基于物聯(lián)網(wǎng)的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

摘 要：為了滿足智能電網(wǎng)建設(shè)中對輸電線路狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測的需求，采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、PON技術(shù)及模糊專家診斷技術(shù)的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。通過大量的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試點(diǎn)，獲得了較為理想的結(jié)果，能夠?qū)崟r獲得輸電線路的狀態(tài)，并做出精確的判斷。驗(yàn)證了系統(tǒng)的精確性、可實(shí)施性，具有狀態(tài)信息采集全面、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、輸出精度高、部署簡單等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：PON技術(shù)； 物聯(lián)網(wǎng)； 模糊層次法； 智能電網(wǎng)； 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測

0 引 言

2009年，國家電網(wǎng)公司提出了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的概念。堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺為支撐，具有信息化、自動化、互動化特征，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級，實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”高度一體化融合的現(xiàn)代電網(wǎng)。其中輸電環(huán)節(jié)在電網(wǎng)建設(shè)中顯得尤為重要。保證輸電線路的正常、穩(wěn)定的工作是電網(wǎng)正常運(yùn)行的必要條件。傳統(tǒng)的線路檢修方式主要是事后檢修、定期檢修，這種方式早已不能滿足智能電網(wǎng)建設(shè)的需求，迫切地需要一套系統(tǒng)：能夠?qū)崟r地了解線路狀況，并能做出正確的處理，即輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及到的主要有三個部分，即：前端的信息采集；監(jiān)測信息的傳輸；信息的處理及故障診斷。提取線路中重要的特征向量，通過通信網(wǎng)絡(luò)層傳輸至控制臺，控制中心通過智能模型判斷出線路的當(dāng)前狀態(tài)，輸出對應(yīng)的處理方式，再傳達(dá)到相關(guān)部門實(shí)施[1]。

1 關(guān)鍵技術(shù)簡介

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過射頻識別（RFID）、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把所有物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。作為新一代信息通信技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展引起了廣泛關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展已被納入國家戰(zhàn)略，國家科技部、工業(yè)與信息化部等部委先后在多項(xiàng)國家重大科技專項(xiàng)中設(shè)立課題支持物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化[2]。

1.2 PON技術(shù)

PON（Passive Optical Network，無源光纖網(wǎng)絡(luò)）是指光配線網(wǎng)中不含有任何電子器件及電子電源，ODN全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成。目前PON技術(shù)的主流是EPON和GPON技術(shù)。EPON組網(wǎng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面：

（1） 傳輸頻帶寬，通信容量大，多業(yè)務(wù)接入能力強(qiáng)。

（2） 組網(wǎng)靈活，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可支持樹型、星型、總線型、冗余型、混合型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，非常適合配電網(wǎng)的樹形或總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（3） 光分支器為無源器件，設(shè)備的使用壽命長，維護(hù)簡單，網(wǎng)絡(luò)中的任何1臺ONU故障都不會影響其他設(shè)備的正常工作。

（4） 安裝方便。OLT一般為機(jī)架型，可以上機(jī)架安裝；ONU可以設(shè)計成工業(yè)級模塊，便于安裝到室外的設(shè)備箱里。

（5） OLT和ONU提供以太網(wǎng)接入交換功能，并且可以支持SNMP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。

（6） 傳輸過程損耗小，無需中繼設(shè)備，傳輸距離遠(yuǎn)，最大可達(dá)20 km左右。

（7） 安全性強(qiáng)，不易被竊聽和干擾，適合變電站或配電變壓器附近電磁環(huán)境復(fù)雜的場合。

1.3 模糊診斷專家系統(tǒng)

在輸電線路系統(tǒng)診斷中存在許多邊界不分明的事情，不能再用經(jīng)典集合論中的二值邏輯關(guān)系來描述，必須用模糊集合論中的“隸屬度”來描述。根據(jù)征兆對故障的肯定和否定程度，可以建立模糊篩選矩陣，建立故障診斷的數(shù)學(xué)模型；利用模糊篩選矩陣可以反映故障存在的充分條件，可以考慮不同征兆之間的相互影響，能夠?qū)收想`屬度進(jìn)行精確計算。但涉及的故障和征兆數(shù)目太多時，就可能難以分辨征兆之間的相互作用，且模糊篩選矩陣一般是根據(jù)機(jī)組故障的典型情況建立的，一旦確定后不能根據(jù)故障的具體情況靈活地進(jìn)行調(diào)整。由于故障和征兆表現(xiàn)的多樣性，必須根據(jù)機(jī)組的不同狀態(tài)和故障可能表現(xiàn)的形式對模糊篩選矩陣進(jìn)行修正。

2 研究現(xiàn)狀

輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)是指直接安裝在線路設(shè)備上可實(shí)時記錄表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征量的測量系統(tǒng)及技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)檢修的重要手段，狀態(tài)檢修的實(shí)現(xiàn)與否很大程度取決于在線監(jiān)測技術(shù)的成功與否。國外較早開展了輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)的研究，并將自己國家成熟或試運(yùn)行的各類在線監(jiān)測設(shè)備推向中國市場，而國內(nèi)有能力從事這項(xiàng)技術(shù)研發(fā)的高等院校及科研院所由于缺乏市場能力和足夠的資金，無法將研制的成果批量產(chǎn)業(yè)化，導(dǎo)致我國目前成為全球輸電線路在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)需求最大的市場[3]。最近幾年，隨著高新技術(shù)企業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)出現(xiàn)了一些專業(yè)的在線監(jiān)測技術(shù)生產(chǎn)廠家，他們在積極學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)的同時，立足我國電力國情，開發(fā)了一系列輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)，有效提高了現(xiàn)有輸電線路的運(yùn)行安全水平[4]。

3 本系統(tǒng)的構(gòu)成及應(yīng)用

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)如圖1所示。在輸電電路部分，包括桿塔及輸電線上裝備智能傳感器，這些智能傳感器分別采集線路上的設(shè)備信息及周圍環(huán)境的微氣象信息，這些信息包括：線路覆冰、絕緣子污穢、線路舞動、溫度、濕度等信息，并將這些信息通過短距離無線通信的方式（ZigBee/WIFI等）匯聚到狀態(tài)監(jiān)測代理，然后通過光纖將信息匯聚到變電站中的OLT，然后通過電力專用網(wǎng)絡(luò)傳遞給遠(yuǎn)端控制中心，通過專家診斷系統(tǒng)，對線路的當(dāng)前狀態(tài)做出正確的判斷，并將結(jié)果輸出到相應(yīng)部門，以便及時應(yīng)對，避免事故的發(fā)生[5]。

3.1 感知層

采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由大量具有感知、計算及無線通信能力的微小節(jié)點(diǎn)組成，其目的是監(jiān)視環(huán)境而非通信。傳感器節(jié)點(diǎn)部署在要監(jiān)視的區(qū)域中，采集指定的環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)供分析。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢：通過在物理環(huán)境中部署大量廉價的智能傳感器節(jié)點(diǎn)，可以獲得長時間、近距離、高分辨率的環(huán)境數(shù)據(jù)，這是傳統(tǒng)監(jiān)視設(shè)備無法得到的；傳感器節(jié)點(diǎn)的計算和存儲能力允許節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)壓縮等操作，也可以執(zhí)行一些應(yīng)用特定的處理任務(wù)；節(jié)點(diǎn)之間的通信能力允許節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同完成更復(fù)雜的任務(wù)，如目標(biāo)跟蹤；通過任務(wù)的重新分配可以改變傳感器網(wǎng)絡(luò)的用途。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要解決的問題：網(wǎng)絡(luò)的自組織、自配置（節(jié)點(diǎn)定位、時間同步、自動校準(zhǔn)、拓?fù)淇刂频龋煌ㄐ艆f(xié)議（MAC、路由協(xié)議）；分布式數(shù)據(jù)管理（數(shù)據(jù)采集、存儲、查詢、獲取等）；各種應(yīng)用特定的數(shù)據(jù)融合處理；節(jié)省能耗應(yīng)貫穿到所有的設(shè)計中。設(shè)計系統(tǒng)時主要考慮如下問題：干擾、供電、傳輸距離等問題[6]。

系統(tǒng)中將無線智能傳感器布置于輸電線路和桿塔上，用于檢測線路和周圍的環(huán)境，并將采集到的信息匯總到狀態(tài)監(jiān)測代理裝置。傳感器裝置和狀態(tài)監(jiān)測代理裝置間通過ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信[7]，如圖2所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的功能主要是將感知層采集到信息傳輸?shù)綉?yīng)用層[8]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要是基于無線公網(wǎng)即GPRS、3G網(wǎng)絡(luò)等，但是速率和帶寬都受到限制，很難滿足智能電網(wǎng)中大量數(shù)據(jù)的傳輸要求。目前，隨著OPGW（架空地線復(fù)合光纜）在輸電線路中的建設(shè)，使得通過光纖通信變成了現(xiàn)實(shí)。光通信中較為成熟和可行的方案是PON技術(shù)[9]。本系統(tǒng)中正是采用了EPON技術(shù)來傳輸實(shí)時監(jiān)測所采集的數(shù)據(jù)。PON主要是由三部分組成，即：OLT、ODN和ONU。OLT設(shè)備在系統(tǒng)中布置于變電站中，ODN和ONU布置于線路的桿塔上。本系統(tǒng)中的ONU是由狀態(tài)監(jiān)測代理裝置實(shí)現(xiàn)，同時它還完成了智能傳感器信息的收集、匯聚。狀態(tài)監(jiān)測代理裝置和智能傳感器之間的通信是通過無線，可選用ZigBee或WIFI。同時考慮到現(xiàn)場環(huán)境及取電難的情況，要求狀態(tài)監(jiān)測代理裝置必須能適應(yīng)于野外工作，且功耗低，一般要求功耗低于5 W，供電方式采用太陽能板供電，同時還要有蓄電池儲能，以防遇到長時間陰雨天氣。數(shù)據(jù)通信架構(gòu)如圖3所示。