基于传感器技术的电网监控与管理研究

巨朋真，李军丹

（郑州工业应用技术学院，河南 郑州 451150）

0 引 言

近年来，随着电力系统规模的不断扩大和电网复杂性的不断增加，对电网的监控与管理需求日益迫切。为了实现电网的高效、智能和可持续管理，传感器作为先进的信息采集和处理工具被广泛应用于电网监控与管理领域[1,2]。在电力系统中，传感器被广泛应用于电网设备的状态监测、故障诊断、能源管理、负荷预测以及电力质量监测等方面，为电网运行优化和电力管理决策提供了强大的技术支持[3,4]。如何充分利用传感器技术的优势，解决电网监控与管理中存在的技术、经济、安全及隐私等问题，成为当前电力领域研究的热点和难点。因此，基于传感器技术的电网监控与管理研究具有重要的理论和实践意义。文章对基于传感器技术的电网监控与管理研究进行进一步拓展，提出了一种新的设计方案。

1 系统设计

基于传感器技术的智能电网监测系统包括数据采集层、数据传输层和数据应用层3 个层级。其中，数据采集层包括ZigBee 终端节点，即各种传感器，如倾斜传感器、风速风向传感器、温湿度传感器及光照传感器[5,6]；数据传输层包括ZigBee 协调器和通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）[7]；数据应用层包括Internet、服务器、远程客户端。基于传感器技术的智能电网监控与管理系统架构如图1 所示。

图1 基于传感器技术的智能电网监控与管理系统架构

数据采集层是系统的底层，负责实时采集电网的各种参数信息。在该系统中，数据采集层包括多个类型的传感器。这些传感器分布在不同的位置，负责采集电网的各种数据，如电网的倾斜度、风速、风向、温湿度及光照强度等。

数据传输层负责将采集到的数据从数据采集层传输到数据应用层进行处理和管理。在该系统中，数据传输层包括ZigBee 协调器和GPRS。ZigBee 协调器负责与数据采集层中的ZigBee 终端节点建立无线通信连接，将采集到的数据通过无线传输方式传输到数据应用层。同时，GPRS 作为一种通信方式，可用于远程传输数据，特别适用于没有无线传输网络覆盖的地区。

数据应用层是系统的顶层，负责处理、分析和管理数据采集层传输过来的数据，为电网管理人员提供实时的监测和决策支持。在该系统中，数据应用层包括Internet、服务器和远程客户端。Internet 作为数据传输的媒介，将采集到的数据传输到服务器；服务器负责对传输过来的数据进行存储、处理和分析，运行各种算法和模型，提取有价值的信息，并生成监测报告和决策建议；远程客户端是电网管理人员使用的用户界面，通过远程客户端可以实时监测电网的状态、查看报警信息、查看历史数据以及进行远程控制等。

2 传感器网络架构

传感器技术在电网监控与管理系统中的应用可以为电网运维人员提供实时的监测和预警信息，从而实现对电网运行状态的智能管理和优化。文章聚焦于传感器技术在微气象监测、图像/视频监控、杆塔倾斜监测、微风振动监测等方面的应用展开研究。传感器网络的组网方式如图2 所示，采用了ZigBee 协议作为通信标准，主要包括ZigBee 监测节点（传感器节点）、通信子站、交换机和光纤复合架空地线（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPWG）光纤网络。传感器节点是部署在电网设备周边的传感器，负责实时采集电网设备周边的环境和设备状态信息，如图像、视频、温度及湿度等。传感器节点通过ZigBee无线通信协议将采集到的数据传输给通信子站。通信子站是一个集中式的数据汇聚节点，负责接收来自多个传感器节点的数据。通信子站使用ZigBee 通信模块与传感器节点通信，并通过本地连接或者无线连接将采集到的数据传输给交换机。交换机是负责实现数据传输的网络设备，将来自通信子站的数据通过有线或者无线方式传输到OPWG 光纤网络。交换机负责将多个传感器节点的数据进行汇聚和转发，确保数据能够顺利传输到数据应用层。

图2 传感器网络的组网方式

2.1 微气象监测

微气象监测是电网监控与管理中的一项重要任务，实时监测和预测电网周边气象条件，为电网运维人员提供实时的气象信息，以便及时采取措施应对极端气象状况。本系统通过安装在电网设备周边的传感器，如温湿度传感器、风速风向传感器、光照传感器，实时监测周边的气象参数，包括温度、湿度、风速、风向及光照强度等。另外，基于实时的气象监测数据，当监测到极端气象条件时，如高温、低温、高湿度及大风等，系统会自动触发预警和报警，通知电网运维人员及时采取措施，确保电网设备的安全运行。

微气象监测的核心元器件如表1 所示。这些传感器通过与电网设备连接或固定在电网设备周边，可以实时采集气象参数的数据，并将数据传输到数据采集层进行处理和分析。

表1 微气象监测的主要传感器

2.2 图像/视频监控

图像/视频监控在智能电网监测系统中起着重要作用，可以实时监测和远程观察电网设备周边环境和设备状态，从而提升电网的安全性和运维效率。图像/视频监控的主要作用和功能包括以下3 点：一是检测是否有异常情况发生，如火灾、泄漏、设备损坏等，及时发出警报，以便及时采取措施应对异常情况；二是电网运维人员可以远程观察电网设备周边的实时情况，包括设备状态、环境条件等，从而及时判断设备是否正常运行，做出相应的决策和调度；三是将采集到的图像/视频数据进行存储和分析，用于后续的数据挖掘、故障诊断和运维优化。

图像/视频监控系统的核心元器件主要包括图像/视频传感器、图像/视频存储设备。这些元器件通过与电网设备连接或固定在电网设备周边，实时采集图像/视频数据，并将数据传输到数据采集层进行处理和分析。

2.3 杆塔倾斜监测

杆塔倾斜监测系统是一种用于实时监测电力输电线路杆塔倾斜情况的监测系统。其主要作用是通过实时检测杆塔的倾斜角度，及时发现和预警杆塔倾斜超过安全范围，以避免杆塔倾斜导致的电力线路事故，保障电网的安全稳定运行。

杆塔倾斜监测系统的核心元器件包括倾斜传感器、数据采集器和通信模块。倾斜传感器负责实时测量杆塔的倾斜角度，并将测量数据传输给数据采集器。数据采集器负责将传感器采集到的数据进行采集和预处理。其工作方式如下：首先，倾斜传感器固定在电力输电线路杆塔上，通过测量杆塔的倾斜角度实现对杆塔的实时监测；其次，传感器采集到的倾斜角度数据通过数据采集器进行采集和处理；最后，通过通信模块将数据传输到数据处理分析单元，供电网运维人员参考，从而及时发现和处理杆塔倾斜超过安全范围的情况，保障电网的安全运行。

2.4 微风振动监测

微风振动监测系统的核心元器件包括加速度传感器和数据采集器。加速度传感器负责实时测量高空线路结构在微风环境下的振动情况，并将测量数据传输给数据采集器。数据采集器负责将传感器采集到的数据进行采集和预处理，并通过通信模块将数据传输到数据处理分析部分。其工作方式如下：首先，加速度传感器安装在高空线路结构上，通过测量结构的振动加速度数据实现微风振动的实时监测；其次，传感器采集到的振动加速度数据通过数据采集器进行采集和处理；最后，通过通信模块将数据传输到数据处理分析单元。

3 系统分析

通过对该监控与管理系统的性能做理论上的评估，本系统具有以下特点。一是实时监测，该系统通过传感器节点实时采集多种电网参数数据，实现电网状态的实时监测，有助于及时掌握电网运行情况；二是多层级数据传输，系统采用数据采集层、数据传输层和数据应用层架构，通过ZigBee 协调器、GPRS 和光纤网络等方式实现了多层级的数据传输，确保了数据的高效、稳定传输；三是多功能监测，系统涵盖了多种电网参数的监测，包括微气象参数、杆塔倾斜、风速风向、温湿度以及光照等，能够全面了解电网运行状态和环境情况，有助于提前发现潜在的问题，并采取措施进行处理，保障电网的安全运行；四是数据集成与管理，系统通过服务器和远程客户端实现了数据的集成和管理，对采集到的数据进行处理、存储和分析，为电网管理者提供科学依据，支持决策和管理。

然而，该系统还存在以下不足之处。一是成本较高，系统中涉及到多种传感器节点、数据传输设备和服务器等，成本较高，对于一些资金有限的电网管理单位可能面临一定的经济压力；二是数据处理复杂，系统采集到的数据较为复杂，包括多种传感器参数和大量实时数据，需要进行数据处理、存储和分析，对数据处理和管理的要求较高，需要一定的技术支持和专业人员进行操作和维护；三是系统部署复杂，系统涉及多个传感器节点的部署、数据传输设备的安装和配置，需要一定的工程实施和维护，部署过程较为复杂，需要充分考虑实际场景和环境，确保系统的正常运行。

4 结 论

本研究选择了多种传感器实现对电网运行状态和环境情况的实时监测。通过数据采集层、数据传输层和数据应用层实现了多层级的数据传输，确保了数据的高效、稳定传输，同时通过服务器和远程客户端的数据集成与管理，对采集到的数据进行处理、存储和分析。经评估，该系统具有实时监测、多功能监测等优点，但也存在成本较高、数据处理复杂、系统部署复杂等缺点。未来可以进一步优化系统性能、降低成本，并探索其他新型传感器技术的应用，为智能电网的应用提供更多参考。