摘 要:為了滿足智能電網(wǎng)建設(shè)中對(duì)輸電線路狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求,采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、PON技術(shù)及模糊專家診斷技術(shù)的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn),獲得了較為理想的結(jié)果,能夠?qū)崟r(shí)獲得輸電線路的狀態(tài),并做出精確的判斷。驗(yàn)證了系統(tǒng)的精確性、可實(shí)施性,具有狀態(tài)信息采集全面、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、輸出精度高、部署簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:PON技術(shù); 物聯(lián)網(wǎng); 模糊層次法; 智能電網(wǎng); 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)
0 引 言
2009年,國(guó)家電網(wǎng)公司提出了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的概念。堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ),以通信信息平臺(tái)為支撐,具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征,包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個(gè)環(huán)節(jié),覆蓋所有電壓等級(jí),實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”高度一體化融合的現(xiàn)代電網(wǎng)。其中輸電環(huán)節(jié)在電網(wǎng)建設(shè)中顯得尤為重要。保證輸電線路的正常、穩(wěn)定的工作是電網(wǎng)正常運(yùn)行的必要條件。傳統(tǒng)的線路檢修方式主要是事后檢修、定期檢修,這種方式早已不能滿足智能電網(wǎng)建設(shè)的需求,迫切地需要一套系統(tǒng):能夠?qū)崟r(shí)地了解線路狀況,并能做出正確的處理,即輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及到的主要有三個(gè)部分,即:前端的信息采集;監(jiān)測(cè)信息的傳輸;信息的處理及故障診斷。提取線路中重要的特征向量,通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)層傳輸至控制臺(tái),控制中心通過(guò)智能模型判斷出線路的當(dāng)前狀態(tài),輸出對(duì)應(yīng)的處理方式,再傳達(dá)到相關(guān)部門實(shí)施[1]。
1 關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介
1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把所有物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。作為新一代信息通信技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展引起了廣泛關(guān)注,物聯(lián)網(wǎng)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展已被納入國(guó)家戰(zhàn)略,國(guó)家科技部、工業(yè)與信息化部等部委先后在多項(xiàng)國(guó)家重大科技專項(xiàng)中設(shè)立課題支持物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化[2]。
1.2 PON技術(shù)
PON(Passive Optical Network,無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò))是指光配線網(wǎng)中不含有任何電子器件及電子電源,ODN全部由光分路器(Splitter)等無(wú)源器件組成。目前PON技術(shù)的主流是EPON和GPON技術(shù)。EPON組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾方面:
(1) 傳輸頻帶寬,通信容量大,多業(yè)務(wù)接入能力強(qiáng)。
(2) 組網(wǎng)靈活,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可支持樹(shù)型、星型、總線型、冗余型、混合型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),非常適合配電網(wǎng)的樹(shù)形或總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
(3) 光分支器為無(wú)源器件,設(shè)備的使用壽命長(zhǎng),維護(hù)簡(jiǎn)單,網(wǎng)絡(luò)中的任何1臺(tái)ONU故障都不會(huì)影響其他設(shè)備的正常工作。
(4) 安裝方便。OLT一般為機(jī)架型,可以上機(jī)架安裝;ONU可以設(shè)計(jì)成工業(yè)級(jí)模塊,便于安裝到室外的設(shè)備箱里。
(5) OLT和ONU提供以太網(wǎng)接入交換功能,并且可以支持SNMP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。
(6) 傳輸過(guò)程損耗小,無(wú)需中繼設(shè)備,傳輸距離遠(yuǎn),最大可達(dá)20 km左右。
(7) 安全性強(qiáng),不易被竊聽(tīng)和干擾,適合變電站或配電變壓器附近電磁環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)合。
1.3 模糊診斷專家系統(tǒng)
在輸電線路系統(tǒng)診斷中存在許多邊界不分明的事情,不能再用經(jīng)典集合論中的二值邏輯關(guān)系來(lái)描述,必須用模糊集合論中的“隸屬度”來(lái)描述。根據(jù)征兆對(duì)故障的肯定和否定程度,可以建立模糊篩選矩陣,建立故障診斷的數(shù)學(xué)模型;利用模糊篩選矩陣可以反映故障存在的充分條件,可以考慮不同征兆之間的相互影響,能夠?qū)收想`屬度進(jìn)行精確計(jì)算。但涉及的故障和征兆數(shù)目太多時(shí),就可能難以分辨征兆之間的相互作用,且模糊篩選矩陣一般是根據(jù)機(jī)組故障的典型情況建立的,一旦確定后不能根據(jù)故障的具體情況靈活地進(jìn)行調(diào)整。由于故障和征兆表現(xiàn)的多樣性,必須根據(jù)機(jī)組的不同狀態(tài)和故障可能表現(xiàn)的形式對(duì)模糊篩選矩陣進(jìn)行修正。
2 研究現(xiàn)狀
輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是指直接安裝在線路設(shè)備上可實(shí)時(shí)記錄表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征量的測(cè)量系統(tǒng)及技術(shù),是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)檢修的重要手段,狀態(tài)檢修的實(shí)現(xiàn)與否很大程度取決于在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的成功與否。國(guó)外較早開(kāi)展了輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究,并將自己國(guó)家成熟或試運(yùn)行的各類在線監(jiān)測(cè)設(shè)備推向中國(guó)市場(chǎng),而國(guó)內(nèi)有能力從事這項(xiàng)技術(shù)研發(fā)的高等院校及科研院所由于缺乏市場(chǎng)能力和足夠的資金,無(wú)法將研制的成果批量產(chǎn)業(yè)化,導(dǎo)致我國(guó)目前成為全球輸電線路在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)需求最大的市場(chǎng)[3]。最近幾年,隨著高新技術(shù)企業(yè)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一些專業(yè)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)生產(chǎn)廠家,他們?cè)诜e極學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí),立足我國(guó)電力國(guó)情,開(kāi)發(fā)了一系列輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù),有效提高了現(xiàn)有輸電線路的運(yùn)行安全水平[4]。
3 本系統(tǒng)的構(gòu)成及應(yīng)用
結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)如圖1所示。在輸電電路部分,包括桿塔及輸電線上裝備智能傳感器,這些智能傳感器分別采集線路上的設(shè)備信息及周圍環(huán)境的微氣象信息,這些信息包括:線路覆冰、絕緣子污穢、線路舞動(dòng)、溫度、濕度等信息,并將這些信息通過(guò)短距離無(wú)線通信的方式(ZigBee/WIFI等)匯聚到狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理,然后通過(guò)光纖將信息匯聚到變電站中的OLT,然后通過(guò)電力專用網(wǎng)絡(luò)傳遞給遠(yuǎn)端控制中心,通過(guò)專家診斷系統(tǒng),對(duì)線路的當(dāng)前狀態(tài)做出正確的判斷,并將結(jié)果輸出到相應(yīng)部門,以便及時(shí)應(yīng)對(duì),避免事故的發(fā)生[5]。
3.1 感知層
采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由大量具有感知、計(jì)算及無(wú)線通信能力的微小節(jié)點(diǎn)組成,其目的是監(jiān)視環(huán)境而非通信。傳感器節(jié)點(diǎn)部署在要監(jiān)視的區(qū)域中,采集指定的環(huán)境參數(shù),并將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)供分析。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì):通過(guò)在物理環(huán)境中部署大量廉價(jià)的智能傳感器節(jié)點(diǎn),可以獲得長(zhǎng)時(shí)間、近距離、高分辨率的環(huán)境數(shù)據(jù),這是傳統(tǒng)監(jiān)視設(shè)備無(wú)法得到的;傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力允許節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)過(guò)濾、數(shù)據(jù)壓縮等操作,也可以執(zhí)行一些應(yīng)用特定的處理任務(wù);節(jié)點(diǎn)之間的通信能力允許節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同完成更復(fù)雜的任務(wù),如目標(biāo)跟蹤;通過(guò)任務(wù)的重新分配可以改變傳感器網(wǎng)絡(luò)的用途。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要解決的問(wèn)題:網(wǎng)絡(luò)的自組織、自配置(節(jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步、自動(dòng)校準(zhǔn)、拓?fù)淇刂频龋?;通信協(xié)議(MAC、路由協(xié)議);分布式數(shù)據(jù)管理(數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、查詢、獲取等);各種應(yīng)用特定的數(shù)據(jù)融合處理;節(jié)省能耗應(yīng)貫穿到所有的設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)主要考慮如下問(wèn)題:干擾、供電、傳輸距離等問(wèn)題[6]。
系統(tǒng)中將無(wú)線智能傳感器布置于輸電線路和桿塔上,用于檢測(cè)線路和周圍的環(huán)境,并將采集到的信息匯總到狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝置。傳感器裝置和狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝置間通過(guò)ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信[7],如圖2所示。
3.2 網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層的功能主要是將感知層采集到信息傳輸?shù)綉?yīng)用層[8]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要是基于無(wú)線公網(wǎng)即GPRS、3G網(wǎng)絡(luò)等,但是速率和帶寬都受到限制,很難滿足智能電網(wǎng)中大量數(shù)據(jù)的傳輸要求。目前,隨著OPGW(架空地線復(fù)合光纜)在輸電線路中的建設(shè),使得通過(guò)光纖通信變成了現(xiàn)實(shí)。光通信中較為成熟和可行的方案是PON技術(shù)[9]。本系統(tǒng)中正是采用了EPON技術(shù)來(lái)傳輸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所采集的數(shù)據(jù)。PON主要是由三部分組成,即:OLT、ODN和ONU。OLT設(shè)備在系統(tǒng)中布置于變電站中,ODN和ONU布置于線路的桿塔上。本系統(tǒng)中的ONU是由狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝置實(shí)現(xiàn),同時(shí)它還完成了智能傳感器信息的收集、匯聚。狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝置和智能傳感器之間的通信是通過(guò)無(wú)線,可選用ZigBee或WIFI。同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及取電難的情況,要求狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理裝置必須能適應(yīng)于野外工作,且功耗低,一般要求功耗低于5 W,供電方式采用太陽(yáng)能板供電,同時(shí)還要有蓄電池儲(chǔ)能,以防遇到長(zhǎng)時(shí)間陰雨天氣。數(shù)據(jù)通信架構(gòu)如圖3所示。