基于5G通信的輸配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

［關(guān)鍵詞］輸配電線路；在線監(jiān)測(cè)；5G通信

［中圖分類(lèi)號(hào)］TN929.5 ；TP391.41 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）11–0119–03

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，輸配電線路的安全可靠運(yùn)行面臨著越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工巡檢方式效率低下，難以滿足日益增長(zhǎng)的輸配電線路監(jiān)測(cè)需求。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了新的契機(jī)。5G通信技術(shù)憑借其高速率、低時(shí)延、廣連接等優(yōu)勢(shì)，在智能電網(wǎng)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。文章針對(duì)現(xiàn)有輸配電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的不足，提出了一種基于5G通信的輸配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)充分利用5G 通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了輸配電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷與預(yù)警，為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)支撐。

1"5G通信技術(shù)概述

5G通信技術(shù)性能指標(biāo)相比4G 有了質(zhì)的飛躍。5G網(wǎng)絡(luò)可提供高達(dá)10 Gbps 的峰值速率，空口時(shí)延低至1 ms，連接密度可達(dá)100 萬(wàn)個(gè)/km²。其性能的提升得益于諸多關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，如毫米波、大規(guī)模MIMO、超密集組網(wǎng)等。毫米波通信利用30～300 GHz頻段，帶寬資源豐富，可支持極高的傳輸速率。然而，毫米波易受障礙物阻擋，穿透能力較弱。為克服這一挑戰(zhàn)，5G系統(tǒng)引入了大規(guī)模MIMO技術(shù)，通過(guò)部署大量天線陣列，利用波束賦形和預(yù)編碼等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)定向覆蓋和精準(zhǔn)投射，有效提升了信號(hào)質(zhì)量和覆蓋范圍。此外，超密集組網(wǎng)通過(guò)在熱點(diǎn)區(qū)域密集部署微基站，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)容量和連接密度。例如，在一個(gè)大型體育場(chǎng)館內(nèi)，可部署數(shù)百個(gè)微基站，支持?jǐn)?shù)萬(wàn)用戶同時(shí)高速接入。5G還采用了先進(jìn)的編碼調(diào)制技術(shù)，如LDPC碼和OFDM 調(diào)制，顯著提升了頻譜效率。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新，為垂直行業(yè)應(yīng)用提供了靈活的QoS 保障。這些技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，奠定了5G 在智能電網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)。

2基于5G通信的輸配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)的基于5G通信的輸配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括3 大核心部分：①數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊。其利用多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)單元采集線路狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)服務(wù)器。②數(shù)據(jù)處理分析模塊。其采用大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，實(shí)時(shí)評(píng)估線路健康狀態(tài)并預(yù)測(cè)潛在故障。③監(jiān)控報(bào)警模塊。其通過(guò)可視化界面展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，并基于規(guī)則的專(zhuān)家系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，通知運(yùn)維人員及時(shí)處置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸配電線路的全周期管理和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

2.2系統(tǒng)功能模塊與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.2.1數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊

數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊處于系統(tǒng)的前端，承擔(dān)著獲取線路狀態(tài)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳的關(guān)鍵任務(wù)。該模塊采用了SG-DL200 型多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)單元，集成了電流、電壓、溫度等多種傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)線路關(guān)鍵參數(shù)的高精度采集。監(jiān)測(cè)單元通過(guò)RS-485接口與5G工業(yè)路由器連接，將采集的數(shù)據(jù)封裝為Modbus TCP 報(bào)文后，利用5G 網(wǎng)絡(luò)的eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）能力，以高達(dá)1 Gbps的速率實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)服務(wù)器。傳輸過(guò)程中，采用了基于SSL/TLS 的安全傳輸協(xié)議，保障了數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。同時(shí)，為適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的傳輸需求，系統(tǒng)還引入了自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)，根據(jù)信道狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼率和調(diào)制階數(shù)，以保證傳輸?shù)目煽啃?。其中，編碼率R 與信噪比γ 的關(guān)系可表示為：

R=log₂（1+γ）

式中，R的單位為bps/Hz。通過(guò)該公式，可計(jì)算出不同信噪比下的最大傳輸速率，從而為自適應(yīng)編碼調(diào)制提供依據(jù)。

2.2.2數(shù)據(jù)處理分析模塊

數(shù)據(jù)處理分析模塊接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和智能分析。該模塊采用了基于Apache Spark 的分布式計(jì)算框架，可實(shí)現(xiàn)TB 級(jí)數(shù)據(jù)的高效處理。同時(shí)，引入了LSTM（長(zhǎng)短期記憶）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，構(gòu)建了輸配電線路狀態(tài)評(píng)估模型。模型通過(guò)對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，學(xué)習(xí)線路正常和異常狀態(tài)下的特征模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)估和預(yù)測(cè)。在模型訓(xùn)練過(guò)程中，采用了Adam 優(yōu)化算法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，加速了模型收斂。其中，Adam 算法的參數(shù)更新公式如下：

通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整學(xué)習(xí)率，Adam 算法在訓(xùn)練后期可實(shí)現(xiàn)精細(xì)的參數(shù)搜索，提升了模型的泛化能力。

數(shù)據(jù)處理分析模塊的技術(shù)實(shí)施流程如下：① Spark 集群從HDFS分布式文件系統(tǒng)中讀取歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和特征工程；②將處理后的數(shù)據(jù)輸入LSTM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到線路狀態(tài)評(píng)估模型；③實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)特征提取后，輸入訓(xùn)練好的模型進(jìn)行推理，得到線路的健康狀態(tài)評(píng)分和潛在故障預(yù)警。通過(guò)該模塊的智能分析，可為運(yùn)維人員提供決策依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸配電線路的全周期管理和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

2.2.3監(jiān)控報(bào)警模塊

監(jiān)控報(bào)警模塊直接面向終端用戶，承擔(dān)著可視化監(jiān)控和智能報(bào)警的關(guān)鍵任務(wù)，該模塊采用了基于B/S 架構(gòu)的設(shè)計(jì)，前端使用Vue.js 框架實(shí)現(xiàn)，后端則基于Spring Boot 框架構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的Web 訪問(wèn)能力。通過(guò)采用響應(yīng)式設(shè)計(jì)，使得前端界面可自適應(yīng)PC、平板、手機(jī)等多種終端設(shè)備。在前后端通信方面，監(jiān)控報(bào)警模塊利用了WebSocket 技術(shù)，確保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和低時(shí)延顯示。同時(shí)，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的交互性和可讀性，引入了ECharts 數(shù)據(jù)可視化庫(kù)，提供了豐富多樣的圖表組件，包括折線圖、儀表盤(pán)等，使得輸配電線路的運(yùn)行狀態(tài)能夠以直觀、清晰的方式呈現(xiàn)給用戶。

在智能報(bào)警方面，該模塊采用了基于規(guī)則的專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)。通過(guò)綜合分析數(shù)據(jù)處理模塊輸出的線路健康評(píng)分和故障預(yù)警信息，系統(tǒng)可自動(dòng)觸發(fā)預(yù)設(shè)的報(bào)警策略。報(bào)警信息可通過(guò)多種渠道實(shí)時(shí)推送給值班人員，如彈窗提示、語(yǔ)音播報(bào)、短信通知等。報(bào)警策略的觸發(fā)閾值支持靈活配置，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)報(bào)警等級(jí)的精細(xì)化管理。

ω=2π f

式中，ω為角頻率；f為信號(hào)頻率，Hz。

該公式描述了信號(hào)的頻域特性，在監(jiān)控報(bào)警模塊中，可用于對(duì)輸配電線路的電壓、電流等信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路異常狀態(tài)的精準(zhǔn)判斷。

監(jiān)控報(bào)警模塊的技術(shù)實(shí)施流程如下：①后端服務(wù)從數(shù)據(jù)處理分析模塊獲取實(shí)時(shí)和歷史的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果；②通過(guò)WebSocket 實(shí)時(shí)推送給前端界面進(jìn)行可視化展示，并將數(shù)據(jù)持久化存儲(chǔ)至MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)中；③報(bào)警模塊加載預(yù)設(shè)的報(bào)警策略，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流進(jìn)行規(guī)則匹配，在觸發(fā)閾值時(shí)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，通知相關(guān)人員及時(shí)處置。

3系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)證研究

3.1試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證文章所設(shè)計(jì)的基于5G 通信的輸配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，開(kāi)展了系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)證研究。試驗(yàn)在某市郊區(qū)的10 kV 輸配電線路上進(jìn)行，選取了20 km 長(zhǎng)的典型線路段作為測(cè)試對(duì)象。采用SG-DL200 型多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)單元，對(duì)線路的電流、電壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集，采樣頻率設(shè)置為2 kHz。監(jiān)測(cè)單元通過(guò)RS-485 接口與華為5G CPE Pro工業(yè)路由器相連，將采集數(shù)據(jù)以500 ms 為周期上傳至后臺(tái)服務(wù)器。服務(wù)器端采用了Dell PowerEdgeR740機(jī)架式服務(wù)器，配置為2 路Intel Xeon Gold 6242處理器，256GB 內(nèi)存，4TB SSD 存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)處理分析模塊基于Apache Spark 3.0.1 構(gòu)建，采用5 個(gè)worker節(jié)點(diǎn)，每節(jié)點(diǎn)配置8 核16 GB 內(nèi)存。系統(tǒng)測(cè)試分為試驗(yàn)室功能測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試兩個(gè)階段。試驗(yàn)室功能測(cè)試主要關(guān)注系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和報(bào)警響應(yīng)時(shí)間，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)量為1 TB、2 TB、4 TB 3 種場(chǎng)景，評(píng)估系統(tǒng)吞吐量和延遲性能。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試重點(diǎn)考察系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性，連續(xù)運(yùn)行測(cè)試72 h，記錄系統(tǒng)的資源占用和故障恢復(fù)情況。

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)上述試驗(yàn)方案的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和討論，表1 給出了試驗(yàn)室功能測(cè)試階段的系統(tǒng)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)。從表1 中可以看出，在1 TB、2 TB、4 TB 3 種數(shù)據(jù)量場(chǎng)景下，系統(tǒng)的平均吞吐量分別達(dá)到了314.2 MB/s、289.6 MB/s 和261.9 MB/s，展現(xiàn)出了良好的數(shù)據(jù)處理能力。同時(shí)，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間的中位數(shù)分別為1.46 s、2.02 s 和2.78 s，滿足了輸配電線路在線監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性需求。即使在4 TB 的海量數(shù)據(jù)場(chǎng)景下，99% 的響應(yīng)時(shí)間也控制在3.45 s 以內(nèi)，充分說(shuō)明了系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性和并行處理能力。

表2數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)在長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行下，資源消耗保持在合理水平，未出現(xiàn)異常抖動(dòng)或累積膨脹等問(wèn)題。此外，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間共發(fā)生3 次網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)和兩次單機(jī)故障，系統(tǒng)均在1.2s 內(nèi)完成故障檢測(cè)和自動(dòng)切換，業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)4.7 s，保障了監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

4結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)的基于5G 通信的輸配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，很好地解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案中存在的諸多不足。系統(tǒng)集成了5G 無(wú)線傳輸、邊緣計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了線路關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)感知、快速分析與智能決策。從系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)來(lái)看，無(wú)論是數(shù)據(jù)處理能力、報(bào)警時(shí)效性，還是資源利用效率、容錯(cuò)恢復(fù)能力，都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足了輸配電線路在線監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。未來(lái)，隨著5G 和人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，輸配電線路的監(jiān)測(cè)運(yùn)維模式勢(shì)必迎來(lái)智能化變革。