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

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摘要:針對目前電網(wǎng)輸電線路的管理和監(jiān)測困難問題，通過新型LPWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對電網(wǎng)進行實時監(jiān)測，降低運營成本的投入，并采用星型組網(wǎng)方式同時連接多種設(shè)備，提高網(wǎng)絡(luò)運行效率。使用Viterbi算法并將算法進行改進，實現(xiàn)在多個電力設(shè)備中不同故障點的精確定位，并通過Viterbi算法網(wǎng)絡(luò)提高了計算速率，實時反射出故障信息。通過試驗驗證，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了電力設(shè)備在線監(jiān)測，使在線監(jiān)測技術(shù)達到了新的技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);在線監(jiān)測;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復(fù)雜。為提高電力設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性［1－2］，需實時監(jiān)控整個運轉(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)對電力設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測，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)。如何實現(xiàn)電力設(shè)備監(jiān)測就成為當前亟待解決的技術(shù)問題。文獻［3］電網(wǎng)錯綜復(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，有些信息比較單一無法高效利用，各種輸變站和狀態(tài)檢測系統(tǒng)得不到統(tǒng)一標準化。用傳統(tǒng)的方法解決這些問題，大大提高了運行經(jīng)濟成本。文獻［4］在實時監(jiān)控系統(tǒng)加入了低頻振蕩創(chuàng)新技術(shù)，使得監(jiān)測電力設(shè)備的可靠性大大提高，但由于計算的數(shù)據(jù)量較大，算法時間相對長，系統(tǒng)的在線監(jiān)測會有延時性。針對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)測系統(tǒng)中，既解決了運行成本問題，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)測體系包括四個層面，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。使用傳感器對外界的信息采集和信號處理，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］。人員通過設(shè)備就能獲取不同的信號信息以作調(diào)整。電力設(shè)備在線監(jiān)測物聯(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)測系統(tǒng)總結(jié)架構(gòu)可分為四個層次:智能感知層主要負責一定距離內(nèi)系統(tǒng)運行過程中傳遞的各種網(wǎng)絡(luò)信息的接收，同通信設(shè)備間的連接通過短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(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傳感器來接受外界的數(shù)據(jù)和處理所接受的信號，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)計算機端部的智能化［8］;數(shù)據(jù)通信層通過無線通信網(wǎng)傳輸來自傳感器所傳達的信息，它是感知層與計算機系統(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，實現(xiàn)統(tǒng)一化管理，挖掘數(shù)據(jù)采集價值，提高效率;智能感應(yīng)層為物聯(lián)網(wǎng)的最頂端，接受傳感器通過處理傳輸?shù)男畔ⅲ瑢崿F(xiàn)通信的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的接受和識別，對輸電線路實施在線監(jiān)測。

2優(yōu)化方案關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

在圖1的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)用電力設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)能夠及時發(fā)現(xiàn)隱患，處理事故功能。主要亮點在于:①通過新型LPWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對電網(wǎng)進行實時監(jiān)測，降低運營成本的投入，并采用星型組網(wǎng)方式可同時連接多種設(shè)備，提高網(wǎng)絡(luò)運行效率;②使用Viterbi算法并將算法進行改進，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在多個電力設(shè)備中不同故障點的精確定位，通過Viterbi算法網(wǎng)絡(luò)提高了該技術(shù)的計算速率，能夠?qū)崟r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)連接的距離可達到幾十千米以上，網(wǎng)絡(luò)通過特定方式連接，實現(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)是由兩個以上的局域網(wǎng)通過特定的連接方式相互連接所形成的。一般一個地區(qū)的供電系統(tǒng)統(tǒng)一組成一個局域網(wǎng)，一個省級的范圍較大則需連成一個廣域網(wǎng)。如果一個電力企業(yè)的規(guī)模過大，則需要和其他的局域網(wǎng)相互連接來滿足生產(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，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)、無線網(wǎng)相輔相成，共同促進物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其輸電線路檢測模型如圖3所示。LPWAN技術(shù)目前是我國主流技術(shù)，通過無線通信技術(shù)可以實現(xiàn)過去無法實現(xiàn)的功能。本文采用了NB-IoT技術(shù)，相比傳統(tǒng)的藍牙、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，對不同的電網(wǎng)場合能靈活使用。NB-IoT是IoT規(guī)模創(chuàng)新的技術(shù)，因它在連接中功耗低、使用時間長，所以被稱為LPWAN。NB-IoT配用的電池壽命可以提升至少10年，同時還能讓數(shù)據(jù)連接更加全面。NB-IoT比GPRS來說，主要的特點就是功耗低，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，減少信號接收單元不必要的啟動，在PSM省電技術(shù)下，NB-IoT終端仍在注冊，但是不接受指令，從而使更長的時間留在深度睡眠以達到省電的目的。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號電池可以用9年之久，如表1所示。由表1可知:在對于精密和安全要求高的地方監(jiān)測周期為10s，設(shè)備每15min上傳一次，NB-IoT可以使用4～5個月;而對于安全性高的設(shè)備監(jiān)測周期1d，設(shè)備一年上傳一次，NB-IoT可達到12a之久。

2．2Viterbi算法及其改進

非侵入式監(jiān)測方法通常采用Viterbi算法進行求解，它屬于一種動態(tài)規(guī)劃算法，該算法不僅能夠減少對電力監(jiān)測過程中非侵入式監(jiān)測方法求解耗時問題，對不同的用電場合也可適用。首先使用HMM對總的負荷和電力設(shè)備進行建模，將所有的電力設(shè)備建成一個HMM。用電設(shè)備為HMM狀態(tài)，總的負荷功率為HMM的觀測。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個狀態(tài)。(2)觀測集V。如果對系統(tǒng)進行持續(xù)觀測，則V是連續(xù)的，如果對系統(tǒng)進行間段監(jiān)測，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)觀測概率B={bi(o)}。式中:bi(o)為狀態(tài)在si的條件下觀測為o(o∈V)的概率(或概率密度)，即bi(o)=P(osi)(2)如果對系統(tǒng)進行連續(xù)觀測，bi(o)為觀測概率，如果對系統(tǒng)進行離散觀測，bi(o)為觀測概率密度。(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問題的數(shù)學(xué)描述，一般采取屬于動態(tài)規(guī)劃算法的Viterbi計算方法進行求解，它通過瀏覽所有的移動情況來查找最佳的序列狀況。傳統(tǒng)的Viterbi算法計算復(fù)雜度過高，它需要每時每刻計算并比較所有狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況概率，在輸變電用電設(shè)備較多的場合，增加了對HMM求解時間較長，同時也增加了系統(tǒng)的計算難度。針對這一問題，本文對Viterbi算法進行了改進，使用相鄰兩個用電設(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算法游歷項目，降低了Viterbi計算復(fù)雜程度，同時在用電設(shè)備較多的場合也適用。改進Viterbi算法步驟如下:(1)初始化定義兩個輔助變量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)序列回溯通過上述步驟，可求得總負荷功率序列Y對應(yīng)最佳用電設(shè)備系列本文對Viterbi算法進行改進，最大極限縮減了NILM問題的求解耗時，提高了Viterbi算法在NILM應(yīng)用中的適用性，擴展了電力設(shè)備在線監(jiān)測中的應(yīng)用范圍。

3試驗結(jié)果與分析

為了驗證本文物聯(lián)網(wǎng)在設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)上的應(yīng)用效果，本文將Internet交互方式和光纖通信方式進行對比。對某輸變站電力公司進行實時監(jiān)測，使用新型LPWAN技術(shù)，添加NB-IoT無線通信，通過云數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備進行監(jiān)測，利用改進Viterbi算法分析評估并實行在線監(jiān)測。在試驗時，采用的硬件計算機操作系統(tǒng)為MicrosoftWindows2015，64位［10］，主要開發(fā)工具為VisualStu-dio2015和OpenCV3．0。運行環(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)測試驗的架構(gòu)示意圖。對本研究的組網(wǎng)架構(gòu)進行驗證。通過30個不同的數(shù)據(jù)節(jié)點對三種不同的方法在數(shù)據(jù)接收量上進行對比，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。通過數(shù)據(jù)接收對比，發(fā)現(xiàn)在相同的時間內(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，電力設(shè)備監(jiān)測效率高。再從組網(wǎng)方案延時方面進行對比分析。組網(wǎng)方案延時時間對比示意圖如圖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)延時時間增多，傳統(tǒng)技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方式時間增加，光纖通信的方式時間也在增加。但是與光纖通信相比，時間明顯降低，在采用本文的物聯(lián)網(wǎng)方式之后，所耗費的時間最小，說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)測的效率。對采用LPWAN無線通信監(jiān)測方式進行驗證，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行對比分析，得出圖6所示的對比圖。通過圖6可以看出，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法待機時長，一般在0．5～5a之間，傳輸距離在5km以下。采用LPWAN無線通信監(jiān)測方法待機時長可達到6a以上，有的芯片甚至能達到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。對文獻［1］方法(在線監(jiān)測通信的方式)與本文改進Viterbi方法在求解的準確率方面進行對比，監(jiān)測準確率對比示意圖如圖7所示。從圖7可以看出，隨著監(jiān)測電力設(shè)備數(shù)據(jù)量不斷增加，本文所采用的改進型Viterbi算法要比文獻［1］所用的基礎(chǔ)型Viterbi準確率要高，采集耗時相對較短。在數(shù)據(jù)量為2TB時，本文采集系統(tǒng)采集準確率要高出大約10%。由此可見，本文所使用的改進型Viterbi算法在電力設(shè)備中具有高精準度和高效性。

4結(jié)束語

在電網(wǎng)技術(shù)信息化、智能化發(fā)展的形勢下，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代。本文區(qū)別于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中對在線監(jiān)測的應(yīng)用，在組網(wǎng)方式和計算速率上實現(xiàn)了技術(shù)方案。通過仿真，本文設(shè)計的電力設(shè)備在線監(jiān)測方案提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，使電力企業(yè)在面對不同通信需求時，能夠快速實現(xiàn)并達到最佳效果。本文的技術(shù)方案使得電力設(shè)備在線監(jiān)測提升到一個新的技術(shù)高度，也為未來相關(guān)LPWAN技術(shù)的發(fā)展和進一步研究奠定理論基礎(chǔ)和事實依據(jù)。

作者:高崧 郭磊 單位:國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司