基于电力物联网的110kV输电线路舞动监测研究

2023-08-21西北民族大学

电力设备管理 2023年13期

西北民族大学李妍

1 引言

随着电力系统的不断发展和升级，输电线路的安全运行问题日益引起人们的关注。输电线路在受到外界因素的作用下，容易发生舞动现象，进而对线路设备造成损害，严重时可能导致事故的发生。对输电线路的舞动监测与预警具有重要的意义。随着物联网技术的发展和应用，电力物联网技术在输电线路舞动监测领域得到了广泛应用。该技术通过在输电线路上安装传感器和通信模块，采集实时数据并传输到云端服务器进行处理和分析，可以实现对输电线路舞动情况的实时监测和预警，为电力系统的安全运行提供有效的保障[1]。本文就基于电力物联网技术的110kV 输电线路舞动监测系统进行了研究，以便于为输电线路的安全运行提供有力的支持和保障，同时为电力物联网技术的推广和应用提供有益的参考和借鉴。

2 电力物联网技术的应用现状和发展趋势

2.1 应用现状

随着物联网技术的发展和成熟，电力物联网技术已成为电力系统信息化建设的重要领域之一。电力物联网技术通过将传感器、通信技术、云计算和大数据等技术相结合，实现对电力设备、电力网络和电力系统的实时监测、控制和管理。电力物联网技术已在电力系统的各个领域得到广泛应用，如电力设备状态监测、电力负荷预测、电力安全生产等。电力物联网技术的应用还不断拓展和深化，如通过与人工智能、区块链等技术相结合，实现电力系统的自主学习和自主治理。可以预见，电力物联网技术的应用将为电力系统的安全、稳定、高效运行提供更加完善的技术支撑和保障。

2.2 发展趋势

电力物联网技术将进一步向着智能化、自主化方向发展。通过将物联网技术与人工智能、大数据等技术相结合，电力物联网系统将具备更加智能化的决策、控制和管理能力，实现电力系统的自主治理。

电力物联网技术将向着高可靠、高安全方向发展。在电力系统的运行中，可靠性和安全性是最为关键的因素，因此电力物联网技术将通过加强网络安全、数据质量控制等手段，提高电力物联网系统的可靠性和安全性。

电力物联网技术将向着跨行业、跨领域方向发展。在未来，电力物联网技术将与其他行业和领域的技术相结合，如与智慧城市、交通、能源等领域的技术相结合，形成一体化、跨领域的智能化系统，实现信息的共享和优化协同，为人类社会的可持续发展提供更加完善的技术支撑。

3 110kV 输电线路舞动监测重要性

监测系统舞动研判如图1所示。

图1 监测系统舞动研判

110kV 输电线路是电力系统中的重要组成部分，其安全运行关系到电力系统的稳定性和可靠性。110kV 输电线路在运行中容易发生舞动现象，这不仅会对输电线路设备造成损害，还会引发严重事故的发生，对电力系统的稳定运行造成严重影响。对110kV 输电线路的舞动监测具有重要的意义，可以及时发现和预防舞动现象的发生，保证输电线路的安全运行。基于电力物联网技术的110kV 输电线路舞动监测系统，不仅可以实现对舞动情况的实时监测和预警，还可以提高监测精度和效率，为电力系统的安全、稳定、高效运行提供有力支撑。

4 系统框架和设计方案

4.1 传感器的选择和部署方案

110kV 输电线路舞动在线监测如图2所示。

图2 110kV 输电线路舞动在线监测

基于电力物联网的110kV 输电线路舞动监测系统需要选择合适的传感器，并根据实际情况进行部署。具体选择和部署方案包括：

一是加速度传感器。加速度传感器可以测量线路振动的加速度，是监测舞动的常用传感器。可以选择黏贴在输电线路的杆塔上，也可以固定在带有夹子的杆塔表面上。部署时应注意传感器的安装位置和数量，以充分覆盖输电线路的整个长度。

二是光纤传感器。光纤传感器可以通过测量光纤的变形来监测线路的舞动。可以选择固定在输电线路上或者埋入地下，对于需要长距离传输信号的场合，可以采用光纤传感器的布放。

三是摄像头。摄像头可以拍摄线路的图像，并通过图像分析技术来判断线路的舞动情况。摄像头可以选择安装在杆塔上，也可以固定在专门的摄像架上。需要注意摄像头的分辨率和画质，以保证图像质量满足监测要求。

四是GPS 传感器。GPS 传感器可以测量输电线路的位置信息，包括高度、坐标等。可以选择将GPS 传感器固定在杆塔或者导线上，以实现对输电线路位置的精确监测。

4.2 通信模块的选择和网络架构设计

4.2.1 通信模块的选择

通信模块应该具有可靠的数据传输和网络连接能力，同时要考虑到通信成本和功耗等因素。如可以选择2G/3G/4G/5G 模块，利用移动网络进行数据传输，成本相对较低，但在一些偏远地区信号可能不稳定。选择NB-IoT 模块，适用于低功耗、长寿命的物联网设备，可以覆盖大范围的区域，但传输速率较慢。选择LoRa 模块适用于长距离低速率通信，能够在广阔的区域内提供物联网服务，但需要安装网关设备。另外选择Wi-Fi 模块适用于近距离、高速率通信，但覆盖范围较小[2]。

4.2.2 网络架构设计

一是集中式架构。所有传感器通过网关设备连接到云端服务器，数据中心对所有传感器进行统一管理和控制，适用于传感器数量较少的场合。二是分布式架构。每个传感器都可以直接连接到云端服务器，传输数据的路径较短，适用于传感器数量较多的场合。三是混合式架构。部分传感器通过网关设备连接到云端服务器，部分传感器直接连接到云端服务器，适用于传感器分布不均匀的场合。

4.3 云端服务器的配置和数据处理方案

4.3.1 云端服务器的配置方案

要选择可靠的云服务提供商，如AWS、阿里云、腾讯云等，可以根据实际需求选择合适的云服务。选择配置高性能的服务器，包括CPU、内存、存储等硬件资源，以确保能够处理大量的数据。考虑数据备份和容灾方案，以防止数据丢失和系统故障以及配置安全性措施，包括防火墙、身份验证、访问控制等，以保护数据的安全性。

4.3.2 数据处理方案

采集和存储传感器数据，可以使用MQTT、Kafka 等消息队列和数据库来实现数据的实时采集和存储。使用数据预处理，包括数据清洗、去噪、特征提取等，以便于后续的分析和建模。数据分析和建模，可以使用机器学习算法或者统计方法来对数据进行分析和建模，以检测异常、预测故障等。数据可视化和报警，可以使用Dashboard 和邮件、短信等方式来展示数据的状态和警报信息，以便于用户监测和管理。

5 数据采集和处理

5.1 传感器数据的采集和传输

电力物联网是指通过互联网技术将电力系统中各个设备连接起来，实现设备之间的互联互通，以实现智能化管理和控制。在110kV 输电线路舞动监测中，可以利用电力物联网技术实现传感器数据的采集和传输。可以在输电线路上设置多个舞动传感器，这些传感器可以测量输电线路的振动、位移等参数。传感器数据可以通过无线传输技术传输到数据中心，数据中心对传感器数据进行处理和分析，提取线路舞动信息，如线路的振动频率、振幅等。数据中心将处理后的数据通过互联网传输给电力系统管理人员。电力系统管理人员可以通过终端设备（如PC、手机、平板电脑）访问数据中心，查看110kV 输电线路舞动监测数据，及时掌握线路运行状态，以便进行调度和管理。

5.2 数据处理和分析算法的设计和实现

为了对110kV 输电线路舞动进行监测，可以利用电力物联网技术，通过在输电线路上安装传感器，收集输电线路的实时数据，实现对舞动情况的监测。具体步骤包括：一是选择合适的传感器。应选择合适的传感器，如加速度传感器、倾角传感器等，能够对输电线路的舞动情况进行监测。二是部署传感器。将传感器安装在输电线路上，保证传感器的准确度和稳定性。三是数据采集。传感器会不断地采集输电线路的实时数据，如振动、倾斜角度等。四是数据传输。将传感器采集到的数据通过无线传输的方式传输到云端服务器中。五是数据处理。通过分析算法对数据进行处理，如使用滤波算法去除噪声、使用小波变换算法分析频谱等。六是数据分析。根据处理后的数据分析输电线路的舞动情况，并进行报警或预警处理。七是数据可视化。将数据可视化，如使用图表等方式展示输电线路舞动情况，方便工程师进行监测和分析。

6 输电线路舞动分析和监测

6.1 输电线路舞动的基本原理

输电线路舞动是指输电线路在外力作用下所产生的振动，通常由风、温差、冰雪、地震等外力引起。输电线路的舞动是一个复杂的动态过程，其振动方式和特性与输电线路的结构、杆塔参数、环境条件等因素密切相关。输电线路舞动的振动特性包括振幅、频率、相位等。输电线路舞动振幅是指线路在舞动过程中的最大偏离位移，频率是指单位时间内振动的次数，相位是指线路在舞动过程中的偏离位置和时间的关系。

6.2 舞动监测的方法和技术

舞动监测的方法和技术主要包括传统的监测方法和现代的智能监测方法，其中现代的智能监测方法主要利用电力物联网、传感器、数据处理和分析等技术实现。传统的监测方法主要包括目视巡检法、拍照法、拉线法等。现代的智能监测方法主要包括传感器监测法，是指利用加速度传感器、位移传感器、应变传感器等实时监测输电线路的振动情况，然后通过数据分析和处理得到线路的振动特征和趋势。而无人机监测法是指利用无人机对输电线路进行巡检，通过搭载的摄像机、雷达等设备实现对线路舞动的监测和分析，但存在着设备成本高和操作技术要求高等问题。另外还有电力物联网监测法，是指利用电力物联网技术将传感器设备、数据采集、数据传输和数据处理等技术有机结合，实现对输电线路舞动的实时监测和分析，同时可以远程监控和管理。