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输变电物联网的通信网络结构拓扑分析

摘要：随着科技的不断发展，人类生产方式水平的不断地提高，人们对于生活的幸福度指数也在慢慢提升。电力是人们生活中的必需品，为了满足人民需求，电网的规模也越来越大，很多行业在进行生产加工和日常生活中都依赖电力。电力的传输依靠电网，运输过程中需要进行多次电压转换，而电压转换则需要用输变电设备。输变电设备的质量也随科技发展而不断更新，目前对于输变电设备的状态风险监控和评估是重点。
关键词：通信网络，分布式结构，异构冗余。
引言
分析输变电设备状态对于确保电网正常运行有重要意义，研究内容包括电气信息、绝缘信息、机械信息和化学信息。目前，相关学者对于输变电设备现场状态监测进行了大量研究，并且根据研究特性将监测分为绝缘在线监测、GIS局放在线监测、变压器油色谱在线监测。上述监测方法主要是针对电网的局部特征进行监测，利用能量管理分析电网所运行的各种信息，在确定电网各项设备的技术参数后，得到检修测试报告，从而为状态监测提供支持。
1输变电设备监测物联网技术
物联网概念是由国际电信联盟提出，是在互联网出现后的信息技术浪潮，其技术核心包括智能嵌入技术、传感器技术等。物联网定义连接任意物品，通过射频识别、红外感应器等新消息传感器设备采集物品信息，实现信息交互，完成智能化识别跟踪管理的网络。物联网重要应用形式包括M2M与CPS。物联网体系结构分为感知层、应用层与网络层。物联网具有全面感知，智能管理等基本特征。输变电设备无线检测需利用信息技术、计算机技术等相关技术，对电气设备进行电力等特性分析，对信息处理机相关参数进行采集，分析无线评估状态，将变化趋势作为判断，必要时需提供报警信息。国内外学界对输变电设备无线检测技术进行研究，国内研究经历带电研究等多个阶段，我国无线监测技术为拉力、雷电流等相关技术，输变电无线监测技术逐渐得到重视，设备绝缘机械状态技术发达，包括设备开关等。一些地区建立全站设备多参数的监测系统，目前输变电无线监测技术存在设备需要更新，需建立完善的无线监测体系，建立标准化监测系统。
2输变电设备物联网通信网络结构
2.1数据通信协议
配电房空间局部放电监测装置采用输变电设备物联网节点协议及ModBus两种通信协议｡基于输变电设备物联网节点协议的数据报文结构完全按照其定义的数据规范组成,为依据标准格式的公有协议｡报文使用数据帧模式,一个完整的报文包括传感器ID､参量个数､分片指示､报文类型､报文内容及校验位｡其中,传感器ID是传感器唯一标识,由厂商代码､版本标签､版本号及产品序列号组成;参量个数用于标识传感器所采集的参量数量;分片指示用于标识传感器数据是否采用分片方式传输;报文类型用于标识数据帧的功能类型;报文内容用于标识传感器采集的数据及相关控制参数;校验位通过CRC16校验算法换算得出,用于校验数据传输过程中是否产生错误｡传感器ID为自定义项,共传输最大放电量､放电次数及放电类型3个参量,未采用分片传输方式,报文类型为监测数据报文,报文内容为“最大放电量-70.26dBm､放电次数14次､放电类型为正常”｡该控制系统采用那智工业机器人,模仿人的手臂,按照设定的工艺路径等参数进行物件的抓取､搬运及清扫等动作,是目前工业自动化生产中常用的设备之一｡工业机器人自动上下料控制系统应用在汽车零部件转向节加工生产线中,通过PLC控制工业机器人的动作,实现2台机床的自动上下料作业流程｡工业机器人可快速准确地高精度重复定位,长时间工作,环境适应性好,可以极大地提高生产效率｡目前,基于PLC的工业机器人自动上下料生产线已经在生产车间安装2条,且已正常运行半年,第3条正在安装｡
2.2故障诊断方案设计
在该文设计的方案中，将BP神经网络数据模型融合行波定位方法实现输变电的数据分析和位置定位。采用BP神经网络模型相比于其他先进的神经网络模型的优势在于，从输入到输出都具有非常强的非线性映射能力，以任意精度逼近任何非线性连续函数，使得用户根据训练的数据按照误差逆传播算法反复进行训练，通过多层前馈网络逐步逼近，具有较强的自学习和自适应能力，能够提高输变电设备数据模型的精度。采用行波定位方法的优势在于，实现的方法简单，应用成本低、方法灵活。在定位过程中，实现的效率和精度都很高，有利于用户实现输变电设备的快速诊断。通过结合行波定位方法和BP神经网络模型，实现对输变电设备中故障数据的提取、融合、分析和计算，通过行波定位方法能够使用户实时地获取电力配电网中输变电设备的运行情况，使用户基于得到的电力配电网记录的波形情况，准确、快速地找到电网系统中发生故障的位置点。再利用BP神经网络模型算法进一步对定位后的数据进行更精确地学习和训练，对定位后的数据进行进一步的优化，大大降低了误差率，为输变电提升工作效率、推动电网系统的稳定运行提供了技术依据。该研究虽然在一定程度上具有技术进步性，但其适用性、兼容性仍旧是未来有待研究的重点。
2.3输变电设备物联网通信网络结构
输变电设备物联网信息通信网络接口交互信息是采集MMS报文，传统变电站通信网络设备仅具备完成简单信息接入功能，未考虑通信设备功能差异，建议中只能采用大容量高端通信装置解决通信流带问题，未考虑全景信息来源广等问题。本文提出变电站采用接入+汇聚分层结构实现物联网通信可靠。定义具有核心网、接入网的网络结构，汇聚网实现间隔层设备间的互通，引入通信流控制监管能力。主IED为通信网络关口设备隔离汇聚网，降低过程层装置对通信网络的冲击。可通过接入交换机透传到汇聚网。
3输变电物联网的通信网络结构拓扑分析
3.1输变电设备监测数据搜索引擎优化
在对输变电设备现场状态监测数据进行关联数据搜索时，执行的查询方式为MapReduce，通过分析数据与数据之间的相关性来执行Hadoop布局方案。设定映射阶段，将得到的数据在所有节点上重新分组、排序，利用远程访问的方式拉取数据。为防止大量与操作无关的数据在网络传输中被复制，甚至被上传，将所有的数据根据数据属性放在同一个节点上，利用映射实现连接，减少不必要的数据通讯，提高整体的执行效率。不同类型的输变电设备现场监测数据所拥有的数据类型和数据格式不同，但是所有的监测数据都具备时空特性，每一个传感器的采样数据都会对应一个与之匹配的采样时间和地点，利用上述的关键字实现采集。优化后的Hadoop会将数据储存成3个副本，从输变电设备现场使用的监测装置放置位置、数据采集花费的时间和自定义的相关性来判断优化效果。新的输变电设备现场状态监测引擎，在架构和存储方式上进行了优化，利用扁平架构对设备进行优化。使用Hadoop分布数据，数据分布标准为IEC61850标准，实现数据共享，降低监测装置的监测难度，使引擎内部的所有数据都能够转发。研究的引擎装置验证实验由于受到实验数据和实验规模的限制，所以采集的数据集仅为GB规模，虽然能够反映出算法的运行时间变化趋势，但是数据量还是相对较小，下一步应该向着TB数据规模展开分析与研究。
3.2输变电设备智慧运维
随着信息技术的不断发展，电网的不断进步，数字技术、智能技术在电力行业的应用也越来越广泛，电网也将实现智能化发展，这对电力系统提出了更高的要求。同时，智能技术的普及应用在一定程度上促进了智能变电站的建设发展，为了保证电力行业的发展，配合智能电网更好地发挥作用，未来智能电站也将得到长足发展。新建数据管理云平台，站端接入节点将数据经过设备预警3区设备和数据通道汇集至云平台。通过云平台数据中心处理，实现对电站内各种电气设备的检测数据进行集中管理、展示、分析和应用，保障检测数据管理的安全性和规范性；同时通过多种高级应用评估诊断设备的运行状态，应用有效的状态分析模型提供辅助决策建议，指导电力设备的状态检修。通过对智能检测、数据存储、数据分析与应用进行统一管理，有效提高工作效率，维护设备安全。今后的电力发展将会随着信息、数字、智能技术发展而不断进步，电力智能化将是未来发展趋势。对于老旧变电站、输电系统等进行智慧化改造升级，新建发电、变电、输电、配电系统必须要考虑长远，及时纳入智能化技术，最终实现电力运维智慧化。
3.3输变电设备状态智能评价
电网中的输变电设备的安全运行是保障电网正常运行的前提和基础，一旦出现设备故障会对电网的安全可靠运行带来较大影响。输变电设备的检修工作一直推行定时检修或者故障检修方式，这种检修方式存在以下缺陷：①不能及时监测输变电设备的健康状况，使变电设备的耗损程度与检修时间发生脱节，造成检修不彻底；②不是按设备的实际状态检修，一些不必要检修的设备在检修周期到的时候也进行检修，造成大量的人力和物力浪费；③需要对设备进行断电检修，会造成供电系统的停滞，且设备可用率降低；④易造成过度检修，而对设备所进行的破坏性试验会给设备带来不可逆的损伤，对设备造成磨损。新的设备状态检修模式应运而生，这种方式首先对输变电设备进行状态监测，通过各种终端的设备监测装置、工具、系统，用试验、状态评估算法，或者评估系统对设备的状态进行预测，得出设备的真实运行状态，再根据设备的状态，适时适度地安排检修，这样既可以减少检修费用，又可以增加设备的运行时间。电网设备由周期性预防试验及巡视运维模式向状态检修运维模式转变是必然趋势，要实现设备的状态检修，就必先掌握设备健康状态，对基于专家诊疗机制的输变电设备状态智能评价技术，进行了研究及应用探索，结合电网公司的实际情况，提出了状态评价过程中状态评价多导则异步比对校准、状态评价专家诊疗机制等内容的解决方案，对电网公司输变电设备状态评价应用水平的进一步提高具有重要价值。
结束语
构建物理验证系统，重点验证通信结构，包括双主IED倒换功能等，采用多主IED构成信息结构，通信接入网采用以太网交换机，实现对在线监测信息收集，主IED间以有线与无线异构双星型拓扑方式相连，测试所用有限交换机为kM以太网交换机，路由器选用802.11g协议。由于输变电设备物联网业务以MMS包形式传输，针对信息接口MMS包进行带宽测试，得到主IED心跳监测信息流，主IED业务数据流量，智能传感器与主IED最大带宽＜30kb/s.输变电设备物联网双星型拓扑由交换机构成，通信接口测试针对带宽无线路由器，采用IEEE802.11协议路由器组网，得到时延随接入点变化情况。本文采用IEEE802.11g无线路由器构成双网异构通信组网，可支持3个主IED构成输变电设备物联网。
参考文献
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