物聯(lián)網(wǎng)技術在電力設備在線監(jiān)測中應用
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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)絡架構對電網(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備，提高網(wǎng)絡運行效率。使用Viterbi算法并將算法進行改進，實現(xiàn)在多個電力設備中不同故障點的精確定位，并通過Viterbi算法網(wǎng)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(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)了電力設備在線監(jiān)測，使在線監(jiān)測技術達到了新的技術水平。
關鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)技術;在線監(jiān)測;電力電網(wǎng);輸電線路;設備通信
0引言
隨著信息科技化的發(fā)展，人們對于電力設施的需求也在提高，隨之電網(wǎng)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(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)技術相結合，將電力設備推向了智能化、信息化。使用物聯(lián)網(wǎng)技術對電力設備進行狀態(tài)監(jiān)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(xiàn)電力設備監(jiān)測就成為當前亟待解決的技術問題。文獻［3］電網(wǎng)錯綜復雜，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(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，使得監(jiān)測電力設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缺陷，本文提出了將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于電力設備在線監(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電力設備物聯(lián)網(wǎng)體系構架
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服務器與SMS服務器建立起數(shù)據(jù)通信關系，最終通過云服務數(shù)據(jù)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(diào)整。電力設備在線監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體架構如圖1所示。圖1中的電力設備在線監(jiān)測系統(tǒng)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(nèi)系統(tǒng)運行過程中傳遞的各種網(wǎng)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(wǎng)絡實現(xiàn)［7］，智能感知層是網(wǎng)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(shù)據(jù)和處理所接受的信號，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡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)化方案關鍵技術設計
在圖1的系統(tǒng)架構設計中，應用電力設備的在線監(jiān)測技術能夠及時發(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)絡架構對電網(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備，提高網(wǎng)絡運行效率;②使用Viterbi算法并將算法進行改進，該技術能夠?qū)崿F(xiàn)在多個電力設備中不同故障點的精確定位，通過Viterbi算法網(wǎng)絡提高了該技術的計算速率，能夠?qū)崟r反射出故障信息［9］。
2．1低功耗廣域網(wǎng)絡(LPWAN)技術
廣域網(wǎng)連接的距離可達到幾十千米以上，網(wǎng)絡通過特定方式連接，實現(xiàn)局域資源與廣域資源的共享。廣域網(wǎng)結構仿真示意圖如圖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)絡組網(wǎng)架構實現(xiàn)網(wǎng)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(shù)量多等優(yōu)點，可為電力物聯(lián)網(wǎng)技術提供較完美的解決方案。LPWAN技術和目前的電力專網(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技術目前是我國主流技術，通過無線通信技術可以實現(xiàn)過去無法實現(xiàn)的功能。本文采用了NB-IoT技術，相比傳統(tǒng)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(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，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(fā)射功率為23dBm，下行為43dBm。調(diào)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(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(jiān)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(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(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(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(jiān)測中的應用范圍。
3試驗結果與分析
為了驗證本文物聯(lián)網(wǎng)在設備在線監(jiān)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(jiān)測，使用新型LPWAN技術，添加NB-IoT無線通信，通過云數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O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)測試驗的架構示意圖。對本研究的組網(wǎng)架構進行驗證。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，數(shù)據(jù)接收量較多。因此，在應用電力物聯(lián)網(wǎng)技術時，電力設備監(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(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算法在電力設備中具有高精準度和高效性。
4結束語
在電網(wǎng)技術信息化、智能化發(fā)展的形勢下，LPWAN技術逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的組網(wǎng)技術，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)技術中對在線監(jiān)測的應用，在組網(wǎng)方式和計算速率上實現(xiàn)了技術方案。通過仿真，本文設計的電力設備在線監(jiān)測方案提高了網(wǎng)絡資源利用率，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。本文的技術方案使得電力設備在線監(jiān)測提升到一個新的技術高度，也為未來相關LPWAN技術的發(fā)展和進一步研究奠定理論基礎和事實依據(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
