結合起來。所以，移動網絡通信層在一定程度上，加強了網絡傳輸的范圍以及提升了信息傳輸的時效性。

最后是IP網絡通信層，基于IP互聯網絡，通過衛星通訊，可以實現遠距離的信息傳輸。這就可以實現將底層傳感網的大量監測信息傳輸到監控中心的數據庫中，同是也實現了信息的不同機器間識別傳輸和信息交換。從而也使工作人員能夠實時掌握遠在幾十或幾百公里之外的輸電線路的監測信息。如圖2所示

3 基于物聯網技術的架空線路監測預警系統

目前，一些輸電線路的監測系統已投入使用。這些系統通常使用如3G或無線公共網絡經過每個傳感器將數據進行傳輸，但也存在一些問題，如運行維護費用高，網絡覆蓋率低，數據傳輸率低，復雜網絡維護，這都將制約輸電線路監控系統的發展，阻礙輸電效率的提高，并且對輸電線路巡視的進展造成影響。利用物聯網技術，將多傳感器部署在架空輸電線路上，對導體無線傳感器馳振，微氣象，風振，導體結冰和導體溫度進行監控，從而完成對電力線的實時在線監測。

主站系統可以通過無線網絡與電力光纖網絡或無線寬帶網絡傳輸數據。基于物聯網的電力線在線監測系統可以通過多跳中繼通信網絡和協議進一步傳輸信息，保證大跨度、遠距離輸電設施的有效信息傳輸。根據不同的電力線應用場景，系統的網絡拓撲（下轉第123頁）（上接第167頁）可以是集群鏈類型，其中多個集群網絡形成一個鏈式網絡覆蓋輸電線路骨干節點部署在輸電塔收集數據，可采用無線傳輸和光纖通信結合的方式，無線傳輸可釆用WiFi、ZigBee、McWiLL、WiMAX等以擺脫對公網的依賴，光纖通信中可采用先進的ASON、ESON等光纖接入技術提高系統性能以利于信息的快速、安全傳輸。輸電線路監控系統通過信息管理系統實現實時監控、信息顯示、統計分析。可以直觀地顯示電力傳輸設施的狀態。操作人員可以根據信息管理系統的分析結果進行決策和發布命令，以便盡早發現或排除隱患，確保可靠輸變電設施運行。如圖3所示。

基于物聯網先進的監測技術、通訊技術、信息技術和控制技術，豐富當前輸電線路監測預警手段，擴展監測預警技術涵蓋領域，是架空輸電線路體系“監測-預警-預控”的關鍵節點技術，將在構建具有“信息多源化、診斷智能化、運維高效化”的輸電線路通道，實現架空輸電線路災害的狀態監測、安全評估、災害預警、風險控制和信息管理的智能化目標方面發揮重要作用。

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[責任編輯：朱麗娜]