物聯網技術在電力設備在線監測中應用

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摘要:針對目前電網輸電線路的管理和監測困難問題，通過新型LPWAN網絡架構對電網進行實時監測，降低運營成本的投入，并采用星型組網方式同時連接多種設備，提高網絡運行效率。使用Viterbi算法并將算法進行改進，實現在多個電力設備中不同故障點的精確定位，并通過Viterbi算法網絡提高了計算速率，實時反射出故障信息。通過試驗驗證，物聯網技術實現了電力設備在線監測，使在線監測技術達到了新的技術水平。

關鍵詞:物聯網技術;在線監測;電力電網;輸電線路;設備通信

0引言

隨著信息科技化的發展，人們對于電力設施的需求也在提高，隨之電網的結構和輸電線路也變得相對復雜。為提高電力設備的安全性與穩定性［1－2］，需實時監控整個運轉狀態，其與物聯網技術相結合，將電力設備推向了智能化、信息化。使用物聯網技術對電力設備進行狀態監測，提升了一次設備的感知能力，將用電設施推向智能化服務。如何實現電力設備監測就成為當前亟待解決的技術問題。文獻［3］電網錯綜復雜，數據信息多元化，但是數據在不同系統中以不同結構存儲，有些信息比較單一無法高效利用，各種輸變站和狀態檢測系統得不到統一標準化。用傳統的方法解決這些問題，大大提高了運行經濟成本。文獻［4］在實時監控系統加入了低頻振蕩創新技術，使得監測電力設備的可靠性大大提高，但由于計算的數據量較大，算法時間相對長，系統的在線監測會有延時性。針對上述研究存在的技術缺陷，本文提出了將物聯網技術應用于電力設備在線監測系統中，既解決了運行成本問題，又提高了系統的可靠性和穩定性［5］。

1電力設備物聯網體系構架

本文中，電力物聯網的變電站在線監測體系包括四個層面，它主要由智能感知層、數據通信層、信息集成層和智能應用層組成。使用傳感器對外界的信息采集和信號處理，系統中GPPS服務器與SMS服務器建立起數據通信關系，最終通過云服務數據中心傳送到應用程序服務器［6］。人員通過設備就能獲取不同的信號信息以作調整。電力設備在線監測物聯網系統總體架構如圖1所示。圖1中的電力設備在線監測系統總結架構可分為四個層次:智能感知層主要負責一定距離內系統運行過程中傳遞的各種網絡信息的接收，同通信設備間的連接通過短距離無線通信網絡實現［7］，智能感知層是網絡中的最底部，其主要的功能是通過傳感器來接受外界的數據和處理所接受的信號，從而實現網絡計算機端部的智能化［8］;數據通信層通過無線通信網傳輸來自傳感器所傳達的信息，它是感知層與計算機系統連接的橋梁;信息集成層將大量的信息資源接入物聯網平臺，實現統一化管理，挖掘數據采集價值，提高效率;智能感應層為物聯網的最頂端，接受傳感器通過處理傳輸的信息，實現通信的轉換、數據的接受和識別，對輸電線路實施在線監測。

2優化方案關鍵技術設計

在圖1的系統架構設計中，應用電力設備的在線監測技術能夠及時發現隱患，處理事故功能。主要亮點在于:①通過新型LPWAN網絡架構對電網進行實時監測，降低運營成本的投入，并采用星型組網方式可同時連接多種設備，提高網絡運行效率;②使用Viterbi算法并將算法進行改進，該技術能夠實現在多個電力設備中不同故障點的精確定位，通過Viterbi算法網絡提高了該技術的計算速率，能夠實時反射出故障信息［9］。

2．1低功耗廣域網絡(LPWAN)技術

廣域網連接的距離可達到幾十千米以上，網絡通過特定方式連接，實現局域資源與廣域資源的共享。廣域網結構仿真示意圖如圖2所示。廣域網是由兩個以上的局域網通過特定的連接方式相互連接所形成的。一般一個地區的供電系統統一組成一個局域網，一個省級的范圍較大則需連成一個廣域網。如果一個電力企業的規模過大，則需要和其他的局域網相互連接來滿足生產需求。目前采用新型LPWAN網絡組網架構實現網絡中不同的傳送技術。LPWAN技術具有覆蓋面積廣、能耗低和連接數量多等優點，可為電力物聯網技術提供較完美的解決方案。LPWAN技術和目前的電力專網、無線網相輔相成，共同促進物聯網的發展，其輸電線路檢測模型如圖3所示。LPWAN技術目前是我國主流技術，通過無線通信技術可以實現過去無法實現的功能。本文采用了NB-IoT技術，相比傳統的藍牙、ZigBee等功耗大、距離短的技術，NB-IOT具備覆蓋范圍廣、應用靈活以及適應大型的電網連接數量等特點，對不同的電網場合能靈活使用。NB-IoT是IoT規模創新的技術，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，同時還能讓數據連接更加全面。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省電技術和PSM省電技術加入NB-IoT。在eDRS省電技術情形下，減少信號接收單元不必要的啟動，在PSM省電技術下，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，上行采用SC-FDMA，下行采用OFDMA。上行發射功率為23dBm，下行為43dBm。調制方法以QPSK和PSK為主。如果設置周期為10min，設備每天上傳一次設備。兩節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測周期為10s，設備每15min上傳一次，NB-IoT可以使用4～5個月;而對于安全性高的設備監測周期1d，設備一年上傳一次，NB-IoT可達到12a之久。

2．2Viterbi算法及其改進

非侵入式監測方法通常采用Viterbi算法進行求解，它屬于一種動態規劃算法，該算法不僅能夠減少對電力監測過程中非侵入式監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備進行建模，將所有的電力設備建成一個HMM。用電設備為HMM狀態，總的負荷功率為HMM的觀測。HMM主要由以下五部分組成:(1)狀態集S={s1，s2，···，sK}。式中:K為模型的狀態數;sK為模型的第K個狀態。(2)觀測集V。如果對系統進行持續觀測，則V是連續的，如果對系統進行間段監測，則V是斷續狀態的。(3)狀態轉移概率A={aij}。式中:aij為模型從狀態si轉移到狀態sj的概率。則(4)觀測概率B={bi(o)}。式中:bi(o)為狀態在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)如果對系統進行連續觀測，bi(o)為觀測概率，如果對系統進行離散觀測，bi(o)為觀測概率密度。(5)初始狀態概率π={πi}。式中:πi為初始狀態下si的概率。則πi=P(q1=si)(3)式(3)為NILM問題的數學描述，一般采取屬于動態規劃算法的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。傳統的Viterbi算法計算復雜度過高，它需要每時每刻計算并比較所有狀態轉移情況概率，在輸變電用電設備較多的場合，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備，用電量之間的狀態維持不改變，只在用電量發生改變時才去考慮用電設備狀態發生改變，縮減了Vit-erbi算法游歷項目，降低了Viterbi計算復雜程度，同時在用電設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(狀態序列)Q1，Q2，…，Qd(且Qd=si)產生觀測序列y1，y2，…，yt的最大概率，其中Qd表示第d段序列的狀態;ψ'd(j)為最大化δ'd(j)的第d－1段序列的狀態，d∈{1，2，…，D}。(3)終止(4)狀態序列回溯通過上述步驟，可求得總負荷功率序列Y對應最佳用電設備系列本文對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應用中的適用性，擴展了電力設備在線監測中的應用范圍。

3試驗結果與分析

為了驗證本文物聯網在設備在線監測技術上的應用效果，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測，使用新型LPWAN技術，添加NB-IoT無線通信，通過云數據傳輸到設備進行監測，利用改進Viterbi算法分析評估并實行在線監測。在試驗時，采用的硬件計算機操作系統為MicrosoftWindows2015，64位［10］，主要開發工具為VisualStu-dio2015和OpenCV3．0。運行環境硬件參數為CPU:Inter(R)Core(TM)i7;主頻為2．59GHz;內存16G。圖4為某輸變站電力公司做監測試驗的架構示意圖。對本研究的組網架構進行驗證。通過30個不同的數據節點對三種不同的方法在數據接收量上進行對比，假設輸出相同數數據量，該數據量為5000GB，在1h內，接收到的數據信息如表2所示。通過數據接收對比，發現在相同的時間內，采用物聯網通信技術，數據接收量較多。因此，在應用電力物聯網技術時，電力設備監測效率高。再從組網方案延時方面進行對比分析。組網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方式后，隨著組網數據量的增多。組網延時時間增多，傳統技術的互聯網組網方式時間增加，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，在采用本文的物聯網方式之后，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備在線監測的效率。對采用LPWAN無線通信監測方式進行驗證，再利用傳統技術中的終端設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，傳統的監測方法待機時長，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不僅節能而且傳輸距離廣，無論在大型的電網中還是在基型的電網中都可廣泛適用。對文獻［1］方法(在線監測通信的方式)與本文改進Viterbi方法在求解的準確率方面進行對比，監測準確率對比示意圖如圖7所示。從圖7可以看出，隨著監測電力設備數據量不斷增加，本文所采用的改進型Viterbi算法要比文獻［1］所用的基礎型Viterbi準確率要高，采集耗時相對較短。在數據量為2TB時，本文采集系統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算法在電力設備中具有高精準度和高效性。

4結束語

在電網技術信息化、智能化發展的形勢下，LPWAN技術逐步代替傳統的組網技術，使電力調度方案逐步邁向新的歷史時代。本文區別于物聯網技術中對在線監測的應用，在組網方式和計算速率上實現了技術方案。通過仿真，本文設計的電力設備在線監測方案提高了網絡資源利用率，使電力企業在面對不同通信需求時，能夠快速實現并達到最佳效果。本文的技術方案使得電力設備在線監測提升到一個新的技術高度，也為未來相關LPWAN技術的發展和進一步研究奠定理論基礎和事實依據。

作者:高崧 郭磊 單位:國網冀北電力有限公司信息通信分公司