輸電線路桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)低延時技術(shù)研究

周 超，沈 浩，劉 輝，徐 鋒，劉傳彬

（1國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；2南京思儀科電氣有限公司，江蘇 南京 210024）

0 引言

電力資源是支撐社會發(fā)展與人類日常生活的核心資源，隨著國家電網(wǎng)建設(shè)工作的不斷完善與科學(xué)技術(shù)的逐步創(chuàng)新，供電單位對電力資源的支出相應(yīng)增加［1-2］。電力資源的高速流出在一定程度上增加了電網(wǎng)運行的潛在負荷，輸電線路在此過程中已出現(xiàn)了嚴(yán)重的安全隱患，如何提高電力安全，保障電力資源的穩(wěn)定輸出成為供電單位的工作重點［3］。輸電線路桿塔狀態(tài)是影響或干預(yù)前端供電系統(tǒng)安全性的重要部分，桿塔中的接地電阻值越低，線路在輸電時的防雷效果越佳，與此同時，電路受損害而發(fā)生跳閘危險的概率也就越低［4-5］。因此，采集和及時傳輸桿塔運行狀態(tài)的監(jiān)測結(jié)果是一項十分重要的工作［6］。目前，供電單位已采取了措施進行桿塔運行監(jiān)測，但現(xiàn)有的大部分監(jiān)測方法都需要人工輔助作為支撐［7］。技術(shù)人員或現(xiàn)場作業(yè)工人采用直接觀察或測量設(shè)備輔助監(jiān)測的方式進行輸電線路巡回檢查，盡管此種監(jiān)測方式可以及時發(fā)現(xiàn)桿塔在線路運行中存在的不足，但此種監(jiān)測方式不僅耗時高、費力，也存在監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性低的問題［8-9］。為解決傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)方案存在的問題，設(shè)計一種桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)低延時技術(shù)，輔助現(xiàn)代化技術(shù)與先進的手段，改進與完善傳統(tǒng)技術(shù)，為實現(xiàn)電力資源的持續(xù)化、穩(wěn)定化、均衡化供應(yīng)提供更好的條件。

1 桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)低延時技術(shù)

1.1 低延時桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

為了確保對桿塔狀態(tài)監(jiān)測的低延時傳輸，應(yīng)在設(shè)計前，分析低延時桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。輸電單位中鄰近供電站之間的距離從數(shù)十米到數(shù)千米不等，每間隔一段距離都要設(shè)置一個桿塔作為線路架設(shè)的支撐［10-11］，為了確保每個電力傳輸轉(zhuǎn)接與通信的實時性，通常會在100.0 m 范圍內(nèi)設(shè)置傳感器節(jié)點，為了提高在此過程中監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，設(shè)計了基于射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式［12］。綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的通信功能，并對其架構(gòu)進行描述，如圖1所示。

圖1 基于RFID與WSN的低延時桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

從圖1中可以看出，低延時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由4層構(gòu)成。

首層為通信層，主要負責(zé)將前端傳感器獲取的標(biāo)簽信息傳輸?shù)綏U塔狀態(tài)監(jiān)測傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點［13］。其中標(biāo)簽傳感器大多處于無源狀態(tài)，更加適用于對桿塔長期運行狀態(tài)的監(jiān)測。傳輸節(jié)點中具有超高頻的通信中繼節(jié)點，可以將獲取的信息以直接通信的方式傳輸?shù)筋A(yù)設(shè)節(jié)點位置。

第二層為主動連接層，主要負責(zé)將傳感器獲取的信息匯聚到中間層，通過中繼節(jié)點的匯聚，保證不同終端之間保持良好通信。

第三層為主動移動傳輸層，主要由中繼節(jié)點、移動基站等構(gòu)成，考慮到不同網(wǎng)絡(luò)終端的兼容性不同，采用過長的通信網(wǎng)線可能存在較高的支出成本［14］。因此，有必要采取措施進行信息的完整傳輸，通常情況下采用ZigBee與移動通信網(wǎng)絡(luò)作為支撐。

第四層為監(jiān)視層，主要負責(zé)對獲取數(shù)據(jù)的監(jiān)視、處理與控制，通過控制中心對數(shù)據(jù)的調(diào)用監(jiān)視，實現(xiàn)對移動通信的宏觀調(diào)控。

1.2 桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點優(yōu)化設(shè)置

完成上述設(shè)計后，需要優(yōu)化設(shè)置桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點。在現(xiàn)有的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)線結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)線性傳輸存在延時，為了降低此種延時，應(yīng)在中繼節(jié)點上增設(shè)通信模塊［15-16］，確保所有信息匯聚成一個完整的節(jié)點，以此種方式確保網(wǎng)絡(luò)延時性能的優(yōu)化與支出成本的均衡化。

綜合上述分析，引進節(jié)點優(yōu)化模型進行中繼節(jié)點的優(yōu)化設(shè)計，可在此過程中假設(shè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的性能是相同的，附近或周邊傳感器會收集相同數(shù)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在確保數(shù)據(jù)信息具有對稱性特點后，對其延時設(shè)計進行優(yōu)化，可將此種狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行簡化［17］。

設(shè)(xi,yi)和(x0,y0)表示桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，如果在垂直或水平方向上向(xi,yi)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，需要布置較多的中繼節(jié)點，此時能耗較高。因此構(gòu)建節(jié)點優(yōu)化模型Q如式（1）所示，以此降低能耗。

根據(jù)最大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)簡化網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)后，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由控制中心、S個變電站與n個對應(yīng)的中繼節(jié)點構(gòu)成，假設(shè)每個n都可以被劃分為x個組別，此時需要選擇x中隨機一個組別作為節(jié)點裝配進行信息的匯聚。

綜上所述，通過對監(jiān)測節(jié)點的優(yōu)化，針對性處理網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木庑裕源朔N方式，實現(xiàn)對桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點的優(yōu)化設(shè)置，為后續(xù)監(jiān)測結(jié)果的匯聚傳輸做好網(wǎng)絡(luò)支撐。

1.3 輸電線路桿塔接地電阻在線監(jiān)測結(jié)果匯聚傳輸

完成上述研究后，采用對監(jiān)測結(jié)果進行匯聚傳輸?shù)姆绞剑M行延時的優(yōu)化。在此過程中，需要初始化設(shè)計塔桿接地電阻參數(shù)，將對應(yīng)的參數(shù)導(dǎo)入應(yīng)用程序終端進行服務(wù)通信，對接全球廣域網(wǎng)（World Wide Web，Web）端與程序端，對結(jié)果匯聚過程進行喚醒處理［18］。完成初始化內(nèi)容的設(shè)計后，將節(jié)點傳輸信息按照由左到右的方式傳輸，利用通信ZigBee傳輸模式將節(jié)點信息進行匯聚處理［19］。將匯聚后的信息傳輸?shù)阶冸娬荆冸娬究赏ㄟ^數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）的傳輸方式，將發(fā)生匯聚行為的節(jié)點集成信息傳輸?shù)娇刂浦行摹４藭r中間層若干個節(jié)點的傳輸模式將均在此過程中發(fā)生匯聚。

考慮到監(jiān)測信息在匯聚時可能受到監(jiān)測結(jié)果加入的影響，因此，需要共享對應(yīng)傳輸端的監(jiān)測程序，利用共享機制將所有接收到信息集成在一起，從而避免控制中心信息傳輸時間較長的情況［20］。此時，可將桿塔接地電阻的監(jiān)測傳輸延時表示為：傳輸信道延時+接入延時+信道傳輸延時+節(jié)點轉(zhuǎn)接延時+其他延時。

終端傳輸?shù)拿拷M監(jiān)測數(shù)據(jù)格式與規(guī)模不同，因此，可以認(rèn)為每個中間組匯聚節(jié)點的中繼節(jié)點數(shù)目也是存在差異的［21］，假設(shè)第a個匯聚節(jié)點兩側(cè)的中繼節(jié)點數(shù)量分別為b與c，則在此種狀態(tài)下獲得的傳輸延時可以直接從匯聚中心調(diào)用。為了解決在此種狀態(tài)下監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸存在時延的問題，可直接按照上述處理過程，將中心節(jié)點的數(shù)據(jù)匯聚在一起，通過通信程序?qū)?shù)據(jù)的匯聚，排除可能對監(jiān)測結(jié)果造成時延的外界因素。以此種方式，實現(xiàn)對輸電線路桿塔接地電阻在線監(jiān)測結(jié)果匯聚傳輸，完成對輸電線路桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)低延時技術(shù)的設(shè)計研究，為電力終端的穩(wěn)定運輸與電能的平衡化流通提供指導(dǎo)。

2 對比實驗分析

通過上述論述，在完成對該技術(shù)的理論設(shè)計后，為了進一步驗證該技術(shù)在實際應(yīng)用中的效果，將應(yīng)用本文技術(shù)前后監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的運行情況進行對比。

2.1 數(shù)據(jù)來源

以某供電企業(yè)的輸電線路桿塔運行環(huán)境作為本文對比實驗的測試環(huán)境，考慮到桿塔運行成本問題，在同一桿塔的兩條110 kV的架空線上分別安裝兩個規(guī)格完全相同的監(jiān)測終端設(shè)備。已知該監(jiān)測終端設(shè)備型號為SJFE69-8490，運行環(huán)境溫度在-20～+55℃范圍內(nèi)。在該型號監(jiān)測終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信層面上包含網(wǎng)絡(luò)交換機、智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，可以通過網(wǎng)關(guān)直接對現(xiàn)場輸電線路桿塔的運行數(shù)據(jù)進行采集、存儲并能夠?qū)?shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。在其中一臺監(jiān)測終端設(shè)備當(dāng)中引入本文提出的低延時技術(shù)。

2.2 結(jié)果分析

記錄兩種監(jiān)測終端設(shè)備監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的觀測數(shù)據(jù)，并將其與現(xiàn)場電阻測量儀測量的數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 低延時技術(shù)應(yīng)用前后監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄表

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，本文提出的低延時技術(shù)應(yīng)用前后監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場通過電阻測量儀監(jiān)測的結(jié)果相差均小于0.5 Ω，證明本文低延時技術(shù)應(yīng)用前后均能夠?qū)崿F(xiàn)對輸電線路桿塔接地電阻變化數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)監(jiān)測。并且，本文低延時技術(shù)應(yīng)用后監(jiān)測數(shù)據(jù)與電阻測量儀得出的監(jiān)測結(jié)果誤差明顯小于該項技術(shù)應(yīng)用前監(jiān)測數(shù)據(jù)與電阻測量儀得出監(jiān)測結(jié)果之間的誤差，桿塔運行狀態(tài)的監(jiān)測精度進一步提升。

完成上述實驗后，為了進一步驗證本文低延時技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，選擇將低延時技術(shù)應(yīng)用前后監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的延時情況作為評價指標(biāo)，針對其監(jiān)測過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸延時進行記錄，并將不同監(jiān)測數(shù)據(jù)分組的最大延時繪制成圖2。

圖2 低延時技術(shù)應(yīng)用前后各分組最大延時記錄

從圖2 中得出的兩條曲線可以看出，本文提出的低延時技術(shù)應(yīng)用前后，隨著分組數(shù)的不斷增加，監(jiān)測數(shù)據(jù)在傳輸過程中的最大延時均呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，但明顯該項技術(shù)應(yīng)用后最大延時明顯減小。

通過實驗得出的結(jié)果綜合分析得出，本文提出的低延時技術(shù)在實際應(yīng)用中可以有效改善監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)延時較大的問題，并能夠進一步提升監(jiān)測質(zhì)量，從而使整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對輸電線路桿塔接地數(shù)據(jù)監(jiān)測精度進一步提升，為供電企業(yè)的日常維護及工作運行提供更可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。將本文提出的低延時技術(shù)應(yīng)用到供電企業(yè)真實的桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中能夠促進供電企業(yè)向更智能化的方向發(fā)展，并在極大程度上提升輸電線路桿塔的運行安全性和穩(wěn)定性，為供電企業(yè)創(chuàng)造更大經(jīng)濟效益的同時，確保其社會效益的穩(wěn)步提升。

3 結(jié)語

從設(shè)計低延時桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點優(yōu)化設(shè)置、輸電線路桿塔接地電阻在線監(jiān)測結(jié)果匯聚傳輸3 個方面，完成了對低延時技術(shù)的設(shè)計研究，并通過對技術(shù)應(yīng)用前與應(yīng)用后的對比得出結(jié)論：提出的低延時技術(shù)在實際應(yīng)用中可以有效改善監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)延時較大的問題，并且通過這一問題的改善能夠進一步提升監(jiān)測質(zhì)量，從而使整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對輸電線路桿塔接地數(shù)據(jù)監(jiān)測精度進一步提升，為供電企業(yè)的日常維護及工作運行提供更可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。盡管此次設(shè)計成果已經(jīng)過實踐證明具有一定的可行性，但在后續(xù)進一步的優(yōu)化設(shè)計中，還需要考慮桿塔狀態(tài)傳輸?shù)耐負浣Y(jié)構(gòu)具有鏈狀特點，控制其傳輸延時是優(yōu)化技術(shù)的核心。因此，還需要在后期的研究中，通過建立延時模型的方式，進行此項技術(shù)在應(yīng)用中功能與性能的進一步優(yōu)化，以此種方式，為電力資源的穩(wěn)定運輸、為市場相關(guān)企業(yè)單位的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)作為指導(dǎo)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對電力企業(yè)現(xiàn)有工作模式與監(jiān)測傳輸作業(yè)方式與技術(shù)的改進。