基于傳感器技術(shù)的電網(wǎng)監(jiān)控與管理研究

巨朋真，李軍丹

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451150）

0 引 言

近年來，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和電網(wǎng)復(fù)雜性的不斷增加，對電網(wǎng)的監(jiān)控與管理需求日益迫切。為了實現(xiàn)電網(wǎng)的高效、智能和可持續(xù)管理，傳感器作為先進的信息采集和處理工具被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)監(jiān)控與管理領(lǐng)域[1,2]。在電力系統(tǒng)中，傳感器被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、能源管理、負荷預(yù)測以及電力質(zhì)量監(jiān)測等方面，為電網(wǎng)運行優(yōu)化和電力管理決策提供了強大的技術(shù)支持[3,4]。如何充分利用傳感器技術(shù)的優(yōu)勢，解決電網(wǎng)監(jiān)控與管理中存在的技術(shù)、經(jīng)濟、安全及隱私等問題，成為當(dāng)前電力領(lǐng)域研究的熱點和難點。因此，基于傳感器技術(shù)的電網(wǎng)監(jiān)控與管理研究具有重要的理論和實踐意義。文章對基于傳感器技術(shù)的電網(wǎng)監(jiān)控與管理研究進行進一步拓展，提出了一種新的設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于傳感器技術(shù)的智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層3 個層級。其中，數(shù)據(jù)采集層包括ZigBee 終端節(jié)點，即各種傳感器，如傾斜傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器及光照傳感器[5,6]；數(shù)據(jù)傳輸層包括ZigBee 協(xié)調(diào)器和通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）[7]；數(shù)據(jù)應(yīng)用層包括Internet、服務(wù)器、遠程客戶端。基于傳感器技術(shù)的智能電網(wǎng)監(jiān)控與管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于傳感器技術(shù)的智能電網(wǎng)監(jiān)控與管理系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層是系統(tǒng)的底層，負責(zé)實時采集電網(wǎng)的各種參數(shù)信息。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集層包括多個類型的傳感器。這些傳感器分布在不同的位置，負責(zé)采集電網(wǎng)的各種數(shù)據(jù)，如電網(wǎng)的傾斜度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度及光照強度等。

數(shù)據(jù)傳輸層負責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集層傳輸?shù)綌?shù)據(jù)應(yīng)用層進行處理和管理。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸層包括ZigBee 協(xié)調(diào)器和GPRS。ZigBee 協(xié)調(diào)器負責(zé)與數(shù)據(jù)采集層中的ZigBee 終端節(jié)點建立無線通信連接，將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)應(yīng)用層。同時，GPRS 作為一種通信方式，可用于遠程傳輸數(shù)據(jù)，特別適用于沒有無線傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)。

數(shù)據(jù)應(yīng)用層是系統(tǒng)的頂層，負責(zé)處理、分析和管理數(shù)據(jù)采集層傳輸過來的數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)管理人員提供實時的監(jiān)測和決策支持。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)應(yīng)用層包括Internet、服務(wù)器和遠程客戶端。Internet 作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，將采集到的?shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器；服務(wù)器負責(zé)對傳輸過來的數(shù)據(jù)進行存儲、處理和分析，運行各種算法和模型，提取有價值的信息，并生成監(jiān)測報告和決策建議；遠程客戶端是電網(wǎng)管理人員使用的用戶界面，通過遠程客戶端可以實時監(jiān)測電網(wǎng)的狀態(tài)、查看報警信息、查看歷史數(shù)據(jù)以及進行遠程控制等。

2 傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳感器技術(shù)在電網(wǎng)監(jiān)控與管理系統(tǒng)中的應(yīng)用可以為電網(wǎng)運維人員提供實時的監(jiān)測和預(yù)警信息，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)運行狀態(tài)的智能管理和優(yōu)化。文章聚焦于傳感器技術(shù)在微氣象監(jiān)測、圖像/視頻監(jiān)控、桿塔傾斜監(jiān)測、微風(fēng)振動監(jiān)測等方面的應(yīng)用展開研究。傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式如圖2 所示，采用了ZigBee 協(xié)議作為通信標準，主要包括ZigBee 監(jiān)測節(jié)點（傳感器節(jié)點）、通信子站、交換機和光纖復(fù)合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPWG）光纖網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點是部署在電網(wǎng)設(shè)備周邊的傳感器，負責(zé)實時采集電網(wǎng)設(shè)備周邊的環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)信息，如圖像、視頻、溫度及濕度等。傳感器節(jié)點通過ZigBee無線通信協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給通信子站。通信子站是一個集中式的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，負責(zé)接收來自多個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)。通信子站使用ZigBee 通信模塊與傳感器節(jié)點通信，并通過本地連接或者無線連接將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給交換機。交換機是負責(zé)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將來自通信子站的數(shù)據(jù)通過有線或者無線方式傳輸?shù)絆PWG 光纖網(wǎng)絡(luò)。交換機負責(zé)將多個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)進行匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)，確保數(shù)據(jù)能夠順利傳輸?shù)綌?shù)據(jù)應(yīng)用層。

圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式

2.1 微氣象監(jiān)測

微氣象監(jiān)測是電網(wǎng)監(jiān)控與管理中的一項重要任務(wù)，實時監(jiān)測和預(yù)測電網(wǎng)周邊氣象條件，為電網(wǎng)運維人員提供實時的氣象信息，以便及時采取措施應(yīng)對極端氣象狀況。本系統(tǒng)通過安裝在電網(wǎng)設(shè)備周邊的傳感器，如溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、光照傳感器，實時監(jiān)測周邊的氣象參數(shù)，包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向及光照強度等。另外，基于實時的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測到極端氣象條件時，如高溫、低溫、高濕度及大風(fēng)等，系統(tǒng)會自動觸發(fā)預(yù)警和報警，通知電網(wǎng)運維人員及時采取措施，確保電網(wǎng)設(shè)備的安全運行。

微氣象監(jiān)測的核心元器件如表1 所示。這些傳感器通過與電網(wǎng)設(shè)備連接或固定在電網(wǎng)設(shè)備周邊，可以實時采集氣象參數(shù)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集層進行處理和分析。

表1 微氣象監(jiān)測的主要傳感器

2.2 圖像/視頻監(jiān)控

圖像/視頻監(jiān)控在智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中起著重要作用，可以實時監(jiān)測和遠程觀察電網(wǎng)設(shè)備周邊環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)，從而提升電網(wǎng)的安全性和運維效率。圖像/視頻監(jiān)控的主要作用和功能包括以下3 點：一是檢測是否有異常情況發(fā)生，如火災(zāi)、泄漏、設(shè)備損壞等，及時發(fā)出警報，以便及時采取措施應(yīng)對異常情況；二是電網(wǎng)運維人員可以遠程觀察電網(wǎng)設(shè)備周邊的實時情況，包括設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境條件等，從而及時判斷設(shè)備是否正常運行，做出相應(yīng)的決策和調(diào)度；三是將采集到的圖像/視頻數(shù)據(jù)進行存儲和分析，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘、故障診斷和運維優(yōu)化。

圖像/視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心元器件主要包括圖像/視頻傳感器、圖像/視頻存儲設(shè)備。這些元器件通過與電網(wǎng)設(shè)備連接或固定在電網(wǎng)設(shè)備周邊，實時采集圖像/視頻數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集層進行處理和分析。

2.3 桿塔傾斜監(jiān)測

桿塔傾斜監(jiān)測系統(tǒng)是一種用于實時監(jiān)測電力輸電線路桿塔傾斜情況的監(jiān)測系統(tǒng)。其主要作用是通過實時檢測桿塔的傾斜角度，及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)警桿塔傾斜超過安全范圍，以避免桿塔傾斜導(dǎo)致的電力線路事故，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

桿塔傾斜監(jiān)測系統(tǒng)的核心元器件包括傾斜傳感器、數(shù)據(jù)采集器和通信模塊。傾斜傳感器負責(zé)實時測量桿塔的傾斜角度，并將測量數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器負責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行采集和預(yù)處理。其工作方式如下：首先，傾斜傳感器固定在電力輸電線路桿塔上，通過測量桿塔的傾斜角度實現(xiàn)對桿塔的實時監(jiān)測；其次，傳感器采集到的傾斜角度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器進行采集和處理；最后，通過通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理分析單元，供電網(wǎng)運維人員參考，從而及時發(fā)現(xiàn)和處理桿塔傾斜超過安全范圍的情況，保障電網(wǎng)的安全運行。

2.4 微風(fēng)振動監(jiān)測

微風(fēng)振動監(jiān)測系統(tǒng)的核心元器件包括加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集器。加速度傳感器負責(zé)實時測量高空線路結(jié)構(gòu)在微風(fēng)環(huán)境下的振動情況，并將測量數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器負責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行采集和預(yù)處理，并通過通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理分析部分。其工作方式如下：首先，加速度傳感器安裝在高空線路結(jié)構(gòu)上，通過測量結(jié)構(gòu)的振動加速度數(shù)據(jù)實現(xiàn)微風(fēng)振動的實時監(jiān)測；其次，傳感器采集到的振動加速度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器進行采集和處理；最后，通過通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理分析單元。

3 系統(tǒng)分析

通過對該監(jiān)控與管理系統(tǒng)的性能做理論上的評估，本系統(tǒng)具有以下特點。一是實時監(jiān)測，該系統(tǒng)通過傳感器節(jié)點實時采集多種電網(wǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)的實時監(jiān)測，有助于及時掌握電網(wǎng)運行情況；二是多層級數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層架構(gòu)，通過ZigBee 協(xié)調(diào)器、GPRS 和光纖網(wǎng)絡(luò)等方式實現(xiàn)了多層級的數(shù)據(jù)傳輸，確保了數(shù)據(jù)的高效、穩(wěn)定傳輸；三是多功能監(jiān)測，系統(tǒng)涵蓋了多種電網(wǎng)參數(shù)的監(jiān)測，包括微氣象參數(shù)、桿塔傾斜、風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度以及光照等，能夠全面了解電網(wǎng)運行狀態(tài)和環(huán)境情況，有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題，并采取措施進行處理，保障電網(wǎng)的安全運行；四是數(shù)據(jù)集成與管理，系統(tǒng)通過服務(wù)器和遠程客戶端實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集成和管理，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理、存儲和分析，為電網(wǎng)管理者提供科學(xué)依據(jù)，支持決策和管理。

然而，該系統(tǒng)還存在以下不足之處。一是成本較高，系統(tǒng)中涉及到多種傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和服務(wù)器等，成本較高，對于一些資金有限的電網(wǎng)管理單位可能面臨一定的經(jīng)濟壓力；二是數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，包括多種傳感器參數(shù)和大量實時數(shù)據(jù)，需要進行數(shù)據(jù)處理、存儲和分析，對數(shù)據(jù)處理和管理的要求較高，需要一定的技術(shù)支持和專業(yè)人員進行操作和維護；三是系統(tǒng)部署復(fù)雜，系統(tǒng)涉及多個傳感器節(jié)點的部署、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的安裝和配置，需要一定的工程實施和維護，部署過程較為復(fù)雜，需要充分考慮實際場景和環(huán)境，確保系統(tǒng)的正常運行。

4 結(jié) 論

本研究選擇了多種傳感器實現(xiàn)對電網(wǎng)運行狀態(tài)和環(huán)境情況的實時監(jiān)測。通過數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層實現(xiàn)了多層級的數(shù)據(jù)傳輸，確保了數(shù)據(jù)的高效、穩(wěn)定傳輸，同時通過服務(wù)器和遠程客戶端的數(shù)據(jù)集成與管理，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理、存儲和分析。經(jīng)評估，該系統(tǒng)具有實時監(jiān)測、多功能監(jiān)測等優(yōu)點，但也存在成本較高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、系統(tǒng)部署復(fù)雜等缺點。未來可以進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能、降低成本，并探索其他新型傳感器技術(shù)的應(yīng)用，為智能電網(wǎng)的應(yīng)用提供更多參考。