章 立，王 峰，殷洪海

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

目前，電力已經(jīng)成為重要的能源資源之一，與人們的日常生活關系密切。因此，人們不斷升級電力系統(tǒng)的功能，使電力系統(tǒng)朝自動化和智能化方向發(fā)展。但與之相對的是高壓輸電線路與地面的距離不斷增加。由于裸露在外，高壓輸電易受外界環(huán)境因素的影響，導致其線路出現(xiàn)斷裂、破損等問題，影響電力輸送[1]。尤其是隨著電力系統(tǒng)等級的提高，高壓輸電線路造成的損失也越來越多。因此，如何避免和減少高壓輸電線路損失已成為眾多學者所關注的問題。

國內(nèi)外面對輸電線路存在的問題，采用了各類監(jiān)測方式，以保障輸電線路的安全運行。監(jiān)測方式先后經(jīng)歷了定性分析、人工測量和在線監(jiān)測這3個階段，并逐漸向智能化方向發(fā)展。隨著智能電網(wǎng)的出現(xiàn)，國內(nèi)外學者也研究出眾多不同類型、不同功能的監(jiān)測系統(tǒng)，以實時采集輸電線路運行狀態(tài)參數(shù)值。國外監(jiān)測輸電線路采用相機拍照、通用分組無線業(yè)務(general packet radio service，GPRS)、密封等技術，研究出分布式溫度等輸電線路在線監(jiān)測裝置。國內(nèi)對輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)制定了統(tǒng)一標準，對系統(tǒng)的技術、功能等作出了規(guī)定。國內(nèi)研究者采用傳感器、GPRS、視頻監(jiān)控等技術，研究出線路覆冰、導線弧垂、基于光纖光柵測量的監(jiān)控系統(tǒng)，以監(jiān)測輸電線路[2]。但是，國內(nèi)外研究的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)功能單一，對于輸電線路運行狀態(tài)的檢測不夠全面。

為此，本文采用智能視覺識別技術，全面檢測輸電線路運行狀態(tài)安全，設計了基于智能視覺識別的高壓輸電線路運行狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)[3-4]。

1 系統(tǒng)硬件設計

本文設計的高壓輸電線路運行狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)，考慮電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理中心對高壓輸電線路數(shù)據(jù)的需求，以及系統(tǒng)監(jiān)測高壓輸電線路運行狀態(tài)安全的實現(xiàn)，采用雙機集群技術設計高壓輸電線路運行狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構。系統(tǒng)硬件架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構

根據(jù)圖1所示的硬件架構，選擇服務器、負載均衡器、磁盤陣列和網(wǎng)絡交換機等硬件配置系統(tǒng)。服務器應用于數(shù)據(jù)庫、應用和圖形3個方向，負責系統(tǒng)的主要運行功能[5-6]。因此，根據(jù)高壓輸電線路運行狀態(tài)安全監(jiān)測的實際要求，配置相應的數(shù)據(jù)庫、應用和圖形等服務器。高壓輸電線路運行狀態(tài)安全主要包括載流量、覆冰厚度、導線舞動、輸電線路狀態(tài)等數(shù)據(jù)，涉及內(nèi)容多、數(shù)據(jù)量大[7-8]。所以，本設計采用刀片小機型服務器作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務器。但是，系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)不能全部存儲在服務器中，否則會降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫運行速度。因此，在系統(tǒng)中配置2塊主機總線適配卡(host bus adapter，HBA)，連接存儲區(qū)域網(wǎng)(storage area network，SAN)存儲設備[9]。此外，數(shù)據(jù)庫服務器通過2臺網(wǎng)絡交換機與因特網(wǎng)相連接，實現(xiàn)實時傳輸、更新數(shù)據(jù)的功能。因此，本設計在交換機和數(shù)據(jù)庫服務器之間配置了1塊千兆網(wǎng)卡。系統(tǒng)必備應用服務器，負責系統(tǒng)的運行[10]。應用服務器與負載均衡設備相連接。

2 軟件設計

2.1 圖像監(jiān)控單元

由于高壓輸電線路處于架空狀態(tài)，采集圖像數(shù)據(jù)時可能存在疏漏問題。因此，本文引入智能視覺識別技術，設計系統(tǒng)圖像監(jiān)控單元，以監(jiān)控高壓輸電線路所有設備覆冰狀況；滑坡、塌方等自然災害；施工造成的人為破壞；山川河流、易生長物等不易監(jiān)測區(qū)域。高壓輸電線路圖像監(jiān)控單元如圖2所示。

圖2 圖像監(jiān)控單元示意圖

由圖2可知，采用智能視覺識別技術設計的高壓輸電線路圖像監(jiān)控單元，在選擇圖像采集設備采集高壓輸電線路圖像時，需要考慮圖像采集設備與高壓輸電線路位置，以及環(huán)境、人為等因素對圖像采集設備造成的影響。所以，本文在高壓輸電線路圖像監(jiān)控單元中設計標定模塊以矯正圖像采集設備位置，從而根據(jù)高壓輸電線路變化實時采集高壓輸電線路設備圖像。

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測單元

基于圖1、圖2，本文設計了高壓輸電線路運行狀態(tài)安全數(shù)據(jù)監(jiān)測單元，使系統(tǒng)具有監(jiān)測高壓輸電線路運行狀態(tài)安全數(shù)據(jù)的功能。

數(shù)據(jù)監(jiān)測單元采用加速度傳感器和位移傳感器，監(jiān)測高壓輸電線路的振動加速度、振幅和頻率，以及溫度傳感器監(jiān)測高壓輸電線路環(huán)境數(shù)據(jù)；將光纖傳感器監(jiān)測埋在高壓輸電線路塔桿底下，查看安全范圍內(nèi)是否存在卡車、行人、牲口等可能影響高壓輸電線路運行狀態(tài)安全。一旦出現(xiàn)可能威脅高壓輸電線路運行狀態(tài)安全的事物時，該單元啟動安裝在塔桿頂?shù)闹悄芤曈X識別裝置，實時分析現(xiàn)場狀況并予以示警。

根據(jù)上述分析，高壓輸電線路運行狀態(tài)安全數(shù)據(jù)監(jiān)測單元如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)測單元示意圖

圖3中，加速度、位移監(jiān)測點安裝的是加速度傳感器和位移傳感器。布設的所有監(jiān)測點位置相鄰。由此可得高壓輸電線路的搖擺、振幅、頻率、溫度、外界因素等數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)庫，使高壓輸電線路監(jiān)控中心人員可判斷高壓輸電線路運行狀態(tài)是否安全。

3 系統(tǒng)性能測試與分析

本文采用對比試驗的方式，以某區(qū)域電網(wǎng)的高壓輸電線路為試驗對象，驗證所設計的高壓輸電線路運行狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)性能。選擇文獻[2]和文獻[3]的高壓輸電線路運行狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)作為對比系統(tǒng)，分別記為對比系統(tǒng)1和對比系統(tǒng)2。試驗流程為：首先，設置測試對象和數(shù)據(jù)包間隔時間，改變虛擬用戶數(shù)目和系統(tǒng)負載長度；然后，分析系統(tǒng)功能、頁面訪問速度和傳輸數(shù)據(jù)丟包率。

3.1 試驗準備

本次測試采用Mercury Load Runner8.1軟件測試系統(tǒng)性能、Cain&Abel4.9.4軟件測試系統(tǒng)加解密功能、Oracle sol Developer軟件檢查系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能、Wire shark 1.5.0軟件檢查網(wǎng)絡嗅探功能。系統(tǒng)測試拓撲結(jié)構如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)測試拓撲結(jié)構

系統(tǒng)測試軟件運行環(huán)境為：Windows XP操作系統(tǒng)，雙核Intel(R)Core(TM)i3 CPU@2.40 GHz處理器，1.0 G bit/s的網(wǎng)卡，4.0 GB的內(nèi)存。本設計選擇的高壓輸電線路為某區(qū)域配電網(wǎng)220 V的高壓輸電線路，根據(jù)配電網(wǎng)區(qū)域的高壓輸電線路建立模擬試驗平臺。通過模擬試驗平臺的控制開關，調(diào)控高壓輸電線路的電流和電壓。輸電線路的最大輸出電壓為1 000 V，電流為200 A。在試驗臺上，建立的高壓輸電線路如圖5所示。

圖5 高壓輸電線路圖

圖5中，A、B、C對應黃、綠、紅3個顏色的相線，模擬系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)下載、監(jiān)測圖像瀏覽、設備管理等操作。使用 Virtual PC模擬軟件，用 LoadRunner記錄系統(tǒng)運行的函數(shù)腳本、增強腳本等。當240個虛擬用戶運行完腳本之后，系統(tǒng)統(tǒng)計結(jié)果。

3.2 測試結(jié)果及分析

3.2.1 系統(tǒng)功能測試

基于此次試驗設置的試驗環(huán)境和試驗對象，采用4種檢測軟件檢測3組系統(tǒng)監(jiān)測高壓輸電線路運行狀態(tài)、安全效果，并對比3組系統(tǒng)功能。采用英文字母表示系統(tǒng)功能測試項目。則本組試驗選擇的項目，以及其測試的功能如下：①選擇權限管理(a)和數(shù)據(jù)傳輸保密(b)，測試系統(tǒng)加解密功能；②選擇錯誤操作提示(c)，測試系統(tǒng)的易用性；③選擇系統(tǒng)功能正確性(d)(點擊系統(tǒng)功能鍵，檢查對應的頁面是否正確)，測試系統(tǒng)功能；④查看文檔索引、目錄等功能的全面度(e)，以及文檔術語的一致性(f)，測試系統(tǒng)的用戶文檔功能；⑤選擇監(jiān)測類型維護(g)、監(jiān)測裝置遠程管理(h)，測試系統(tǒng)管理功能；⑥選擇輸電監(jiān)測數(shù)據(jù)(i)、變電監(jiān)測數(shù)據(jù)(j)、輸電CAG調(diào)用日志(k)、變電警告時間分布(l)、典型圖片庫查詢(m)，測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和查詢統(tǒng)計功能。系統(tǒng)功能測試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能測試結(jié)果

由表1可知，對比系統(tǒng)1和對比系統(tǒng)2的系統(tǒng)功能測試結(jié)果極為相近，僅在“○”和“√”存在一項差距；而本文系統(tǒng)的系統(tǒng)功能測試結(jié)果基本上都優(yōu)于高壓輸電線路運行狀態(tài)監(jiān)測標準，僅有2項也與高壓輸電線路運行狀態(tài)監(jiān)測標準持平。由此可見，本文設計的高壓輸電線路運行狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)功能良好，可以滿足高壓輸電線路運行狀態(tài)安全監(jiān)測需求。

3.2.2 頁面訪問速度測試

系統(tǒng)監(jiān)測高壓輸電線路運行狀態(tài)安全，得到的運行狀態(tài)安全數(shù)據(jù)存在多人多次同時訪問的現(xiàn)象，會影響系統(tǒng)頁面訪問速度。因此，第一組試驗對比3組系統(tǒng)頁面訪問速度。在該組試驗中，共模擬300個用戶，同時訪問系統(tǒng)功能，每隔1 min增加30個虛擬用戶，記錄不同數(shù)量的虛擬用戶的每項功能響應時間，并計算所有功能的平均響應時間。3組系統(tǒng)頁面訪問速度測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 頁面訪問速度測試結(jié)果

由圖6可知，隨著虛擬用戶人數(shù)的增加，訪問系統(tǒng)功能的平均時間也相應增加。但是對比系統(tǒng)2僅支持240位虛擬用戶同時訪問系統(tǒng)頁面。當同時訪問人數(shù)超過240位虛擬用戶時，該系統(tǒng)頁面平均訪問時間程直線增加，導致系統(tǒng)頁面出現(xiàn)訪問崩潰的現(xiàn)象。對比系統(tǒng)1雖然可以支持300位虛擬用戶同時訪問系統(tǒng)頁面，但是當用戶數(shù)量持續(xù)增加時，以當前的趨勢推測，其頁面訪問的平均時間與虛擬用戶數(shù)目呈正比。只有本文系統(tǒng)，當虛擬用戶達到240人時，頁面訪問平均時間的變化趨勢小于對比系統(tǒng)，可以支持多位虛擬用戶共同訪問系統(tǒng)頁面。由此可見，本文設計的高壓輸電線路運行狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)可以支持更多的虛擬用戶同時訪問系統(tǒng)頁面，且系統(tǒng)頁面平均訪問時間僅需8 s。

3.2.3 系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)丟包率測試

系統(tǒng)在運行的過程中會產(chǎn)生一定的負載，導致系統(tǒng)數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象。所以，本測試采用系統(tǒng)負載長度作為自變量，檢測3組系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟包率。在本組試驗中，設定數(shù)據(jù)包間隔為100 ms。數(shù)據(jù)丟包率測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)丟包率測試結(jié)果

由圖7可知，數(shù)據(jù)丟包率與系統(tǒng)負載長度呈正相關。對比系統(tǒng)1傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟包率最高，且隨著系統(tǒng)負載長度的增加，數(shù)據(jù)丟包率相應變高，其受到系統(tǒng)負載長度的影響較大。這表明對比系統(tǒng)1數(shù)據(jù)安全性最差。對比系統(tǒng)2只有在出現(xiàn)系統(tǒng)負載時受到的影響才最為明顯，隨著系統(tǒng)負載長度的增加對數(shù)據(jù)丟包率的影響也在不斷降低。這表明對比系統(tǒng)2數(shù)據(jù)具有一定的安全防護措施。本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟包率最低，且隨著系統(tǒng)負載長度的增加，數(shù)據(jù)丟包率并未出現(xiàn)較為明顯的變化，受到系統(tǒng)負載長度的影響較小。這表明本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性良好。由此可見，本文設計的高壓輸電線路運行狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟包率低，監(jiān)測數(shù)據(jù)具有較高的安全性。

綜合上述3組試驗結(jié)果可知，本文設計的高壓輸電線路運行狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)可以支持更多的虛擬用戶同時訪問系統(tǒng)頁面，且訪問所需時間短、數(shù)據(jù)丟包率低、受系統(tǒng)負載長度的影響較小，具有較高的安全性。

4 結(jié)論

由于配電網(wǎng)絡區(qū)域的限制，高壓輸電線路之間的距離越來越遠，多脈沖源發(fā)生耦合故障的可能性越來越大。當高壓輸電線路在輸送電力的過程中穿越山區(qū)時，由于導線垂弧較大、受風吹雨打或位置偏移等原因，極易引起輸電線路短路。當輸電線路發(fā)生短路故障時，若不采取相應的措施加以排除，則故障引起的電弧將難以自動熄滅，從而導致配電網(wǎng)中斷。在配電網(wǎng)輸電時，由于輸電功率較大，高壓輸電線路發(fā)生故障會對整個輸電系統(tǒng)造成一定影響。因此，為保證輸電系統(tǒng)的可靠運行，必須及時發(fā)現(xiàn)故障產(chǎn)生的位置，以便盡快排除故障。本文設計了一種基于智能視覺識別的高壓輸電線路運行狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用智能視覺識別技術，快速且全面地識別高壓輸電線路運行狀態(tài)。但是，該系統(tǒng)未曾考慮系統(tǒng)代碼冗余度以及數(shù)據(jù)庫的簡便度。因此在今后的研究中，還需繼續(xù)簡化系統(tǒng)代碼和數(shù)據(jù)庫，以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查詢速度和性能。同時，在研究中缺少實際條件下的試驗支持，未來研究將會根據(jù)實際條件進行更深入的驗證。