基于物联网的输电线路智能监测系统的研究

摘要：当今物联网已经成为了国内外信息产业中一个炙手可热的议题之一，并在中国受到了全社会的普遍关注，特别是自2009年8月总理提出“感知中国”之后，物联网技术被正式列为了中国五大新兴战略性产业之一。物联网在输电线路智能监测系统中也得到了应用。

关键词：物联网；输电线路；智能监测

中图分类号： TM621 文献标识码： A

在物联网与各种事物整合的网络中，中心计算机群依靠其超强的运算能力，能够整合网络内的机器设备、基础设施和人员，并能够进行实时的管理和控制。在此基础上，人类社会的生产和生活将达到“智能化”状态，实现更加精细和动态的管理，不断提高劳动生产力水平和资源利用效率，改善人与自然的关系。物联网在输电线路的智能监测系统中也起着至关重要的作用。

1 电力物联网技术

电力物联网的总体框架包括应用层、网络层和感知层，具体内容包括：

（1）感知层。 在输电、变电和配电的各个环节中的各类 电力设备上安装电子标签（RFID）、智能传感器、二维码、红外感应器和激光扫描仪等信息感知设备，将所有变压器、开关、线路、杆塔、电表、车辆等电力设备构成一个相互联接的大网络，通过建立统一的感知信息模型将各类电网设备数据发送到汇聚控制器，经过物联网网关将数据统一存储到电力内网。

（2）网络层。 更为安全可靠地将信息传输至应用层，建 立高性能的“终端接入通信网络”，制定网络层“统一通信规约”，兼容各种传输模式（如：光纤、电力线载波、无线通信等多种方式的传输）。

（3）应用层。 实现更深层次的资源共享和应用融合，通过数据模型标准化、接口标准化、服务组件化等改进实现数据集中存储、业务集中部署，将应用系统由部门级、业务级推向企业级转变。

2 基于主元分析的在线监测技术

主元分析方法将研究对象投影到两个不相关的垂直空间： 主元空间和残差空间 （主元空间和残差空间统称为潜空间）。

2.1 基于物联网技术和主元分析方法的输电线路故障在线监测系统

基于主元分析的输电线路故障在线监测系统主要包括输电线路设备监测单元，转发基站和数据处理中心三个部分。

2.1.1 感知层

感知层的主要任务是广泛收集电力设备的各种实时数据，按照统一的信息模型将收集的数据发送到汇聚控制器。 采集地线、导线、绝缘子以及杆塔上的监控变量值，并将实时数据发送到汇聚控制器。 感知层是由不同功能的传感测量装置组成，包括安装在地线、导线、绝缘子以及杆塔上的在线监测智能传感器，通过无线通信接口与汇聚控制器进行数据通信。智能传感器单元能采用统一的信息模型进行自检、 测量、采集， 并将实时数据传输到汇聚控制器， 然后通过 GPRS/GSM/CDMA 等通信网络将实时数据传输到电力内网。

采用无线传感器网络技术，无线传感器网络通常由大量具有感知、计算及无线通信能力的微小节点组成，其目的是监视环境而非通信。传感器节点部署在要监视的区域中，采集指定的环境参数，并将数据发送到汇聚节点供分析。无线传感器网络的优势：通过在物理环境中部署大量廉价的智能传感器节点，可以获得长时间、近距离、高分辨率的环境数据，这是传统监视设备无法得到的；传感器节点的计算和存储能力允许节点执行数据过滤、数据压缩等操作，也可以执行一些应用特定的处理任务；节点之间的通信能力允许节点之间协同完成更复杂的任务，如目标跟踪；通过任务的重新分配可以改变传感器网络的用途。

2.1.2 网络层

网络层的主要任务是将从感知层传输上来的电力设备信息通过统一的通信规约将数据安全传输值电力内网， 供各类业务调用。 网络层通过各种不同的传输模式采用统一的通信规约将感知层实时采集的输电线路参数通过无线通信网络传送到数据处理中心。 汇聚控制器一般安装在杆塔上，完成数据转发的功能，同时集中处理若干智能传感器的数据，完成各类电网设备参数数据的收发。 汇聚控制器一般采用低功耗微处理器平台， 集成无线传感器网络技术及 GPRS/GSM/CDMA 等无线远程通信技术将实时数据传输到电力内网。 同时汇聚控制器可以对监测单元发送来的数据进行预处理、存储、初步分析，最后发送至应用层。

2.1.3 应用层

应用层的主要任务是将从网络层传输上来的数据进行预处理， 统一存储， 最后进行统计分析判断线路是否有故障发生。 应用层通过分析处理网络层实时传输的数据，通过海量数据建模，将实时数据投影到正常工况模型上，同时构造监测统计变量，将实时分析结果与正常工况模型比较判断，最终判断输电线路是否有故障发生， 及早发现事故隐患并及时予以排除始终保障线路以良好状态可靠运行。

2.2标识系统设计

在明确编码系统的架构和功能需求的基础上，考虑到投资少、效益最大化等因素，面向某省级电网公司，构建输变电设备物联网中的编码标识系统。

设备标识码的应用模式分为在线应用和现场应用。在线应用过程包括：①智能传感器读取标签中的设备标识码以及设备的状态信息；②采取有线＋无线的混合通信模式上传信息（其中，设备标识码上传至数据中心，实时信息上传至全景信息集成平台，若有需要则备份到数据中心）；③上传至数据中心的设备标识码，经过物联网中间件———基于局部过滤器和全局过滤器的数据清洗机制和基于复杂事件处理的ＲＦＩＤ数据处理模型来滤除不可靠数据、冗余数据，保证数据的准确性、精简性和时序性；④以设备标识码作为指针，可在相应的数据库中找到所需信息，继而完成历史信息的定位、获取；⑤将实时信息和历史信息上传至全景信息集成平台，继而完成数据的并行处理、数据挖掘、分类整合和交互共享，最终实现输变电设备的全景信息感知、智能监测与管理、状态评估等。

2.3 基于物联网技术和主元分析方法的输电线路在线监测结果分析

基于物联网技术和主元分析的输电线路在线监测系统通过在输电线路上部署各类传感器获取各类设备的实时数据，本文选取 8 个输电线路设备参数包括：导线拉力、输电线路高压侧温度、输电线路低压侧温度）、接地电阻、导线对地距离，导线舞动频率、铁塔杆件应力和绝缘子风偏。 通过将 8 个输电线路设备参数的实时数据通过感知层和网络层传输到应用层，然后采用主元分析方法对实时数据进行建模分析，判断输电线路是否有故障发生。

2.3.1 输电线路正常工况建模

收集输电线路设备正常工况下的历史数据， 采用主元分析方法提取正常工况下的主元空间和残差空间， 同时选取合适的主元空间维度，建立输电线路正常工况的统计模型，模型参数包括主元特征向量、主元特征值、统计变量（T2和 SPE）和统计变量的阀值。

2.3.2 基于物联网技术和主元分析方法的输电线路在线监测

在感知层通过感知设备将 8 个设备参数传输到汇聚控制器， 然后通过网络层的统一通讯规约将实时数据发送到电力内网应用中心。 通过将实时数据投影到正常设备运行统计模型中，实时计算统计变量（T2和 SPE）在线运行值，然后将实时计算的统计变量值与阀值比较，若统计变量（T2和 SPE）有一项超过阀值，则表示线路设备有故障发生，反之则输电线路运行正常。

3 结 论

在线监测是保障电网安全运行和提高电网输送能力的重要手段。 由于输电线路的设备安全问题大多无法通过肉眼发现，因此迫切需要构建故障在线监测系统。 物联网技术通过部

署大量感知设备（如：智能传感器、电子标签、RFID 模块等）将输电线路所有关键设备参数纳入监控范围， 通过在感知层建立统一的信息模型，兼容不同厂商的数据感知格式，通过汇聚控制器的数据预处理和存储后， 将数据通过统一的通信规约将数据传输到电力内网， 在应用层采用主元分析方法对实时监测数据进行数据分析，通过设定合适的报警阈值，判断输电线路是否有故障发生。 本文的研究并未涉及物联网统一信息模型和统一通信规约的研究， 下一步的研究主要集中在研究适合输电线路设备参数感知的统一信息模型的获得。

参考文献

[1]唐朝晖，桂卫华，吴 敏.密闭鼓风炉铅锌熔炼的统计过 程监测系 统设计[J].计算机与应用化学，2007.

[2]张红乐，后丽群，许孟全.输电线路检修[M].北京：中国电力出版社，2010.