基于傳感器技術的電網監控與管理研究

巨朋真，李軍丹

（鄭州工業應用技術學院，河南 鄭州 451150）

0 引 言

近年來，隨著電力系統規模的不斷擴大和電網復雜性的不斷增加，對電網的監控與管理需求日益迫切。為了實現電網的高效、智能和可持續管理，傳感器作為先進的信息采集和處理工具被廣泛應用于電網監控與管理領域[1,2]。在電力系統中，傳感器被廣泛應用于電網設備的狀態監測、故障診斷、能源管理、負荷預測以及電力質量監測等方面，為電網運行優化和電力管理決策提供了強大的技術支持[3,4]。如何充分利用傳感器技術的優勢，解決電網監控與管理中存在的技術、經濟、安全及隱私等問題，成為當前電力領域研究的熱點和難點。因此，基于傳感器技術的電網監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的電網監控與管理研究進行進一步拓展，提出了一種新的設計方案。

1 系統設計

基于傳感器技術的智能電網監測系統包括數據采集層、數據傳輸層和數據應用層3 個層級。其中，數據采集層包括ZigBee 終端節點，即各種傳感器，如傾斜傳感器、風速風向傳感器、溫濕度傳感器及光照傳感器[5,6]；數據傳輸層包括ZigBee 協調器和通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）[7]；數據應用層包括Internet、服務器、遠程客戶端。基于傳感器技術的智能電網監控與管理系統架構如圖1 所示。

圖1 基于傳感器技術的智能電網監控與管理系統架構

數據采集層是系統的底層，負責實時采集電網的各種參數信息。在該系統中，數據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，負責采集電網的各種數據，如電網的傾斜度、風速、風向、溫濕度及光照強度等。

數據傳輸層負責將采集到的數據從數據采集層傳輸到數據應用層進行處理和管理。在該系統中，數據傳輸層包括ZigBee 協調器和GPRS。ZigBee 協調器負責與數據采集層中的ZigBee 終端節點建立無線通信連接，將采集到的數據通過無線傳輸方式傳輸到數據應用層。同時，GPRS 作為一種通信方式，可用于遠程傳輸數據，特別適用于沒有無線傳輸網絡覆蓋的地區。

數據應用層是系統的頂層，負責處理、分析和管理數據采集層傳輸過來的數據，為電網管理人員提供實時的監測和決策支持。在該系統中，數據應用層包括Internet、服務器和遠程客戶端。Internet 作為數據傳輸的媒介，將采集到的數據傳輸到服務器；服務器負責對傳輸過來的數據進行存儲、處理和分析，運行各種算法和模型，提取有價值的信息，并生成監測報告和決策建議；遠程客戶端是電網管理人員使用的用戶界面，通過遠程客戶端可以實時監測電網的狀態、查看報警信息、查看歷史數據以及進行遠程控制等。

2 傳感器網絡架構

傳感器技術在電網監控與管理系統中的應用可以為電網運維人員提供實時的監測和預警信息，從而實現對電網運行狀態的智能管理和優化。文章聚焦于傳感器技術在微氣象監測、圖像/視頻監控、桿塔傾斜監測、微風振動監測等方面的應用展開研究。傳感器網絡的組網方式如圖2 所示，采用了ZigBee 協議作為通信標準，主要包括ZigBee 監測節點（傳感器節點）、通信子站、交換機和光纖復合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPWG）光纖網絡。傳感器節點是部署在電網設備周邊的傳感器，負責實時采集電網設備周邊的環境和設備狀態信息，如圖像、視頻、溫度及濕度等。傳感器節點通過ZigBee無線通信協議將采集到的數據傳輸給通信子站。通信子站是一個集中式的數據匯聚節點，負責接收來自多個傳感器節點的數據。通信子站使用ZigBee 通信模塊與傳感器節點通信，并通過本地連接或者無線連接將采集到的數據傳輸給交換機。交換機是負責實現數據傳輸的網絡設備，將來自通信子站的數據通過有線或者無線方式傳輸到OPWG 光纖網絡。交換機負責將多個傳感器節點的數據進行匯聚和轉發，確保數據能夠順利傳輸到數據應用層。

圖2 傳感器網絡的組網方式

2.1 微氣象監測

微氣象監測是電網監控與管理中的一項重要任務，實時監測和預測電網周邊氣象條件，為電網運維人員提供實時的氣象信息，以便及時采取措施應對極端氣象狀況。本系統通過安裝在電網設備周邊的傳感器，如溫濕度傳感器、風速風向傳感器、光照傳感器，實時監測周邊的氣象參數，包括溫度、濕度、風速、風向及光照強度等。另外，基于實時的氣象監測數據，當監測到極端氣象條件時，如高溫、低溫、高濕度及大風等，系統會自動觸發預警和報警，通知電網運維人員及時采取措施，確保電網設備的安全運行。

微氣象監測的核心元器件如表1 所示。這些傳感器通過與電網設備連接或固定在電網設備周邊，可以實時采集氣象參數的數據，并將數據傳輸到數據采集層進行處理和分析。

表1 微氣象監測的主要傳感器

2.2 圖像/視頻監控

圖像/視頻監控在智能電網監測系統中起著重要作用，可以實時監測和遠程觀察電網設備周邊環境和設備狀態，從而提升電網的安全性和運維效率。圖像/視頻監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生，如火災、泄漏、設備損壞等，及時發出警報，以便及時采取措施應對異常情況；二是電網運維人員可以遠程觀察電網設備周邊的實時情況，包括設備狀態、環境條件等，從而及時判斷設備是否正常運行，做出相應的決策和調度；三是將采集到的圖像/視頻數據進行存儲和分析，用于后續的數據挖掘、故障診斷和運維優化。

圖像/視頻監控系統的核心元器件主要包括圖像/視頻傳感器、圖像/視頻存儲設備。這些元器件通過與電網設備連接或固定在電網設備周邊，實時采集圖像/視頻數據，并將數據傳輸到數據采集層進行處理和分析。

2.3 桿塔傾斜監測

桿塔傾斜監測系統是一種用于實時監測電力輸電線路桿塔傾斜情況的監測系統。其主要作用是通過實時檢測桿塔的傾斜角度，及時發現和預警桿塔傾斜超過安全范圍，以避免桿塔傾斜導致的電力線路事故，保障電網的安全穩定運行。

桿塔傾斜監測系統的核心元器件包括傾斜傳感器、數據采集器和通信模塊。傾斜傳感器負責實時測量桿塔的傾斜角度，并將測量數據傳輸給數據采集器。數據采集器負責將傳感器采集到的數據進行采集和預處理。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對桿塔的實時監測；其次，傳感器采集到的傾斜角度數據通過數據采集器進行采集和處理；最后，通過通信模塊將數據傳輸到數據處理分析單元，供電網運維人員參考，從而及時發現和處理桿塔傾斜超過安全范圍的情況，保障電網的安全運行。

2.4 微風振動監測

微風振動監測系統的核心元器件包括加速度傳感器和數據采集器。加速度傳感器負責實時測量高空線路結構在微風環境下的振動情況，并將測量數據傳輸給數據采集器。數據采集器負責將傳感器采集到的數據進行采集和預處理，并通過通信模塊將數據傳輸到數據處理分析部分。其工作方式如下：首先，加速度傳感器安裝在高空線路結構上，通過測量結構的振動加速度數據實現微風振動的實時監測；其次，傳感器采集到的振動加速度數據通過數據采集器進行采集和處理；最后，通過通信模塊將數據傳輸到數據處理分析單元。

3 系統分析

通過對該監控與管理系統的性能做理論上的評估，本系統具有以下特點。一是實時監測，該系統通過傳感器節點實時采集多種電網參數數據，實現電網狀態的實時監測，有助于及時掌握電網運行情況；二是多層級數據傳輸，系統采用數據采集層、數據傳輸層和數據應用層架構，通過ZigBee 協調器、GPRS 和光纖網絡等方式實現了多層級的數據傳輸，確保了數據的高效、穩定傳輸；三是多功能監測，系統涵蓋了多種電網參數的監測，包括微氣象參數、桿塔傾斜、風速風向、溫濕度以及光照等，能夠全面了解電網運行狀態和環境情況，有助于提前發現潛在的問題，并采取措施進行處理，保障電網的安全運行；四是數據集成與管理，系統通過服務器和遠程客戶端實現了數據的集成和管理，對采集到的數據進行處理、存儲和分析，為電網管理者提供科學依據，支持決策和管理。

然而，該系統還存在以下不足之處。一是成本較高，系統中涉及到多種傳感器節點、數據傳輸設備和服務器等，成本較高，對于一些資金有限的電網管理單位可能面臨一定的經濟壓力；二是數據處理復雜，系統采集到的數據較為復雜，包括多種傳感器參數和大量實時數據，需要進行數據處理、存儲和分析，對數據處理和管理的要求較高，需要一定的技術支持和專業人員進行操作和維護；三是系統部署復雜，系統涉及多個傳感器節點的部署、數據傳輸設備的安裝和配置，需要一定的工程實施和維護，部署過程較為復雜，需要充分考慮實際場景和環境，確保系統的正常運行。

4 結 論

本研究選擇了多種傳感器實現對電網運行狀態和環境情況的實時監測。通過數據采集層、數據傳輸層和數據應用層實現了多層級的數據傳輸，確保了數據的高效、穩定傳輸，同時通過服務器和遠程客戶端的數據集成與管理，對采集到的數據進行處理、存儲和分析。經評估，該系統具有實時監測、多功能監測等優點，但也存在成本較高、數據處理復雜、系統部署復雜等缺點。未來可以進一步優化系統性能、降低成本，并探索其他新型傳感器技術的應用，為智能電網的應用提供更多參考。