基于物聯(lián)網(wǎng)的輸電線(xiàn)路檢測方案

摘要：針對輸電線(xiàn)路的現場(chǎng)環(huán)境監測面臨環(huán)境復雜、通信困難、報警策略難以確定等困難，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)(IOT)的輸電線(xiàn)路現場(chǎng)監測預警方案。利用物聯(lián)網(wǎng)低功耗、低成本、多傳感器的特點(diǎn)，提出了系統的硬件平臺的選擇以及預警判別算法。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線(xiàn)通信；輸電線(xiàn)路

1 引言

輸電線(xiàn)路的現場(chǎng)環(huán)境監測，依靠直接安裝在輸電線(xiàn)路上的可實(shí)時(shí)記錄表征設備運行狀態(tài)的傳感器實(shí)現輸電線(xiàn)路在線(xiàn)測量、診斷和檢修，其對于高壓、超高壓電網(wǎng)的運行安全十分重要。隨著(zhù)微機電系統、片上系統、無(wú)線(xiàn)通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出的IOT為輸電線(xiàn)路的現場(chǎng)環(huán)境監測提供了全天候、低成本、高可靠性和高冗余度的解決方案。在此，從現有輸電線(xiàn)路監測系統出發(fā)，通過(guò)分析IOT的關(guān)鍵技術(shù)，設計了基于IOT的現場(chǎng)環(huán)境監測方案。

2 現有監測預警系統的問(wèn)題

國內外電力工作者對輸電線(xiàn)路的環(huán)境監測進(jìn)行了大量研究。早期主要采用人工巡檢監測電力設施覆冰情況。隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )與通信技術(shù)的發(fā)展，文獻利用電力通信網(wǎng)絡(luò )研制了電力設施計算機監測系統；某公司將GPRS(GSM／CDMA)技術(shù)與視頻技術(shù)引入輸電設施監測，開(kāi)發(fā)出架空輸電線(xiàn)路覆冰實(shí)時(shí)監測系統，文獻介紹了輸電線(xiàn)路災情監測系統和覆冰在線(xiàn)監測系統。這些裝置都已在實(shí)際現場(chǎng)取得了一定效果，但還存在如下問(wèn)題：①人工監測手段需耗費較大人力、物力資源，且不能實(shí)現24 h實(shí)時(shí)觀(guān)測，同時(shí)由于布線(xiàn)范圍廣，有些布線(xiàn)區域地理環(huán)境惡劣，不可能實(shí)現全范圍監測；②冰雪災害引起電力線(xiàn)路倒塌和斷線(xiàn)的同時(shí)使大量通訊光纜斷裂，公用通訊網(wǎng)絡(luò )與電力通信網(wǎng)絡(luò )均發(fā)生了不同程度的中斷，監測數據無(wú)法可靠地送往監控中心；③受區域、氣候、地形等因素影響，特定的監測地段需要特定的報警策略，需要進(jìn)行針對性的監測數據積累和策略完善。

3 物聯(lián)網(wǎng)的概述

圖1示出IOT系統結構圖。其中，傳感器節點(diǎn)具有感知、運算和通信等功能，每個(gè)節點(diǎn)能夠采集環(huán)境數據(如溫度、濕度、風(fēng)速、振動(dòng)頻率和幅度等)，相互之間使用無(wú)線(xiàn)多跳方式通信，并根據應用和系統需求對采集的數據進(jìn)行網(wǎng)內處理。匯聚節點(diǎn)將傳感器網(wǎng)絡(luò )收集處理后的信息匯集后，通過(guò)Internet或衛星遞交給用戶(hù)。用戶(hù)是感知信息的接收和應用者，可以是人也可以是計算機或其他設備。

傳感器節點(diǎn)作為IOT的組成元素，一般由4個(gè)基本部件組成，如圖2所示。

感知單元是感知環(huán)境，產(chǎn)生感知數據，通常由一組微型化傳感器件組成。處理單元(通常內置存儲器)對傳感器數據進(jìn)行處理并對節點(diǎn)進(jìn)行控制，使之與其他節點(diǎn)協(xié)作，共同完成賦予的感知任務(wù)。一般采用低功耗的微處理器，如MICA2 Mote系統，采用7．37 MHz的8位ATMega12 8L微處理器，具有128 kB程序閃存，4kB的SRAM，功耗16．5 mW，通常運行在TinyOS，MANTIS等專(zhuān)門(mén)為IOT定制的微型化操作系統。收發(fā)單元可確保節點(diǎn)之間相互通信。IOT一般認為采用短距離的無(wú)線(xiàn)低功率通信技術(shù)較為適合。目前，隨著(zhù)ZigBee(IEEE802．15．4)技術(shù)的普及，IOT已廣泛采用ZigBee器件。能量單元則提供節點(diǎn)正常工作所需的能量。由于IOT通常工作于無(wú)人值守狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò )生命期依賴(lài)于節點(diǎn)能量的多少，因此節省能量是IOT設計中的重要因素。

4 監測系統的硬件選擇

目前國內外出現了多種IOT節點(diǎn)的硬件平臺。典型的節點(diǎn)包括Mica系列，Sensoria WINS，Toles，μAMPS系列，XYZnode，Zabranet等。實(shí)際上各平臺最主要的區別是采用了不同處理器、無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議和與應用相關(guān)的不同傳感器。在此Mica系列節點(diǎn)較為成熟且應用較廣泛。

Micaz節點(diǎn)的微處理器芯片采用Atmega128。Micaz51針擴展接口可連接模擬輸入，數字I／O，I2C，SPI接口和UART接口。通信模塊使用CC2420芯片。該芯片是最早支持Zigbee通信技術(shù)的通信芯片，載波頻率為2．4 GHz，數據傳輸速率最高達到250 kbps，通信距離為60～150 m，更適合于室內應用。數據采集模塊采用ADXL202JE加速度計，可同時(shí)采集2個(gè)軸的加速度。

IRIS節點(diǎn)平臺是基于ATmega128l微處理芯片和RF230射頻芯片的一款I(lǐng)OT節點(diǎn)，是特別為嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò )設計的小型無(wú)線(xiàn)測量系統，它是工作在2．4 GHz、支持IEEE802．15．4協(xié)議的Mote模塊，用于低功耗的IOT。

IRIS平臺增加的幾點(diǎn)新特性從整體上提高了節點(diǎn)性能。其特點(diǎn)如下：①相對MICA系列產(chǎn)品，它有3倍的作用距離，2倍的存儲空間；②戶(hù)外測試在不加放大器的情況下，節點(diǎn)的視距可達500 m；③基于IEEE802．15．4／ZigBee協(xié)議的RF發(fā)送器；④2．4～2．48 GHz。全球兼容的ISM波段；⑤直接序列擴頻技術(shù)，抗RF干擾、數據屏蔽性好；⑥250 kbps數據傳輸率；⑦支持可靠的多跳Mesh網(wǎng)絡(luò )；⑧即插即用，可連接傳感器板、數據采集板、網(wǎng)關(guān)和軟件。此外，IRIS的51針擴展接口可連接模擬輸入，數字I／O，I2C，SPI和UART接口，這些接口使其易于與其他外設連接。鑒于IRIS平臺的優(yōu)勢，在此選用其作為監測系統的硬件節點(diǎn)。

5 線(xiàn)性判別式分類(lèi)算法

輸電線(xiàn)路需要進(jìn)行現場(chǎng)環(huán)境監測的物理量有當地溫度、線(xiàn)路的振幅和頻率、風(fēng)速等。以覆冰預警為例，根據各個(gè)地區具體的氣候物理環(huán)境的不同，需要依據數據建立不同參數的專(zhuān)家系統。而以線(xiàn)性判別式分類(lèi)算法(LDA)作為多信源預警判決方案具有算法簡(jiǎn)單高效，置信度高等特點(diǎn)。

判別分析是一種常用的統計分析方法，它根據觀(guān)察或測量到若干變量值，判斷研究對象屬于哪一類(lèi)方法。進(jìn)行判別分析必須已知觀(guān)測對象的分類(lèi)和若干表明觀(guān)測對象特征的變量值。判別分析是要從中篩選出能提供較多信息的變量，并建立判別函數，使得利用推導出的判別函數對觀(guān)測量判別其所屬類(lèi)別時(shí)的錯判率最小。