基于異構物聯網絡的輸電線路智慧巡檢方法

史思紅，何祥龍，王 富，王 強

(國網四川甘孜州電力有限責任公司，四川 康定 626000)

0 引 言

高海拔地區輸電走廊錯綜復雜，多處于高寒地區，地廣人稀、環境極其惡劣，線路運行維護難度大、成本高，故障處理實效性低。大部分區域的輸電線路運行維護作業方式還相對落后，信息化手段不足，不得不采用傳統人工巡視方式，按照計劃開展線路巡視和故障排查工作。然而，人工巡視故障排查難且耗時耗力，在無信號地區開展線路維護、檢修、搶修、改造工作難度極大，風險極高，電網公司在組織安全生產和人員安全保障中面臨巨大的生產壓力，傳統的運行維護模式投入成本與效益不成正比，難以保證輸電線路的運行維護工作質量，無法實現供電的安全可靠。

國內外許多學者對高海拔地區輸電線路智慧巡檢做了大量研究。智能運檢體系采用了各類設備狀態傳感器、在線監測裝置、智能穿戴、移動終端、北斗定位等感知手段，從而實現了線路監測的智能化[1-3]。由此可見，輸電線路智慧巡檢取得了一定的成績，但運營商公網通信覆蓋有限，大量輸電線路傳感器存在通信盲區和接入壁壘，致使數據信息及電網資產的作用和價值難以顯現，“全面感知”的整個通信鏈發展受到嚴重阻礙[4]。同時，輸電線路傳感器采用單一來源的光伏供電，供電可靠性差，數據采集難度大，嚴重制約了輸電線路智能巡檢工作的開展。

1 輸電線路智慧巡檢框架

為解決高海拔地區輸電線路運行維護檢修存在的傳感器供電可靠性差、無移動信號區域數據傳輸難度大的問題，設計了一種基于異構物聯網的輸電線路智慧運行方法，架構分為傳感器協同供電、異構物聯數據傳輸和輸電線路智慧巡檢3個環境，架構如圖1所示。

圖1 系統框架

2 輸電線路智慧巡檢方法

2.1 傳感器協同供電

在輸電線路塔頂部署有攝像頭、各種傳感器和無線微波中繼等設備，但卻沒有市電供應，因此需要在塔頂處設計塔頂設備的供電方式。設計采用風力和太陽能互補供電方式保證供電穩定的同時也可以降低功耗成本；使用磷酸鐵鋰蓄電池作為后備電力供電，在電力充足時可以將多余的電力存儲蓄電池中，在天氣狀況不好、供電能力較差時使用蓄電池中的電能對設備供電。

太陽能供電系統由光伏陣列、蓄電池和太陽能控制器組成，太陽能板是所有能量的來源，由于受灰塵、輻射、天氣以及光伏電池老化等因素影響，太陽能陣列輸出功率小于每個光伏電池輸出功率之和，該現象稱為不匹配損失。為減小光伏陣列不匹配損失，改變電池組件的連接方式能夠增加光伏陣列的整體功率輸出[5]，因此采用光伏陣列建模的方式進行研究，將最大功率跟蹤算法加載到太陽能控制器上，實現光伏陣列輸出最大功率。加載了最大功率跟蹤算法的太陽能控制器能夠控制蓄電池的充電電流和電壓，使充電效果達到最佳狀態，從而讓蓄電池能夠快速、平穩、高效充電，并控制充電過程的電量損耗、維持蓄電池的長時間使用。

設計選擇采用風光互補控制設備調節風力發電和太陽能電池供電之間的平衡；采用充放電保護裝置作為電流和電壓的穩定裝置，將穩定的電流輸入到主控設備實現對無線中繼設備的最終供電。該供電方案整體供電效果可以達到通訊設備對于電力的需求，同時供電相對穩定，環保無污染，供電效率高，不需要長距離輸電，和現有供電設備之間不存在電磁兼容問題，非常適合輸電線路無人區場景。

2.2 異構物聯數據傳輸

2.2.1 異構物聯網絡

為解決高寒、高海拔、無人區等無信號區域的無線通信問題，并結合數據的維度為各類智慧應用服務提供通信支撐，設計了一種由窄帶寬本地通信網絡層和高帶寬骨干通信網絡層構成無線通信鏈路的雙層異構通信網絡架構。本地通信網絡層采用低功耗的Zigbee/LoRa無線網絡，支持各類傳感器數據的接入。

骨干通信網絡層由塔間高性能高帶寬微波通信網橋系統組成，實現高清視頻等多媒體數據的遠程中繼[6]，本地通信網絡和骨干通信網絡設備均具備狀態監測和故障診斷能力，系統物理架構如圖2所示。

圖2 系統物理架構

整體系統結構采用CS架構，包括后端服務、中間控制器(intelligent terminal control，ITC)和前端設備控制器(intelligent data control，IDC)。ITC處于中間層，即對于IDC而言，ITC屬于應用服務器；對于后端服務來說，ITC屬于客戶端。后端服務接收ITC數據，同時向ITC發送控制指令。ITC接收前IDC的數據并轉發給后端服務；同時接收后端服務指令，解析相關內容，發送到對應的IDC，并且對數據進行安全隔離，提高內外網數據安全性。后端服務可以控制多個ITC，通過寬帶進行通信；每個ITC下轄多個IDC，每個IDC通過無線網橋與ITC進行通信。

IDC功能架構如圖3所示。IDC主要由電源模塊、網橋模塊、無線接入模塊、集成數據控制器組成。電源模塊為整個設備提供總電源，通過感應取電或太陽能等為電池充電，也為其他模塊提供電源輸入。網橋模塊為自主網絡的基礎單元，各個網橋模塊組成網絡，實現各個鐵塔設備與主站及服務器的網絡連通。無線接入模塊能夠將外部傳感器上傳的數據傳輸回來。集成數據控制器是整個設備的核心部分，接收各個模塊數據并存儲數據和轉發數據到網橋。

圖3 IDC功能架構

雙層異構物聯網絡的組網設備具有為各類傳感數據通信及協議的集中管理、轉發及標準化為國網I1協議的能力，可數據中轉和控制設備，可接入/轉發Zigbee傳感網絡數據和LoRa傳感網絡數據，具有10/100/1000 M 的RJ45和RS485/RS232等多種接口。雙層異構無線通信鏈路具有信號加密功能保證信息傳輸安全，多跳鏈狀Mesh自組建高速高帶寬骨干網絡拓撲，可收集無人、無公網信號地區的數據并傳輸至幾十上百千米以外的數據集中站(如光纖接入點、有4G/5G網絡信號接入點)，統一匯聚后傳輸至監控中心服務器。Mesh自組網絡保證通信暢通和超低的數據掉包率，可避免因網絡不穩定而丟失重要數據報文。

借助低功耗雙層異構物聯網絡和各種傳感器實現無信號區輸電線路狀態的全面感知和全業務鏈數據的高速安全傳輸，在應用平臺完成數據匯聚和共享，并結合大數據、人工智能等技術，進行智能分析和處理，實現智慧應用，助推輸電線路運維新模式的形成和跨行業推廣。

2.2.2 可信數據傳輸

智能巡檢過程中需要將前端采集的高清視頻通過多跳Mesh無線傳輸和光纖有線傳輸接力方式傳輸到監控中心進行分析和處理。為保證在無線通道情況下高清視頻實時、高質量的傳輸，采用HEVC編碼方式進行可信數據傳輸。

2.3 輸電線路智慧巡檢

在輸電線路智慧運檢中運用物聯網、云計算、大數據、圖像識別等技術手段，通過在線監測設備、無人機、遙感衛星、互聯網等多源數據融合實現智慧輸電線路全面感知系統；對數據進行統一的采集、處理、存儲和分析形成數據管理標準，建立國網內的無信號地區智慧輸電線路數據管理標桿；面向輸電線路運行、大修、技改提供決策支持和預測分析，實現從狀態檢修走向數據檢修。

為保證線路穩定運行，提高運行維護觀冰工作的準確性，在輸電線路加裝覆冰、視頻監控、測溫等在線監測裝置，覆冰、測溫等在線裝置采集的數據通過Zigbee方式傳到塔頂的匯聚節點，匯聚節點間通過5.8 GHz微波通信網橋組成接力骨干網傳輸到就近變電站，然后通過光纖傳輸到監控中心。

3 場景分析

選擇某110 kV線路，采用所提方法進行場景驗證，該輸電線路全長61.418 km，按單回路架設，于1993年投入運營。全線導線采用1×LGJ-120鋼芯鋁絞線，地線采用GJ-35鍍鋅鋼絞線雙地線。全線共有223基桿塔，其中直線桿塔164基、耐張桿塔59基。該條線路由于處于高海拔地區，無移動運營商網絡信號，數據不能有效傳輸，僅能通過供電公司人工巡線。

1)提高輸電線路巡視效率

對比以往供電公司人工巡線，所提方法大幅提升了線路巡視效率；并在人員配置上，以智能化設備代替巡視人員前往現場，運用大數據、云計算、物聯網等技術代替人工處理，大幅減輕了人工負荷，出工量僅為原來的10%。具體效率對比如表1所示。

表1 傳統人工巡視和智慧運檢對比

2) 降低輸電線路跳閘事故發生概率

2020年僅產生4次其他故障跳閘，相對于2019年產生的7次故障跳閘有大幅度降低。線路及時告警功能保障了線路正常運行，降低了跳閘風險，減少了停電造成社會經濟損失的風險。

4 結 論

針對高海拔地區輸電線路運行維護檢修存在的傳感器供電可靠性差、無移動信號區域數據傳輸難度大的問題，通過對輸電線路運行環境和智慧運檢需求分析，設計了一種傳感器協同供電模塊和異構物聯數據傳輸架構，實現了輸電線路監測數據的傳輸，最后將異構物聯網絡應用于高寒無人區新塔線的輸電線路智慧運檢。

試點結果證實了基于異構物聯網絡的輸電智慧運檢能夠大幅度提高輸電線路巡視效率和降低輸電線路跳閘事故發生概率。