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基于物联网的架空输电线路灾害监测预警技术的研究

杨楠　胡智　郭太平
【摘 要】针对架空输电线路经过的区域环境复杂，监控策略单一，通讯困难，耗费大量的人力物力等问题，运用物联网低功耗、低成本、多传感器等诸多优势，结合目前的输电线路监测系统中的温度与湿度、覆冰、倾斜、气象等传感器和监测设备，凭借物联网的优势，从物联网的整体架构、网络组成以及预警策略等方面，提出了基于物联网的架空输电线路监测预警系统。
【关键词】物联网；输电线路；无线通信；网络架构
0 引言
架空输电线路是电力系统输送电能的关键设施，因为架空输电线路一般长达几十米甚至几百千米，并且架设在相对复杂的环境中，主要有自然灾害，如：大风，雨雪，冰冻等；其次是人为损坏，如：盗窃，树木生长等不可控因素的影响，据统计，在电网停电事故中，线路事故占主要原因，输电的安全性往往会受到一定的威胁。因此，对架空输电线路的安全运行进行实时在线监测是十分必要的。因为输电线路经过的区域环境相对复杂，所以给输电线路的通讯造成一定的阻碍。现阶段，GPRS、CDMA、OPGW、3G等方式是应用于输电线路在线监测的主要通信方式，但是这些通信技术在某些方面仍有一定的欠缺性，例如它无法覆盖到输电线路的全程，偶尔会出现信号不稳定的现象，所以，这就可能导致在线监测系统无法正常工作，不能保证架空输电线路在线监测设备数据的可靠性传输。
1 物联网系统的体系架构
物联网是由各种智能设备，如射频识别（RFID）、红外传感器、无线传感器网络（WSN）、全球定位系统（GPS）、激光扫描仪和具有互联网意识、能识别物理世界的仪器构成。物联网技术利用互联网和电信网络，让人与物之间得到信息交换（如安全控制、安全监测、数据采集、交互等），从而实现对各种智能设备的管控实时性、管理精准性以及进行辅助分析决策等。智能电网的大部分数据的感知范围可以大大提高，从而支持智能电网系统的信息流，业务流和功率流的集成。
物联网的系统共可以分为三个层次：最底层为感知层、其次是网络层和应用层。如图1所示。
图1 物联网的体系架构
多传感器、多维编码和阅读器组成了感知层。如：RFID标签和阅读器、摄像机、无线传感器网络、GPS终端、有线传感器网络，机器对机器（M2M）终端、传感器网关等。感知层又分为两层：感知管制层和通信扩展层。感知控制层处理物理世界的智能感知，包含数据辨别、信息获取、解决和主动控制等功能。在通信扩展层的通信模块的帮助下，各种智能设备可以连接到网络层和应用层。
网络层由各种电信网和核心网组成。电信网络通常被认为是接入网，而信息传输、路由和控制通常在核心网络中实现。网络层的概念由于其成熟的技术已经被广泛接受。此外，物联网管理中心和信息中心属于网络层。这一事实意味着网络操作和信息操作都可以在网络层上实现。
应用层是将物联网技术应用于各行各业中。这其中包含物联网的各种基础设备，如安装于输电线路上的众多传感器设备以及网络传输设备。并且应用层也实现了各行业与物联网技术的充分联合，它的关键功能在于信息的安全与共享。
2 基于物联网技术的架空输电线路监测预警的网络架构
首先是传感网络层，传感网络层由众多的传感器组成，而这些众多的传感器可以被认为是物理世界的“感觉器官”，并提供原始信息的处理、传递、分析与反馈。传感器主要布置在输电线路的杆塔上，用来监测输电杆塔的倾斜，导线的舞动，风偏，导线覆冰，导体温度以及微气象等方面的信息。由于输电线路需要监测的信息量相对较大，并且周围环境复杂，不利于大量信息的直接传输，所以，这就需要在一定的区域内组成多个小型的传感器组网，再通过汇聚节点来集合这些组网的数据，进行总体传输。所以底层的传感网络也具有不同环境下的感知，收集和抗干扰的功能。
其次是移动网络层，移动网络层的主要功能在于对底层传感网络所收集的大量信息进行汇聚、融合与传输，根据需要传输的范围，可分为短距离传输和广域通信传输。在汇聚处理信息的同时，为保证信息收集的效率，运用数据融合技术，更有效的将有用的信息结合起来。所以，移动网络通信层在一定程度上，加强了网络传输的范围以及提升了信息传输的时效性。
最后是IP网络通信层，基于IP互联网络，通过卫星通讯，可以实现远距离的信息传输。这就可以实现将底层传感网的大量监测信息传输到监控中心的数据库中，同是也实现了信息的不同机器间识别传输和信息交换。从而也使工作人员能够实时掌握远在几十或几百公里之外的输电线路的监测信息。如图2所示
3 基于物联网技术的架空线路监测预警系统
目前，一些输电线路的监测系统已投入使用。这些系统通常使用如3G或无线公共网络经过每个传感器将数据进行传输，但也存在一些问题，如运行维护费用高，网络覆盖率低，数据传输率低，复杂网络维护，这都将制约输电线路监控系统的发展，阻碍输电效率的提高，并且对输电线路巡视的进展造成影响。利用物联网技术，将多传感器部署在架空输电线路上，对导体无线传感器驰振，微气象，风振，导体结冰和导体温度进行监控，从而完成对电力线的实时在线监测。
主站系统可以通过无线网络与电力光纤网络或无线宽带网络传输数据。基于物联网的电力线在线监测系统可以通过多跳中继通信网络和协议进一步传输信息，保证大跨度、远距离输电设施的有效信息传输。根据不同的电力线应用场景，系统的网络拓扑（下转第123页）（上接第167页）可以是集群链类型，其中多个集群网络形成一个链式网络覆盖输电线路骨干节点部署在输电塔收集数据，可采用无线传输和光纤通信结合的方式，无线传输可釆用WiFi、ZigBee、McWiLL、WiMAX等以摆脱对公网的依赖，光纤通信中可采用先进的ASON、ESON等光纤接入技术提高系统性能以利于信息的快速、安全传输。输电线路监控系统通过信息管理系统实现实时监控、信息显示、统计分析。可以直观地显示电力传输设施的状态。操作人员可以根据信息管理系统的分析结果进行决策和发布命令，以便尽早发现或排除隐患，确保可靠输变电设施运行。如图3所示。
基于物聯网先进的监测技术、通讯技术、信息技术和控制技术，丰富当前输电线路监测预警手段，扩展监测预警技术涵盖领域，是架空输电线路体系“监测-预警-预控”的关键节点技术，将在构建具有“信息多源化、诊断智能化、运维高效化”的输电线路通道，实现架空输电线路灾害的状态监测、安全评估、灾害预警、风险控制和信息管理的智能化目标方面发挥重要作用。
【参考文献】
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[责任编辑：朱丽娜]

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