基于IP技術(shù)的輸配電線路集成式防外破監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[摘 要]文章提出一種基于IP技術(shù)的輸配電線路集成式防外破監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光纖振動傳感和視頻監(jiān)控相結(jié)合的多源異構(gòu)感知方式，通過TSN以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高可靠、低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸，并在應(yīng)用層引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對外破行為進(jìn)行智能識別和告警。搭建的試驗(yàn)平臺驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性，為輸配電線路防外破提供了新思路。

[關(guān)鍵詞]輸配電線路；外破防御；IP技術(shù)

[中圖分類號]TM862 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0142–03

Design of Integrated Anti-burst Monitoring System for Transmission and Distribution Lines Based on IP Technology

LIU Mengjia，LI Jie

[Abstract]This paper proposes an anti-damage monitoring system for transmission and distribution lines based on IP technology. The system uses fiber optic vibration sensing and video surveillance together. TSN Ethernet ensures reliable and low-latency data transmission. At the application layer， machine learning algorithms identify and alert for external damage. The experimental platform confirms the system’s effectiveness， offering a new approach to protecting transmission and distribution lines.

[Keywords]transmission and distribution lines； outer break defense； IP technology

1 IP技術(shù)的概念及范疇

IP技術(shù)，全稱Internet Protocol技術(shù)，是一種基于數(shù)據(jù)包交換的網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議。其定義了在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)從源端到目的端傳輸?shù)姆绞胶鸵?guī)則。IP技術(shù)采用32位地址編碼，通過路由器將數(shù)據(jù)包從源地址傳送到目標(biāo)地址。數(shù)據(jù)包在傳輸過程中經(jīng)過多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部中的目標(biāo)IP地址進(jìn)行路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)，直至到達(dá)目標(biāo)主機(jī)。例如，當(dāng)主機(jī)A（IP地址為192.168.1.1）向主機(jī)B（IP地址為192.168.2.1）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包首先由主機(jī)A的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)（如192.168.1.254）轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳路由器，經(jīng)過多次轉(zhuǎn)發(fā)后，最終到達(dá)目標(biāo)主機(jī)B。在此過程中，數(shù)據(jù)包經(jīng)過的每一跳路由器都需要查詢自身的路由表，根據(jù)目標(biāo)IP地址選擇最佳轉(zhuǎn)發(fā)路徑。此外，IP技術(shù)還引入了子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、虛擬專用網(wǎng)等高級特性，進(jìn)一步擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍和靈活性。文章通過布署各類傳感器實(shí)現(xiàn)對線路狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知，并利用IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳和遠(yuǎn)程控制，構(gòu)建起一個(gè)覆蓋廣、響應(yīng)快、可管可控的輸配電線路監(jiān)測系統(tǒng)，為保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供重要支撐。

2 基于IP技術(shù)的輸配電線路集成式防外破監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)與工作流程

本系統(tǒng)采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)思路，從上到下依次為應(yīng)用層、傳輸層、感知層。系統(tǒng)工作流程如下：①感知層通過各種傳感器和智能終端實(shí)時(shí)監(jiān)測輸配電線路狀態(tài)，收集環(huán)境振動、圖像及視頻數(shù)據(jù)。②傳輸層利用時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱“TSN”）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱“SDN”）技術(shù)，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效傳輸和資源優(yōu)化配置。③應(yīng)用層基于Spring Boot框架處理數(shù)據(jù)，并通過Apache Kafka進(jìn)行高效流轉(zhuǎn)，利用HBase存儲海量數(shù)據(jù)，同時(shí)運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱“CNN”）模型進(jìn)行外破威脅識別，最終通過Web端可視化界面實(shí)時(shí)展示監(jiān)測結(jié)果并推送告警信息。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)解析與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 應(yīng)用層

應(yīng)用層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)及人機(jī)交互等任務(wù)。該層基于Java平臺，采用Spring Boot框架進(jìn)行開發(fā)，充分利用其IoC（控制反轉(zhuǎn)）和AOP（面向切面編程）等特性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)組件的解耦與復(fù)用。在數(shù)據(jù)處理方面，應(yīng)用層引入了Apache Kafka作為消息隊(duì)列中間件，通過發(fā)布—訂閱模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效流轉(zhuǎn)與處理。同時(shí)，針對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲與查詢需求，系統(tǒng)選用了Apache HBase作為分布式列式存儲數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合Apache Phoenix進(jìn)行二次開發(fā)，提供類似于SQL的數(shù)據(jù)訪問接口，提升了數(shù)據(jù)操作的便捷性。在業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)方面，應(yīng)用層遵循微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，將各項(xiàng)功能劃分為獨(dú)立的服務(wù)單元，通過RESTful API進(jìn)行通信，保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與靈活性。例如，在輸電線路外破檢測算法中，通過引入CNN模型，對線路周圍環(huán)境圖像進(jìn)行特征提取與分類，實(shí)現(xiàn)了對外破威脅的智能識別。其中，CNN模型的前向傳播過程可簡化表示為：

在人機(jī)交互方面，應(yīng)用層基于Vue.js框架開發(fā)了Web端可視化界面，通過豐富的圖表和控件，實(shí)現(xiàn)了輸配電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)的直觀展示和實(shí)時(shí)告警推送，為運(yùn)維人員提供了便捷高效的操作平臺。

2.2.2 傳輸層

通過在交換機(jī)端口上啟用PTP（Precision Time Protocol）協(xié)議，各監(jiān)測設(shè)備可實(shí)現(xiàn)納秒級的時(shí)間同步，進(jìn)一步提升時(shí)延計(jì)算的準(zhǔn)確性。利用TSN與SDN的協(xié)同配合，本系統(tǒng)的傳輸層構(gòu)建了一個(gè)高可靠、低時(shí)延、可定制化的數(shù)據(jù)傳輸平臺，有力支撐了輸配電線路監(jiān)測業(yè)務(wù)的開展。

2.2.3 感知層

感知層由布署在線路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的各類傳感器和智能終端組成，形成了一個(gè)覆蓋全面、異構(gòu)互補(bǔ)的多源感知網(wǎng)絡(luò)。針對輸電線路外破防御的需求，感知層重點(diǎn)選用了基于相干光時(shí)域反射儀（以下簡稱“COTDR”）的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)。COTDR通過向光纖中注入光脈沖，并分析背向拉曼散射光信號的相干性，實(shí)現(xiàn)了對線路周圍環(huán)境振動的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，其空間分辨率可達(dá)1 m，頻率響應(yīng)范圍為1～5 000 Hz。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)共采集了2 400個(gè)樣本數(shù)據(jù)，其中攀爬桿塔600個(gè)，破壞絕緣子600個(gè)，砍伐樹木600個(gè)，正常運(yùn)行600個(gè)。數(shù)據(jù)按8∶2劃分為訓(xùn)練集和測試集，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可見，本系統(tǒng)對3種外破行為的識別準(zhǔn)確率均在95%以上，表明光纖振動與視頻圖像的多源數(shù)據(jù)融合，能夠有效提升外破行為的檢測性能，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)不同行為的檢測時(shí)延。不同外破行為的檢測時(shí)延見表2。

表2結(jié)果表明，本系統(tǒng)基本能夠在300 ms內(nèi)完成外破行為的檢測和識別，滿足輸電線路防外破的實(shí)時(shí)性需求。攀爬桿塔行為的檢測時(shí)延略高，原因在于攀登過程造成的光纖擾動較小，需要更長時(shí)間的特征聚合。破壞絕緣子的檢測時(shí)延最低，這是因?yàn)榻^緣子破壞通常伴隨著顯著的沖擊振動，易于提取特征。綜合表1、表2可知，基于IP技術(shù)的輸配電線路集成式防外破監(jiān)測系統(tǒng)，能夠克服傳統(tǒng)方案的不足，在保證檢測實(shí)時(shí)性的同時(shí)，顯著提升外破行為識別的準(zhǔn)確性，為配電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

4 結(jié)束語

文章針對輸配電線路面臨的外破威脅，設(shè)計(jì)了一種基于IP技術(shù)的集成式監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合光纖振動傳感和視頻監(jiān)控等多源異構(gòu)感知手段，并利用TSN以太網(wǎng)、智能算法等先進(jìn)技術(shù)，有效解決了傳統(tǒng)方案在實(shí)時(shí)性、可靠性等方面的不足。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)基本能夠在300 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)外破行為的精準(zhǔn)識別，為輸配電線路的本質(zhì)安全提供有力保障。

參考文獻(xiàn)

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