吳永銳，許志遠(yuǎn)
（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司泗洪縣供電分公司，江蘇 宿遷 223900）
0 引 言
輸電線路是智能電網(wǎng)的核心組成部分，其運(yùn)行的安全性、可靠性將直接影響整個(gè)智能電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。早期維護(hù)電網(wǎng)輸電線路正常運(yùn)行的方法通常是人工巡檢，需要消耗較大的人力、物力、時(shí)間等資源，工作量大且成本較高，易受天氣、環(huán)境、地形等各種外界因素及巡檢人員自身專業(yè)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等方面的影響，導(dǎo)致檢查效率慢，故障隱患多，供電可靠性不理想[1]。隨著科技的進(jìn)步，電力系統(tǒng)逐漸朝著智能化方向發(fā)展，傳統(tǒng)人工巡檢已無法滿足智能電網(wǎng)輸電線路維護(hù)需求，迫切需要借助傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)建立更加智能的在線監(jiān)測系統(tǒng)，使其能夠?qū)崟r(shí)、穩(wěn)定和精確地收集并分析輸電線路運(yùn)行的各項(xiàng)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)和故障隱患，發(fā)出警報(bào)提醒技術(shù)人員前往處理，提高輸電線路運(yùn)行的可靠性和檢修效率，節(jié)省人力和時(shí)間成本。
1 智能電網(wǎng)輸電線路的監(jiān)測需求分析
智能電網(wǎng)輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)受導(dǎo)線溫度、微風(fēng)振動(dòng)、垂弧以及覆冰等因素的影響，因此智能電網(wǎng)輸電線路在線監(jiān)測的需求主要包括以下4 點(diǎn)。一是監(jiān)測輸電線路周圍微氣象環(huán)境，包括氣壓、溫度、濕度及風(fēng)速等指標(biāo)。惡劣氣象環(huán)境會(huì)影響輸電線路中絕緣子的絕緣性能，導(dǎo)致污閃現(xiàn)象，若不能有效控制，可能會(huì)導(dǎo)致供電中斷[2]。二是監(jiān)測導(dǎo)線溫度，尤其是接線點(diǎn)位置的溫度。通過監(jiān)測接線點(diǎn)附近的導(dǎo)線溫度，不僅能計(jì)算出線路當(dāng)前的最大載流量，還能判斷線路運(yùn)行狀態(tài)是否正常。若出現(xiàn)積污和生銹等情況，導(dǎo)線溫度會(huì)異常升高[3]。三是監(jiān)測微風(fēng)振動(dòng)，包括振動(dòng)時(shí)間、頻率、振幅等。微風(fēng)振動(dòng)是影響輸電線路運(yùn)行可靠性的常見因素，具有發(fā)生率高、持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)，容易造成導(dǎo)線疲勞損傷，引起防振器、桿塔構(gòu)件等部件的損壞，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全產(chǎn)生威脅。四是監(jiān)測導(dǎo)線垂弧。導(dǎo)線垂弧通常受風(fēng)荷載、覆冰荷載、線路載流量的影響，輸電線路中導(dǎo)線的傾角、拉力、加速度等指標(biāo)能夠反映導(dǎo)線的垂弧大小、覆冰荷載、微風(fēng)振動(dòng)情況等，因此監(jiān)測這些指標(biāo)可以有效評(píng)估輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)[4]。
2 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。文章基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)建立智能電網(wǎng)輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)可分為3 層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層主要是由各種傳感器組成的信息采集模塊，負(fù)責(zé)現(xiàn)場采集輸電線路的運(yùn)行參數(shù)和周圍環(huán)境信息等。網(wǎng)絡(luò)層則主要發(fā)揮遠(yuǎn)程通信功能，有效連接系統(tǒng)各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)由應(yīng)用層向感知層的指令傳輸和由感知層向應(yīng)用層的信息傳遞，使現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)能夠快速匯集到數(shù)據(jù)集中模塊，再通過網(wǎng)絡(luò)上傳到云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理和儲(chǔ)存。應(yīng)用層則包括云服務(wù)器、客戶端、數(shù)據(jù)庫等結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)分析、統(tǒng)計(jì)、儲(chǔ)存輸電線路運(yùn)行信息，并以數(shù)據(jù)、圖表等形式直觀地顯示出來，便于管理人員、技術(shù)人員查看和做出相應(yīng)判斷，同時(shí)為技術(shù)人員提供操作界面，使其能夠調(diào)整傳感器的信息采集時(shí)間、間隔等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查看、可視化呈現(xiàn)、故障預(yù)警、故障定位以及遠(yuǎn)程控制等功能[5]。在線監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)
3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 硬件結(jié)構(gòu)
輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括電源模塊、信息采集模塊、微處理器以及通信模塊等。其中，電源模塊主要采用鋰電池供電，結(jié)合太陽能電池板、電流互感器（Current Transformer，CT）取電裝置等，滿足監(jiān)測系統(tǒng)的供電需求。信息采集模塊所用的硬件設(shè)備主要是各類傳感器，包括氣壓傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向儀、拉力傳感器、加速度式傾角傳感器以及泄漏電流傳感器等，從而全面收集輸電線路和周邊環(huán)境的各類信息，監(jiān)測氣象環(huán)境、導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線垂弧及微風(fēng)振動(dòng)等的變化。微處理器采用STM32F103C8T6 型號(hào)單片機(jī)，其中斷處理能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、儲(chǔ)存容量高，能夠滿足信息數(shù)據(jù)的高速處理、計(jì)算、儲(chǔ)存需求，還可以滿足監(jiān)測系統(tǒng)的通信需求。作為監(jiān)測系統(tǒng)的核心硬件，微處理器的性能與系統(tǒng)運(yùn)行的效率、質(zhì)量緊密相關(guān)，因此微處理器必須能夠精準(zhǔn)、快速地采集現(xiàn)場模擬信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、處理[6]。通信模塊采用遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）技術(shù)，具有能耗小、體積小、通信性能佳等優(yōu)點(diǎn)，共有4 種通信工作模式。一是一般模式，有透明傳輸和定向傳輸2 種通信方法；二是喚醒模式，通信方法與一般模式相同，只是發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要在前面添加喚醒碼，使處于省電模式下的設(shè)備被喚醒，順利接收數(shù)據(jù)信息；三是省電模式，與喚醒模式的設(shè)備相配套，無法主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，且只能接收喚醒模式下的設(shè)備發(fā)送的信息，具有低能耗特點(diǎn)；四是信號(hào)強(qiáng)度模式，可監(jiān)測雙方設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度[7]。
3.2 傳感器部署
各類傳感器部署的科學(xué)性、合理性直接影響著在線監(jiān)測的有效性，應(yīng)充分考慮輸電線路的監(jiān)測需求，深入分析其故障風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域，設(shè)置重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)，合理部署傳感器設(shè)備，無須各級(jí)桿塔均安裝。例如：輸電線路中跨越立交橋的節(jié)段尤其需要注意防止導(dǎo)線下垂，以免與地面距離過近產(chǎn)生放電現(xiàn)象，威脅過往人員、車輛的安全，因此在導(dǎo)線上安裝傳感器設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測導(dǎo)線垂弧大��；在湖泊附近的輸電線路則需要加強(qiáng)對(duì)濕度的監(jiān)測，并在桿塔上安裝監(jiān)控設(shè)備，采集塔基圖像，防止水流對(duì)塔基造成侵蝕作用，影響塔基的穩(wěn)定性。通信模塊中的監(jiān)測網(wǎng)關(guān)一般設(shè)置在高壓變電站。為建立網(wǎng)關(guān)與各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間良好的通信，應(yīng)以監(jiān)測點(diǎn)的分布為依據(jù)，靈活部署監(jiān)測網(wǎng)關(guān)，建立監(jiān)測子站，以便將傳感器收集的數(shù)據(jù)匯集到一起。同時(shí)，應(yīng)通過合理設(shè)計(jì)減少監(jiān)測子站數(shù)量，從而節(jié)約成本。
4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體工作原理是在輸電線路適宜的位置安裝傳感器，采集傳輸線路運(yùn)行時(shí)的參數(shù)和環(huán)境信息等，并利用無線局域網(wǎng)將信息匯總，再傳輸至云服務(wù)器進(jìn)行分析、匯總、儲(chǔ)存。若發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，系統(tǒng)則自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。管理人員、技術(shù)人員可隨時(shí)從客戶端訪問云服務(wù)器，查看或提取輸電線路運(yùn)行的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，查看統(tǒng)計(jì)圖表，分析輸電線路運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括信息采集程序、通信程序、應(yīng)用程序等。
4.1 信息采集程序
輸電線路在線監(jiān)測的指標(biāo)較為復(fù)雜，包括導(dǎo)線溫度、周圍微氣象情況、導(dǎo)線垂弧等，涉及許多信息數(shù)據(jù)的采集工作，因此需要設(shè)計(jì)信息采集程序。
4.1.1 微氣象數(shù)據(jù)采集程序
將溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風(fēng)速風(fēng)向儀等微氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備與微處理器連接。系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由應(yīng)用層發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，微處理器將開始信號(hào)發(fā)送到傳感器設(shè)備，傳感器快速響應(yīng)，采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸至微處理器，通過微處理器分析、計(jì)算、校準(zhǔn)后得出準(zhǔn)確的微氣象數(shù)據(jù)。例如，采集氣壓數(shù)據(jù)的程序流程為首先由微處理器向氣壓傳感器發(fā)送開始信號(hào)，其次啟動(dòng)傳感器采集數(shù)據(jù)，讀取未補(bǔ)償?shù)臍鈮簲?shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)，最后利用一次性可編程（One Time Programmable，OTP）寄存器中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、校準(zhǔn)，獲得真實(shí)的氣壓值（見圖2）。
圖2 氣壓傳感器運(yùn)行程序
4.1.2 泄漏電流采集程序
輸電線路中泄漏電流反映著其絕緣性能的好壞，當(dāng)泄漏電流大小突破一定界限時(shí)，就可能發(fā)生污閃現(xiàn)象，影響電網(wǎng)的安全性、可靠性。通過采集泄漏電流數(shù)據(jù)能夠評(píng)估輸電線路中絕緣子的絕緣性能，從而進(jìn)行有效預(yù)防。泄漏電流采集程序流程如下：首先，由微處理器向泄漏電流傳感器發(fā)送開始信號(hào)；其次，傳感器啟動(dòng)，采集電流信號(hào)；最后，采集完成后計(jì)入數(shù)組，如此反復(fù)采集10 次泄漏電流信號(hào)，取其平均值，提高數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性和精確性。
4.2 通信程序設(shè)計(jì)
4.2.1 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求
首先，傳輸距離長是輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)通信的一個(gè)重要特點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)需要解決的一個(gè)難題。智能電網(wǎng)輸電線路覆蓋的區(qū)域廣、跨度長，尤其是高壓、特高壓輸電線路的傳送距離非常長，部分線路需要穿越各種不同的區(qū)域，面臨復(fù)雜的環(huán)境，監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)時(shí)需要設(shè)置的傳感器較多，需要依據(jù)實(shí)際情況合理部署監(jiān)測設(shè)備。輸電線路的重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域通常位置比較分散，互相之間距離較遠(yuǎn)，在設(shè)計(jì)通信程序時(shí)必須考慮這一特征。
其次，只有采用靈活的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，才能更好地滿足不同輸電線路、不同監(jiān)測目標(biāo)的通信需求。輸電線路一般呈線性結(jié)構(gòu)向前延伸，中間連接各個(gè)變電站，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
最后，通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有足夠的擴(kuò)展性、靈活性，可以適應(yīng)多種數(shù)據(jù)傳輸類型。輸電線路大部分處于野外自然環(huán)境，面臨的地理環(huán)境、氣象條件十分復(fù)雜，易受溫度、濕度、氣壓、風(fēng)力以及覆冰等各種因素影響，其在線監(jiān)測的需求也較復(fù)雜，涉及的數(shù)據(jù)類型多，包括泄漏電流、導(dǎo)線溫度、垂弧大小以及微風(fēng)振動(dòng)弧度等。因此，在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)必須滿足多種類型的數(shù)據(jù)傳輸需求。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，對(duì)于輸電線路監(jiān)測的需求不斷提高，投入的傳感設(shè)備類型越來越豐富多樣，設(shè)備數(shù)量增多，監(jiān)控規(guī)模逐漸增大，通信網(wǎng)絡(luò)需要具備較高的帶寬，以滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。
4.2.2 組網(wǎng)設(shè)計(jì)
輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)總體可分為子網(wǎng)絡(luò)和骨干網(wǎng)絡(luò)2 個(gè)部分。子網(wǎng)絡(luò)是連接各類傳感器和監(jiān)測子站之間的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⑹占臄?shù)據(jù)傳輸、匯集在一起。骨干網(wǎng)絡(luò)則是連接各個(gè)監(jiān)測子站和監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)。子網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用LoRa 通信技術(shù)。LoRa 模塊具有傳輸速率低、通信距離長等特點(diǎn)，符合輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信需求。以LoRa 通信技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行組網(wǎng)，采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將LoRa 通信終端安裝于信息采集模塊的各個(gè)傳感器，并直接與LoRa網(wǎng)關(guān)建立通信連接，展開點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，降低能耗，以實(shí)現(xiàn)快速、高效、安全的數(shù)據(jù)傳輸。所有傳感器都與LoRa 網(wǎng)關(guān)單獨(dú)連接，即形成了星型的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過LoRa 網(wǎng)關(guān)可以管理、控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)傳感器，向傳感器上的LoRa 終端發(fā)送控制信號(hào)，并匯集采集到的數(shù)據(jù)。星型的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)也有利于日常管理維護(hù)，若其中一個(gè)LoRa 終端故障，不會(huì)對(duì)其他傳感器的正常運(yùn)行造成影響。通信程序的具體流程如下：首先，傳感器采集到數(shù)據(jù)信息后傳入LoRa 通信終端，寫入先進(jìn)先出隊(duì)列（First In First Out，F(xiàn)IFO）緩存，然后進(jìn)行發(fā)送；其次，LoRa 網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收、讀取LoRa 終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，清除中斷標(biāo)志位；最后，LoRa 終端自動(dòng)檢查寄存器標(biāo)志位，以判斷數(shù)據(jù)發(fā)送成功與否。如果發(fā)送成功，則切換成待機(jī)模式，降低能耗；如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則重新進(jìn)入發(fā)送模式，直至成功將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離與子網(wǎng)絡(luò)相比通常較遠(yuǎn)，可采用自組織網(wǎng)絡(luò)，配置高增益天線和足夠高的帶寬，確保能夠滿足數(shù)據(jù)的大規(guī)模、遠(yuǎn)距離傳輸。由于輸電線路通常呈線性結(jié)構(gòu)延伸，其在線監(jiān)測系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也呈線性或網(wǎng)狀排布。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，越靠近數(shù)據(jù)匯聚的節(jié)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)傳輸量越大，對(duì)電能的消耗越大。因此，可通過可靠路由協(xié)議，根據(jù)鏈路傳輸狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送功率，從而在節(jié)約電能消耗的同時(shí)提高傳輸速率，減少丟包率，改善大量監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁堵問題。為及時(shí)和高效地處理報(bào)警事件，需要在骨干網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)查詢方式，從而在大量復(fù)雜監(jiān)測信息中快速提取出異常信息，并上報(bào)監(jiān)控中心。例如，可采取事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)查詢方法，即當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)收集到異常數(shù)據(jù)信息時(shí)，會(huì)產(chǎn)生具有優(yōu)先傳送特權(quán)的報(bào)警數(shù)據(jù)包，使其快速向監(jiān)控中心傳送，期間經(jīng)過的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，都要優(yōu)先對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而有效防止通信網(wǎng)絡(luò)末端的網(wǎng)絡(luò)擁堵問題阻礙故障報(bào)警的及時(shí)性。
5 結(jié) 論
如今社會(huì)對(duì)于電能的依賴性越來越強(qiáng)，許多行業(yè)需要持續(xù)消耗電能，一旦出現(xiàn)供電中斷，就會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。為提高智能電網(wǎng)的運(yùn)行水平，應(yīng)當(dāng)積極優(yōu)化輸電線路的在線監(jiān)測系統(tǒng)，深入分析導(dǎo)線溫度、周圍氣象條件、微風(fēng)振動(dòng)以及導(dǎo)線垂弧大小等影響輸電線路運(yùn)行安全和穩(wěn)定的因素，針對(duì)性布置各類傳感設(shè)備，并構(gòu)建適宜的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，將廣泛分布的監(jiān)測設(shè)備連接在一起，精確采集和高效傳遞各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，為輸電線路的可靠性提供保障。
