基于物聯(lián)網(wǎng)的架空輸電線路災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的研究

楊楠　胡智　郭太平

【摘 要】針對(duì)架空輸電線路經(jīng)過(guò)的區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)控策略單一，通訊困難，耗費(fèi)大量的人力物力等問(wèn)題，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)低功耗、低成本、多傳感器等諸多優(yōu)勢(shì)，結(jié)合目前的輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的溫度與濕度、覆冰、傾斜、氣象等傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，憑借物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，從物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)組成以及預(yù)警策略等方面，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的架空輸電線路監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；輸電線路；無(wú)線通信；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

0 引言

架空輸電線路是電力系統(tǒng)輸送電能的關(guān)鍵設(shè)施，因?yàn)榧芸蛰旊娋€路一般長(zhǎng)達(dá)幾十米甚至幾百千米，并且架設(shè)在相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境中，主要有自然災(zāi)害，如：大風(fēng)，雨雪，冰凍等；其次是人為損壞，如：盜竊，樹(shù)木生長(zhǎng)等不可控因素的影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在電網(wǎng)停電事故中，線路事故占主要原因，輸電的安全性往往會(huì)受到一定的威脅。因此，對(duì)架空輸電線路的安全運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)是十分必要的。因?yàn)檩旊娋€路經(jīng)過(guò)的區(qū)域環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，所以給輸電線路的通訊造成一定的阻礙?，F(xiàn)階段，GPRS、CDMA、OPGW、3G等方式是應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān)測(cè)的主要通信方式，但是這些通信技術(shù)在某些方面仍有一定的欠缺性，例如它無(wú)法覆蓋到輸電線路的全程，偶爾會(huì)出現(xiàn)信號(hào)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，所以，這就可能導(dǎo)致在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作，不能保證架空輸電線路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。

1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是由各種智能設(shè)備，如射頻識(shí)別（RFID）、紅外傳感器、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光掃描儀和具有互聯(lián)網(wǎng)意識(shí)、能識(shí)別物理世界的儀器構(gòu)成。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)絡(luò)，讓人與物之間得到信息交換（如安全控制、安全監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、交互等），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種智能設(shè)備的管控實(shí)時(shí)性、管理精準(zhǔn)性以及進(jìn)行輔助分析決策等。智能電網(wǎng)的大部分?jǐn)?shù)據(jù)的感知范圍可以大大提高，從而支持智能電網(wǎng)系統(tǒng)的信息流，業(yè)務(wù)流和功率流的集成。

物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)共可以分為三個(gè)層次：最底層為感知層、其次是網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

多傳感器、多維編碼和閱讀器組成了感知層。如：RFID標(biāo)簽和閱讀器、攝像機(jī)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPS終端、有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）終端、傳感器網(wǎng)關(guān)等。感知層又分為兩層：感知管制層和通信擴(kuò)展層。感知控制層處理物理世界的智能感知，包含數(shù)據(jù)辨別、信息獲取、解決和主動(dòng)控制等功能。在通信擴(kuò)展層的通信模塊的幫助下，各種智能設(shè)備可以連接到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

網(wǎng)絡(luò)層由各種電信網(wǎng)和核心網(wǎng)組成。電信網(wǎng)絡(luò)通常被認(rèn)為是接入網(wǎng)，而信息傳輸、路由和控制通常在核心網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層的概念由于其成熟的技術(shù)已經(jīng)被廣泛接受。此外，物聯(lián)網(wǎng)管理中心和信息中心屬于網(wǎng)絡(luò)層。這一事實(shí)意味著網(wǎng)絡(luò)操作和信息操作都可以在網(wǎng)絡(luò)層上實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用層是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)中。這其中包含物聯(lián)網(wǎng)的各種基礎(chǔ)設(shè)備，如安裝于輸電線路上的眾多傳感器設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備。并且應(yīng)用層也實(shí)現(xiàn)了各行業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的充分聯(lián)合，它的關(guān)鍵功能在于信息的安全與共享。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的架空輸電線路監(jiān)測(cè)預(yù)警的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

首先是傳感網(wǎng)絡(luò)層，傳感網(wǎng)絡(luò)層由眾多的傳感器組成，而這些眾多的傳感器可以被認(rèn)為是物理世界的“感覺(jué)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(lái)監(jiān)測(cè)輸電桿塔的傾斜，導(dǎo)線的舞動(dòng)，風(fēng)偏，導(dǎo)線覆冰，導(dǎo)體溫度以及微氣象等方面的信息。由于輸電線路需要監(jiān)測(cè)的信息量相對(duì)較大，并且周圍環(huán)境復(fù)雜，不利于大量信息的直接傳輸，所以，這就需要在一定的區(qū)域內(nèi)組成多個(gè)小型的傳感器組網(wǎng)，再通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)來(lái)集合這些組網(wǎng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行總體傳輸。所以底層的傳感網(wǎng)絡(luò)也具有不同環(huán)境下的感知，收集和抗干擾的功能。

其次是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)層，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)層的主要功能在于對(duì)底層傳感網(wǎng)絡(luò)所收集的大量信息進(jìn)行匯聚、融合與傳輸，根據(jù)需要傳輸?shù)姆秶煞譃槎叹嚯x傳輸和廣域通信傳輸。在匯聚處理信息的同時(shí)，為保證信息收集的效率，運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，更有效的將有用的信息結(jié)合起來(lái)。所以，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信層在一定程度上，加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆秶约疤嵘诵畔鬏數(shù)臅r(shí)效性。

最后是IP網(wǎng)絡(luò)通信層，基于IP互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)衛(wèi)星通訊，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息傳輸。這就可以實(shí)現(xiàn)將底層傳感網(wǎng)的大量監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中，同是也實(shí)現(xiàn)了信息的不同機(jī)器間識(shí)別傳輸和信息交換。從而也使工作人員能夠?qū)崟r(shí)掌握遠(yuǎn)在幾十或幾百公里之外的輸電線路的監(jiān)測(cè)信息。如圖2所示

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的架空線路監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

目前，一些輸電線路的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已投入使用。這些系統(tǒng)通常使用如3G或無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)每個(gè)傳感器將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，但也存在一些問(wèn)題，如運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率低，數(shù)據(jù)傳輸率低，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，這都將制約輸電線路監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，阻礙輸電效率的提高，并且對(duì)輸電線路巡視的進(jìn)展造成影響。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將多傳感器部署在架空輸電線路上，對(duì)導(dǎo)體無(wú)線傳感器馳振，微氣象，風(fēng)振，導(dǎo)體結(jié)冰和導(dǎo)體溫度進(jìn)行監(jiān)控，從而完成對(duì)電力線的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

主站系統(tǒng)可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與電力光纖網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)?；谖锫?lián)網(wǎng)的電力線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)多跳中繼通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議進(jìn)一步傳輸信息，保證大跨度、遠(yuǎn)距離輸電設(shè)施的有效信息傳輸。根據(jù)不同的電力線應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄏ罗D(zhuǎn)第123頁(yè)）（上接第167頁(yè)）可以是集群鏈類型，其中多個(gè)集群網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)覆蓋輸電線路骨干節(jié)點(diǎn)部署在輸電塔收集數(shù)據(jù)，可采用無(wú)線傳輸和光纖通信結(jié)合的方式，無(wú)線傳輸可釆用WiFi、ZigBee、McWiLL、WiMAX等以擺脫對(duì)公網(wǎng)的依賴，光纖通信中可采用先進(jìn)的ASON、ESON等光纖接入技術(shù)提高系統(tǒng)性能以利于信息的快速、安全傳輸。輸電線路監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息顯示、統(tǒng)計(jì)分析?？梢灾庇^地顯示電力傳輸設(shè)施的狀態(tài)。操作人員可以根據(jù)信息管理系統(tǒng)的分析結(jié)果進(jìn)行決策和發(fā)布命令，以便盡早發(fā)現(xiàn)或排除隱患，確保可靠輸變電設(shè)施運(yùn)行。如圖3所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)，豐富當(dāng)前輸電線路監(jiān)測(cè)預(yù)警手段，擴(kuò)展監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)涵蓋領(lǐng)域，是架空輸電線路體系“監(jiān)測(cè)-預(yù)警-預(yù)控”的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)技術(shù)，將在構(gòu)建具有“信息多源化、診斷智能化、運(yùn)維高效化”的輸電線路通道，實(shí)現(xiàn)架空輸電線路災(zāi)害的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安全評(píng)估、災(zāi)害預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)控制和信息管理的智能化目標(biāo)方面發(fā)揮重要作用。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]