物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)中應(yīng)用

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摘要:針對(duì)目前電網(wǎng)輸電線路的管理和監(jiān)測(cè)困難問(wèn)題，通過(guò)新型LPWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，降低運(yùn)營(yíng)成本的投入，并采用星型組網(wǎng)方式同時(shí)連接多種設(shè)備，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。使用Viterbi算法并將算法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)電力設(shè)備中不同故障點(diǎn)的精確定位，并通過(guò)Viterbi算法網(wǎng)絡(luò)提高了計(jì)算速率，實(shí)時(shí)反射出故障信息。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)，使在線監(jiān)測(cè)技術(shù)達(dá)到了新的技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);在線監(jiān)測(cè);電力電網(wǎng);輸電線路;設(shè)備通信

0引言

隨著信息科技化的發(fā)展，人們對(duì)于電力設(shè)施的需求也在提高，隨之電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和輸電線路也變得相對(duì)復(fù)雜。為提高電力設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性［1－2］，需實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，其與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，將電力設(shè)備推向了智能化、信息化。使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，提升了一次設(shè)備的感知能力，將用電設(shè)施推向智能化服務(wù)。如何實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備監(jiān)測(cè)就成為當(dāng)前亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。文獻(xiàn)［3］電網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，數(shù)據(jù)信息多元化，但是數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)中以不同結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，有些信息比較單一無(wú)法高效利用，各種輸變站和狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)得不到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化。用傳統(tǒng)的方法解決這些問(wèn)題，大大提高了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本。文獻(xiàn)［4］在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)加入了低頻振蕩創(chuàng)新技術(shù)，使得監(jiān)測(cè)電力設(shè)備的可靠性大大提高，但由于計(jì)算的數(shù)據(jù)量較大，算法時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)會(huì)有延時(shí)性。針對(duì)上述研究存在的技術(shù)缺陷，本文提出了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，既解決了運(yùn)行成本問(wèn)題，又提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性［5］。

1電力設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)架

本文中，電力物聯(lián)網(wǎng)的變電站在線監(jiān)測(cè)體系包括四個(gè)層面，它主要由智能感知層、數(shù)據(jù)通信層、信息集成層和智能應(yīng)用層組成。使用傳感器對(duì)外界的信息采集和信號(hào)處理，系統(tǒng)中GPPS服務(wù)器與SMS服務(wù)器建立起數(shù)據(jù)通信關(guān)系，最終通過(guò)云服務(wù)數(shù)據(jù)中心傳送到應(yīng)用程序服務(wù)器［6］。人員通過(guò)設(shè)備就能獲取不同的信號(hào)信息以作調(diào)整。電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。圖1中的電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總結(jié)架構(gòu)可分為四個(gè)層次:智能感知層主要負(fù)責(zé)一定距離內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中傳遞的各種網(wǎng)絡(luò)信息的接收，同通信設(shè)備間的連接通過(guò)短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)［7］，智能感知層是網(wǎng)絡(luò)中的最底部，其主要的功能是通過(guò)傳感器來(lái)接受外界的數(shù)據(jù)和處理所接受的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)端部的智能化［8］;數(shù)據(jù)通信層通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)傳輸來(lái)自傳感器所傳達(dá)的信息，它是感知層與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接的橋梁;信息集成層將大量的信息資源接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化管理，挖掘數(shù)據(jù)采集價(jià)值，提高效率;智能感應(yīng)層為物聯(lián)網(wǎng)的最頂端，接受傳感器通過(guò)處理傳輸?shù)男畔ⅲ瑢?shí)現(xiàn)通信的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的接受和識(shí)別，對(duì)輸電線路實(shí)施在線監(jiān)測(cè)。

2優(yōu)化方案關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

在圖1的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，處理事故功能。主要亮點(diǎn)在于:①通過(guò)新型LPWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，降低運(yùn)營(yíng)成本的投入，并采用星型組網(wǎng)方式可同時(shí)連接多種設(shè)備，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率;②使用Viterbi算法并將算法進(jìn)行改進(jìn)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在多個(gè)電力設(shè)備中不同故障點(diǎn)的精確定位，通過(guò)Viterbi算法網(wǎng)絡(luò)提高了該技術(shù)的計(jì)算速率，能夠?qū)崟r(shí)反射出故障信息［9］。

2．1低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)技術(shù)

廣域網(wǎng)連接的距離可達(dá)到幾十千米以上，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)特定方式連接，實(shí)現(xiàn)局域資源與廣域資源的共享。廣域網(wǎng)結(jié)構(gòu)仿真示意圖如圖2所示。廣域網(wǎng)是由兩個(gè)以上的局域網(wǎng)通過(guò)特定的連接方式相互連接所形成的。一般一個(gè)地區(qū)的供電系統(tǒng)統(tǒng)一組成一個(gè)局域網(wǎng)，一個(gè)省級(jí)的范圍較大則需連成一個(gè)廣域網(wǎng)。如果一個(gè)電力企業(yè)的規(guī)模過(guò)大，則需要和其他的局域網(wǎng)相互連接來(lái)滿足生產(chǎn)需求。目前采用新型LPWAN網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中不同的傳送技術(shù)。LPWAN技術(shù)具有覆蓋面積廣、能耗低和連接數(shù)量多等優(yōu)點(diǎn)，可為電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供較完美的解決方案。LPWAN技術(shù)和目前的電力專網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)相輔相成，共同促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其輸電線路檢測(cè)模型如圖3所示。LPWAN技術(shù)目前是我國(guó)主流技術(shù)，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)過(guò)去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。本文采用了NB-IoT技術(shù)，相比傳統(tǒng)的藍(lán)牙、ZigBee等功耗大、距離短的技術(shù)，NB-IOT具備覆蓋范圍廣、應(yīng)用靈活以及適應(yīng)大型的電網(wǎng)連接數(shù)量等特點(diǎn)，對(duì)不同的電網(wǎng)場(chǎng)合能靈活使用。NB-IoT是IoT規(guī)模創(chuàng)新的技術(shù)，因它在連接中功耗低、使用時(shí)間長(zhǎng)，所以被稱為L(zhǎng)PWAN。NB-IoT配用的電池壽命可以提升至少10年，同時(shí)還能讓數(shù)據(jù)連接更加全面。NB-IoT比GPRS來(lái)說(shuō)，主要的特點(diǎn)就是功耗低，除NB-IoT的傳輸速率比較低以外，又把eDRX省電技術(shù)和PSM省電技術(shù)加入NB-IoT。在eDRS省電技術(shù)情形下，減少信號(hào)接收單元不必要的啟動(dòng)，在PSM省電技術(shù)下，NB-IoT終端仍在注冊(cè)，但是不接受指令，從而使更長(zhǎng)的時(shí)間留在深度睡眠以達(dá)到省電的目的。NB-IoT的多址技術(shù)，上行采用SC-FDMA，下行采用OFDMA。上行發(fā)射功率為23dBm，下行為43dBm。調(diào)制方法以QPSK和PSK為主。如果設(shè)置周期為10min，設(shè)備每天上傳一次設(shè)備。兩節(jié)5號(hào)電池可以用9年之久，如表1所示。由表1可知:在對(duì)于精密和安全要求高的地方監(jiān)測(cè)周期為10s，設(shè)備每15min上傳一次，NB-IoT可以使用4～5個(gè)月;而對(duì)于安全性高的設(shè)備監(jiān)測(cè)周期1d，設(shè)備一年上傳一次，NB-IoT可達(dá)到12a之久。

2．2Viterbi算法及其改進(jìn)

非侵入式監(jiān)測(cè)方法通常采用Viterbi算法進(jìn)行求解，它屬于一種動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，該算法不僅能夠減少對(duì)電力監(jiān)測(cè)過(guò)程中非侵入式監(jiān)測(cè)方法求解耗時(shí)問(wèn)題，對(duì)不同的用電場(chǎng)合也可適用。首先使用HMM對(duì)總的負(fù)荷和電力設(shè)備進(jìn)行建模，將所有的電力設(shè)備建成一個(gè)HMM。用電設(shè)備為HMM狀態(tài)，總的負(fù)荷功率為HMM的觀測(cè)。HMM主要由以下五部分組成:(1)狀態(tài)集S={s1，s2，···，sK}。式中:K為模型的狀態(tài)數(shù);sK為模型的第K個(gè)狀態(tài)。(2)觀測(cè)集V。如果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，則V是連續(xù)的，如果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行間段監(jiān)測(cè)，則V是斷續(xù)狀態(tài)的。(3)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率A={aij}。式中:aij為模型從狀態(tài)si轉(zhuǎn)移到狀態(tài)sj的概率。則(4)觀測(cè)概率B={bi(o)}。式中:bi(o)為狀態(tài)在si的條件下觀測(cè)為o(o∈V)的概率(或概率密度)，即bi(o)=P(osi)(2)如果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，bi(o)為觀測(cè)概率，如果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行離散觀測(cè)，bi(o)為觀測(cè)概率密度。(5)初始狀態(tài)概率π={πi}。式中:πi為初始狀態(tài)下si的概率。則πi=P(q1=si)(3)式(3)為NILM問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述，一般采取屬于動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的Viterbi計(jì)算方法進(jìn)行求解，它通過(guò)瀏覽所有的移動(dòng)情況來(lái)查找最佳的序列狀況。傳統(tǒng)的Viterbi算法計(jì)算復(fù)雜度過(guò)高，它需要每時(shí)每刻計(jì)算并比較所有狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況概率，在輸變電用電設(shè)備較多的場(chǎng)合，增加了對(duì)HMM求解時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的計(jì)算難度。針對(duì)這一問(wèn)題，本文對(duì)Viterbi算法進(jìn)行了改進(jìn)，使用相鄰兩個(gè)用電設(shè)備，用電量之間的狀態(tài)維持不改變，只在用電量發(fā)生改變時(shí)才去考慮用電設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變，縮減了Vit-erbi算法游歷項(xiàng)目，降低了Viterbi計(jì)算復(fù)雜程度，同時(shí)在用電設(shè)備較多的場(chǎng)合也適用。改進(jìn)Viterbi算法步驟如下:(1)初始化定義兩個(gè)輔助變量δ'1(i)和ψ'1(i)δ'1(i)=πi·(aij)l1－1式中:δ'd(j)為沿路徑(狀態(tài)序列)Q1，Q2，…，Qd(且Qd=si)產(chǎn)生觀測(cè)序列y1，y2，…，yt的最大概率，其中Qd表示第d段序列的狀態(tài);ψ'd(j)為最大化δ'd(j)的第d－1段序列的狀態(tài)，d∈{1，2，…，D}。(3)終止(4)狀態(tài)序列回溯通過(guò)上述步驟，可求得總負(fù)荷功率序列Y對(duì)應(yīng)最佳用電設(shè)備系列本文對(duì)Viterbi算法進(jìn)行改進(jìn)，最大極限縮減了NILM問(wèn)題的求解耗時(shí)，提高了Viterbi算法在NILM應(yīng)用中的適用性，擴(kuò)展了電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用范圍。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文物聯(lián)網(wǎng)在設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)上的應(yīng)用效果，本文將Internet交互方式和光纖通信方式進(jìn)行對(duì)比。對(duì)某輸變站電力公司進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使用新型LPWAN技術(shù)，添加NB-IoT無(wú)線通信，通過(guò)云數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用改進(jìn)Viterbi算法分析評(píng)估并實(shí)行在線監(jiān)測(cè)。在試驗(yàn)時(shí)，采用的硬件計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為MicrosoftWindows2015，64位［10］，主要開(kāi)發(fā)工具為VisualStu-dio2015和OpenCV3．0。運(yùn)行環(huán)境硬件參數(shù)為CPU:Inter(R)Core(TM)i7;主頻為2．59GHz;內(nèi)存16G。圖4為某輸變站電力公司做監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的架構(gòu)示意圖。對(duì)本研究的組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)30個(gè)不同的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)對(duì)三種不同的方法在數(shù)據(jù)接收量上進(jìn)行對(duì)比，假設(shè)輸出相同數(shù)數(shù)據(jù)量，該數(shù)據(jù)量為5000GB，在1h內(nèi)，接收到的數(shù)據(jù)信息如表2所示。通過(guò)數(shù)據(jù)接收對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在相同的時(shí)間內(nèi)，采用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，數(shù)據(jù)接收量較多。因此，在應(yīng)用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時(shí)，電力設(shè)備監(jiān)測(cè)效率高。再?gòu)慕M網(wǎng)方案延時(shí)方面進(jìn)行對(duì)比分析。組網(wǎng)方案延時(shí)時(shí)間對(duì)比示意圖如圖5所示。在采用三種不同組網(wǎng)方式后，隨著組網(wǎng)數(shù)據(jù)量的增多。組網(wǎng)延時(shí)時(shí)間增多，傳統(tǒng)技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方式時(shí)間增加，光纖通信的方式時(shí)間也在增加。但是與光纖通信相比，時(shí)間明顯降低，在采用本文的物聯(lián)網(wǎng)方式之后，所耗費(fèi)的時(shí)間最小，說(shuō)明本文方式通信效率高。因此，本文方法提高了電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的效率。對(duì)采用LPWAN無(wú)線通信監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行驗(yàn)證，再利用傳統(tǒng)技術(shù)中的終端設(shè)備通信的方式與本文方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出圖6所示的對(duì)比圖。通過(guò)圖6可以看出，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，一般在0．5～5a之間，傳輸距離在5km以下。采用LPWAN無(wú)線通信監(jiān)測(cè)方法待機(jī)時(shí)長(zhǎng)可達(dá)到6a以上，有的芯片甚至能達(dá)到11a，它的傳輸距離一般在10～20km。由此可知，LPWAN不僅節(jié)能而且傳輸距離廣，無(wú)論在大型的電網(wǎng)中還是在基型的電網(wǎng)中都可廣泛適用。對(duì)文獻(xiàn)［1］方法(在線監(jiān)測(cè)通信的方式)與本文改進(jìn)Viterbi方法在求解的準(zhǔn)確率方面進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比示意圖如圖7所示。從圖7可以看出，隨著監(jiān)測(cè)電力設(shè)備數(shù)據(jù)量不斷增加，本文所采用的改進(jìn)型Viterbi算法要比文獻(xiàn)［1］所用的基礎(chǔ)型Viterbi準(zhǔn)確率要高，采集耗時(shí)相對(duì)較短。在數(shù)據(jù)量為2TB時(shí)，本文采集系統(tǒng)采集準(zhǔn)確率要高出大約10%。由此可見(jiàn)，本文所使用的改進(jìn)型Viterbi算法在電力設(shè)備中具有高精準(zhǔn)度和高效性。

4結(jié)束語(yǔ)

在電網(wǎng)技術(shù)信息化、智能化發(fā)展的形勢(shì)下，LPWAN技術(shù)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)，使電力調(diào)度方案逐步邁向新的歷史時(shí)代。本文區(qū)別于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中對(duì)在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，在組網(wǎng)方式和計(jì)算速率上實(shí)現(xiàn)了技術(shù)方案。通過(guò)仿真，本文設(shè)計(jì)的電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)方案提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，使電力企業(yè)在面對(duì)不同通信需求時(shí)，能夠快速實(shí)現(xiàn)并達(dá)到最佳效果。本文的技術(shù)方案使得電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)提升到一個(gè)新的技術(shù)高度，也為未來(lái)相關(guān)LPWAN技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)一步研究奠定理論基礎(chǔ)和事實(shí)依據(jù)。

作者:高崧 郭磊 單位:國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司