基于電力物聯(lián)網(wǎng)的110kV輸電線路舞動監(jiān)測研究

西北民族大學(xué) 李 妍

1 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和升級，輸電線路的安全運行問題日益引起人們的關(guān)注。輸電線路在受到外界因素的作用下，容易發(fā)生舞動現(xiàn)象，進(jìn)而對線路設(shè)備造成損害，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。對輸電線路的舞動監(jiān)測與預(yù)警具有重要的意義。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸電線路舞動監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)通過在輸電線路上安裝傳感器和通信模塊，采集實時數(shù)據(jù)并傳輸?shù)皆贫朔?wù)器進(jìn)行處理和分析，可以實現(xiàn)對輸電線路舞動情況的實時監(jiān)測和預(yù)警，為電力系統(tǒng)的安全運行提供有效的保障[1]。本文就基于電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的110kV 輸電線路舞動監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以便于為輸電線路的安全運行提供有力的支持和保障，同時為電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供有益的參考和借鑒。

2 電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和成熟，電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為電力系統(tǒng)信息化建設(shè)的重要領(lǐng)域之一。電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過將傳感器、通信技術(shù)、云計算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對電力設(shè)備、電力網(wǎng)絡(luò)和電力系統(tǒng)的實時監(jiān)測、控制和管理。電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在電力系統(tǒng)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、電力負(fù)荷預(yù)測、電力安全生產(chǎn)等。電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用還不斷拓展和深化，如通過與人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)和自主治理。可以預(yù)見，電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運行提供更加完善的技術(shù)支撐和保障。

2.2 發(fā)展趨勢

電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將進(jìn)一步向著智能化、自主化方向發(fā)展。通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合，電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將具備更加智能化的決策、控制和管理能力，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的自主治理。

電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將向著高可靠、高安全方向發(fā)展。在電力系統(tǒng)的運行中，可靠性和安全性是最為關(guān)鍵的因素，因此電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將通過加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等手段，提高電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和安全性。

電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將向著跨行業(yè)、跨領(lǐng)域方向發(fā)展。在未來，電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將與其他行業(yè)和領(lǐng)域的技術(shù)相結(jié)合，如與智慧城市、交通、能源等領(lǐng)域的技術(shù)相結(jié)合，形成一體化、跨領(lǐng)域的智能化系統(tǒng)，實現(xiàn)信息的共享和優(yōu)化協(xié)同，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展提供更加完善的技術(shù)支撐。

3 110kV 輸電線路舞動監(jiān)測重要性

監(jiān)測系統(tǒng)舞動研判如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)舞動研判

110kV 輸電線路是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其安全運行關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。110kV 輸電線路在運行中容易發(fā)生舞動現(xiàn)象，這不僅會對輸電線路設(shè)備造成損害，還會引發(fā)嚴(yán)重事故的發(fā)生，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成嚴(yán)重影響。對110kV 輸電線路的舞動監(jiān)測具有重要的意義，可以及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)防舞動現(xiàn)象的發(fā)生，保證輸電線路的安全運行?；陔娏ξ锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的110kV 輸電線路舞動監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)對舞動情況的實時監(jiān)測和預(yù)警，還可以提高監(jiān)測精度和效率，為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運行提供有力支撐。

4 系統(tǒng)框架和設(shè)計方案

4.1 傳感器的選擇和部署方案

110kV 輸電線路舞動在線監(jiān)測如圖2所示。

圖2 110kV 輸電線路舞動在線監(jiān)測

基于電力物聯(lián)網(wǎng)的110kV 輸電線路舞動監(jiān)測系統(tǒng)需要選擇合適的傳感器，并根據(jù)實際情況進(jìn)行部署。具體選擇和部署方案包括：

一是加速度傳感器。加速度傳感器可以測量線路振動的加速度，是監(jiān)測舞動的常用傳感器?？梢赃x擇黏貼在輸電線路的桿塔上，也可以固定在帶有夾子的桿塔表面上。部署時應(yīng)注意傳感器的安裝位置和數(shù)量，以充分覆蓋輸電線路的整個長度。

二是光纖傳感器。光纖傳感器可以通過測量光纖的變形來監(jiān)測線路的舞動?？梢赃x擇固定在輸電線路上或者埋入地下，對于需要長距離傳輸信號的場合，可以采用光纖傳感器的布放。

三是攝像頭。攝像頭可以拍攝線路的圖像，并通過圖像分析技術(shù)來判斷線路的舞動情況。攝像頭可以選擇安裝在桿塔上，也可以固定在專門的攝像架上。需要注意攝像頭的分辨率和畫質(zhì)，以保證圖像質(zhì)量滿足監(jiān)測要求。

四是GPS 傳感器。GPS 傳感器可以測量輸電線路的位置信息，包括高度、坐標(biāo)等?？梢赃x擇將GPS 傳感器固定在桿塔或者導(dǎo)線上，以實現(xiàn)對輸電線路位置的精確監(jiān)測。

4.2 通信模塊的選擇和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

4.2.1 通信模塊的選擇

通信模塊應(yīng)該具有可靠的數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)連接能力，同時要考慮到通信成本和功耗等因素。如可以選擇2G/3G/4G/5G 模塊，利用移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，成本相對較低，但在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)信號可能不穩(wěn)定。選擇NB-IoT 模塊，適用于低功耗、長壽命的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，可以覆蓋大范圍的區(qū)域，但傳輸速率較慢。選擇LoRa 模塊適用于長距離低速率通信，能夠在廣闊的區(qū)域內(nèi)提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，但需要安裝網(wǎng)關(guān)設(shè)備。另外選擇Wi-Fi 模塊適用于近距離、高速率通信，但覆蓋范圍較小[2]。

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

一是集中式架構(gòu)。所有傳感器通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接到云端服務(wù)器，數(shù)據(jù)中心對所有傳感器進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，適用于傳感器數(shù)量較少的場合。二是分布式架構(gòu)。每個傳感器都可以直接連接到云端服務(wù)器，傳輸數(shù)據(jù)的路徑較短，適用于傳感器數(shù)量較多的場合。三是混合式架構(gòu)。部分傳感器通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接到云端服務(wù)器，部分傳感器直接連接到云端服務(wù)器，適用于傳感器分布不均勻的場合。

4.3 云端服務(wù)器的配置和數(shù)據(jù)處理方案

4.3.1 云端服務(wù)器的配置方案

要選擇可靠的云服務(wù)提供商，如AWS、阿里云、騰訊云等，可以根據(jù)實際需求選擇合適的云服務(wù)。選擇配置高性能的服務(wù)器，包括CPU、內(nèi)存、存儲等硬件資源，以確保能夠處理大量的數(shù)據(jù)。考慮數(shù)據(jù)備份和容災(zāi)方案，以防止數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)故障以及配置安全性措施，包括防火墻、身份驗證、訪問控制等，以保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性。

4.3.2 數(shù)據(jù)處理方案

采集和存儲傳感器數(shù)據(jù)，可以使用MQTT、Kafka 等消息隊列和數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和存儲。使用數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、去噪、特征提取等，以便于后續(xù)的分析和建模。數(shù)據(jù)分析和建模，可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法或者統(tǒng)計方法來對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，以檢測異常、預(yù)測故障等。數(shù)據(jù)可視化和報警，可以使用Dashboard 和郵件、短信等方式來展示數(shù)據(jù)的狀態(tài)和警報信息，以便于用戶監(jiān)測和管理。

5 數(shù)據(jù)采集和處理

5.1 傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸

電力物聯(lián)網(wǎng)是指通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將電力系統(tǒng)中各個設(shè)備連接起來，實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通，以實現(xiàn)智能化管理和控制。在110kV 輸電線路舞動監(jiān)測中，可以利用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸。可以在輸電線路上設(shè)置多個舞動傳感器，這些傳感器可以測量輸電線路的振動、位移等參數(shù)。傳感器數(shù)據(jù)可以通過無線傳輸技術(shù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取線路舞動信息，如線路的振動頻率、振幅等。數(shù)據(jù)中心將處理后的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸給電力系統(tǒng)管理人員。電力系統(tǒng)管理人員可以通過終端設(shè)備（如PC、手機(jī)、平板電腦）訪問數(shù)據(jù)中心，查看110kV 輸電線路舞動監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時掌握線路運行狀態(tài)，以便進(jìn)行調(diào)度和管理。

5.2 數(shù)據(jù)處理和分析算法的設(shè)計和實現(xiàn)

為了對110kV 輸電線路舞動進(jìn)行監(jiān)測，可以利用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過在輸電線路上安裝傳感器，收集輸電線路的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對舞動情況的監(jiān)測。具體步驟包括：一是選擇合適的傳感器。應(yīng)選擇合適的傳感器，如加速度傳感器、傾角傳感器等，能夠?qū)旊娋€路的舞動情況進(jìn)行監(jiān)測。二是部署傳感器。將傳感器安裝在輸電線路上，保證傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。三是數(shù)據(jù)采集。傳感器會不斷地采集輸電線路的實時數(shù)據(jù)，如振動、傾斜角度等。四是數(shù)據(jù)傳輸。將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)皆贫朔?wù)器中。五是數(shù)據(jù)處理。通過分析算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如使用濾波算法去除噪聲、使用小波變換算法分析頻譜等。六是數(shù)據(jù)分析。根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)分析輸電線路的舞動情況，并進(jìn)行報警或預(yù)警處理。七是數(shù)據(jù)可視化。將數(shù)據(jù)可視化，如使用圖表等方式展示輸電線路舞動情況，方便工程師進(jìn)行監(jiān)測和分析。

6 輸電線路舞動分析和監(jiān)測

6.1 輸電線路舞動的基本原理

輸電線路舞動是指輸電線路在外力作用下所產(chǎn)生的振動，通常由風(fēng)、溫差、冰雪、地震等外力引起。輸電線路的舞動是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，其振動方式和特性與輸電線路的結(jié)構(gòu)、桿塔參數(shù)、環(huán)境條件等因素密切相關(guān)。輸電線路舞動的振動特性包括振幅、頻率、相位等。輸電線路舞動振幅是指線路在舞動過程中的最大偏離位移，頻率是指單位時間內(nèi)振動的次數(shù)，相位是指線路在舞動過程中的偏離位置和時間的關(guān)系。

6.2 舞動監(jiān)測的方法和技術(shù)

舞動監(jiān)測的方法和技術(shù)主要包括傳統(tǒng)的監(jiān)測方法和現(xiàn)代的智能監(jiān)測方法，其中現(xiàn)代的智能監(jiān)測方法主要利用電力物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、數(shù)據(jù)處理和分析等技術(shù)實現(xiàn)。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法主要包括目視巡檢法、拍照法、拉線法等?，F(xiàn)代的智能監(jiān)測方法主要包括傳感器監(jiān)測法，是指利用加速度傳感器、位移傳感器、應(yīng)變傳感器等實時監(jiān)測輸電線路的振動情況，然后通過數(shù)據(jù)分析和處理得到線路的振動特征和趨勢。而無人機(jī)監(jiān)測法是指利用無人機(jī)對輸電線路進(jìn)行巡檢，通過搭載的攝像機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備實現(xiàn)對線路舞動的監(jiān)測和分析，但存在著設(shè)備成本高和操作技術(shù)要求高等問題。另外還有電力物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測法，是指利用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳感器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)對輸電線路舞動的實時監(jiān)測和分析，同時可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

6.3 舞動數(shù)據(jù)分析和處理方法

對輸電線路舞動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理是實現(xiàn)線路舞動監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，常見的舞動數(shù)據(jù)分析和處理方法包括時域分析法、頻域分析法、統(tǒng)計分析法以及機(jī)器學(xué)習(xí)方法等，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理和分析，從而判斷線路是否存在異常舞動，提高電力系統(tǒng)的安全運行水平。

7 結(jié)語

基于電力物聯(lián)網(wǎng)的110kV 輸電線路舞動監(jiān)測系統(tǒng)具備實時性、高精度、高可靠性等特點，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測輸電線路舞動情況，提高電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性。基于電力物聯(lián)網(wǎng)的110kV 輸電線路舞動監(jiān)測系統(tǒng)可以為電力企業(yè)提供實用、可行的舞動監(jiān)測解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力。