劉俊材

（電子科技大學(xué) 信息中心，四川 成都 610054）

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)研究

劉俊材

（電子科技大學(xué) 信息中心，四川 成都 610054）

分析了傳統(tǒng)電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，探討了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能、工作原理、分層架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)主要部件的變化及邏輯分站的概念和意義，指出要真正實(shí)現(xiàn)電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)化，還需要解決規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)、傳感器的低功耗等問題。

電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)；電力傳輸線路安全監(jiān)控；邏輯分站；分層架構(gòu)

電力傳輸線路對安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、抗毀性及智能化要求越來越高。目前，以光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為核心通信系統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)的反應(yīng)速度大為加快，但其在系統(tǒng)可靠性和災(zāi)變時(shí)期的抗毀性方面沒有大的提高[1-2]。本文在不考慮供電因素的前提下，在由互聯(lián)網(wǎng)向物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變、泛在網(wǎng)技術(shù)已接近成熟的背景下，研究電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)的體系架構(gòu)及其對系統(tǒng)可靠性、抗毀性和智能化的影響。

1 電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)推廣較多、用得較好的電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)有KJ4/KJ2000、KJ90、KJ95等[3]。它們基本上處于集中控制階段，即在配電站設(shè)置控制中心主站，分站現(xiàn)場設(shè)置多個(gè)測控分站。分站采集信息并傳送給主站，主站處理信息后發(fā)出相應(yīng)控制命令，由分站接收并執(zhí)行。該類系統(tǒng)一般通過敷設(shè)專用電纜或光纜，采用工業(yè)以太網(wǎng)、RS485、PSK、FSK等技術(shù)及各自規(guī)定的專用通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)信息和命令的傳輸。

1.2 存在的問題

1）系統(tǒng)覆蓋受限。使用有線覆蓋方式，系統(tǒng)擴(kuò)展性差，覆蓋范圍受限，因此，傳感器密度不大，存在監(jiān)測盲區(qū)[4-6]。

2）部署不便。分站、傳感器采用有線部署方式，分站距離傳感器1～2 km，傳感器的部署與回收工作量很大，系統(tǒng)維護(hù)不便。

3）對中心節(jié)點(diǎn)的依賴度過高[7]。系統(tǒng)信息采用集中處理方式，信息處理均集中在地面中心站內(nèi)，一旦其出現(xiàn)故障，系統(tǒng)存在崩潰的危險(xiǎn)。

4）智能預(yù)警能力弱?，F(xiàn)有電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)實(shí)時(shí)檢測、監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的預(yù)測、預(yù)報(bào)、預(yù)警能力很弱。

5）災(zāi)變抗毀能力弱。在正常工作時(shí)，電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該是保障電力傳輸安全的保障系統(tǒng)，在災(zāi)變狀態(tài)下應(yīng)成為搶險(xiǎn)救災(zāi)的重要信息系統(tǒng)。但是目前的電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)在災(zāi)變期間幾乎不能發(fā)揮作用。

1.3 技術(shù)分析

1）通信網(wǎng)絡(luò)泛在化程度不夠。泛在網(wǎng)絡(luò)是指無處不在的網(wǎng)絡(luò)，只有實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋[8]，才有可能實(shí)現(xiàn)對電力傳輸線路環(huán)境的全面監(jiān)測、監(jiān)控。

2）監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)缺乏自主的故障隔離與恢復(fù)能力。系統(tǒng)在災(zāi)變和事故狀態(tài)下，不只是喪失部分功能，而是整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行，需從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面解決這一問題。

3）傳感器功耗問題。如果能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器低功耗，就有可能解決其供電問題，擴(kuò)大傳感器的覆蓋范圍。

4）傳感器智能化問題。目前系統(tǒng)軟件配置復(fù)雜，主要是因?yàn)閭鞲衅鞯闹悄芑潭炔桓?。如果?shí)現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)化、智能化，就有可能實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用。

5）系統(tǒng)的智能化程度問題。以往研究者主要通過提高主站軟件功能來提高系統(tǒng)的智能化程度，但效果欠佳。通過在電網(wǎng)建立泛在網(wǎng)絡(luò)、開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化傳感器、在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下構(gòu)建電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)，可從根本上提高系統(tǒng)的智能化程度。

2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

傳統(tǒng)電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)電網(wǎng)監(jiān)控安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the supervisory system for traditional power communication system

圖2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下電網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the supervisory system for power communication internet of things

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特性：1）高抗毀性。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，當(dāng)控制器失效后，傳感器和執(zhí)行器仍可通過網(wǎng)絡(luò)上傳信息，并繼續(xù)執(zhí)行監(jiān)測功能。地面主站發(fā)現(xiàn)控制器故障后，可迅速重組系統(tǒng)，恢復(fù)系統(tǒng)功能，使系統(tǒng)具備了自組織能力。2）高可靠性。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，由于取消了分站，減少了信息傳輸處理的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)更加扁平化，可靠性得以提高，徹底解決了由于分站故障造成的系統(tǒng)可靠性降低問題。3）具備智能預(yù)警功能。電力傳輸線路災(zāi)害感知預(yù)警的復(fù)雜性表現(xiàn)：災(zāi)害的多樣性；災(zāi)害征兆的非線性、突發(fā)性；沒有明確的數(shù)學(xué)模型；需要大量的各專業(yè)專家知識；需要大量運(yùn)算。每個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商都難以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，可以建立一個(gè)電力傳輸線路災(zāi)害感知云計(jì)算中心，利用云計(jì)算中心建立災(zāi)害感知模型，與安全監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)對監(jiān)測參數(shù)和可能發(fā)生事件的智能感知。

2.2 系統(tǒng)主要部件

1）通信網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代網(wǎng)絡(luò)的主要特征是泛在化。相對地埋線路這樣的受限空間，工作面、掘進(jìn)面等主要監(jiān)控場所已可實(shí)現(xiàn)有線、無線網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，使得管道中的任何設(shè)備在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都可接入網(wǎng)絡(luò)。目前《電力傳輸線路安全規(guī)程》要求安全監(jiān)控系統(tǒng)專網(wǎng)專用，這在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)不太發(fā)達(dá)的過去具有保障系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的作用，但目前監(jiān)控通信網(wǎng)的可靠性、故障恢復(fù)和隔離能力已有了很大提高，因此應(yīng)穩(wěn)步、大膽地對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，破除人為設(shè)置的屏障，為新技術(shù)在電力傳輸線路安全監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用提供可能。

2）網(wǎng)絡(luò)化傳感器。在泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)化是必然趨勢。網(wǎng)絡(luò)化的傳感器可以方便地接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)即插即用；傳感器配置將更簡單，不再需要配置傳感器類型、量程等信息，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化傳感器接入網(wǎng)絡(luò)后會自動提供這些信息。

3）網(wǎng)絡(luò)化執(zhí)行器。電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)的控制接口主要用于控制相關(guān)機(jī)電設(shè)備的開停，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，執(zhí)行器也將實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，可就近安裝在機(jī)電設(shè)備控制開關(guān)附近?？紤]到對控制輸出的反饋信息，執(zhí)行器應(yīng)具有開關(guān)量輸入功能。

4）網(wǎng)絡(luò)化控制器。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，控制器是電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息處理的核心設(shè)備。配電站主站通過網(wǎng)絡(luò)將控制策略下發(fā)到控制器，控制器執(zhí)行主站命令，實(shí)現(xiàn)控制算法，控制相關(guān)設(shè)備的開停。多個(gè)控制器可并發(fā)控制，并可相互備份，從而實(shí)現(xiàn)高可靠控制。

5）分站。傳統(tǒng)電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)中分站的主要功能包括傳感器信息采集功能、執(zhí)行器功能、控制器功能、通信網(wǎng)關(guān)功能。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，傳統(tǒng)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線智能傳感器，執(zhí)行器轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線控制執(zhí)行器，控制器主要實(shí)現(xiàn)瓦斯風(fēng)電閉鎖等控制功能。因此，由于泛在網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)、傳感器和執(zhí)行器的網(wǎng)絡(luò)化，傳統(tǒng)分站將逐步消亡，并被邏輯分站所取代[7]。

6）主站。主站除具備安全監(jiān)控通用技術(shù)條件要求的功能以外，還應(yīng)增加傳感器、執(zhí)行器、控制器節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、管理功能，能夠配置邏輯分站的系統(tǒng)組態(tài)，而其控制功能則可以分散到控制器中，從而加強(qiáng)系統(tǒng)的安全預(yù)測預(yù)警功能。

2.3 邏輯分站

1）邏輯分站的控制范圍。在傳統(tǒng)電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，所有傳感器都必須與分站直接連接，考慮到分站大小以及布線成本，1個(gè)分站的覆蓋范圍很小，有時(shí)1個(gè)工作面需要2個(gè)分站才可以滿足檢測要求。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的分站是邏輯意義上的分站，只要控制器、傳感器、執(zhí)行器之間的網(wǎng)絡(luò)暢通，即可通過主站的組態(tài)功能將其組合為一個(gè)邏輯分站，從而大大擴(kuò)展了分站的覆蓋范圍。1個(gè)邏輯分站取代2個(gè)傳統(tǒng)分站的情況如圖3所示。

圖3 邏輯分站的控制范圍Fig.3 The control range of logical sub-station

2）異地?cái)嚯?復(fù)電功能實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)必須具有異地?cái)嚯?復(fù)電功能。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，由于分站是可以組態(tài)的，使一個(gè)傳感器屬于多個(gè)邏輯分站即可將異地?cái)嚯?復(fù)電從異站控制轉(zhuǎn)變?yōu)檎緝?nèi)控制，而不需要通過主站來實(shí)現(xiàn)。這種方式降低了系統(tǒng)信息傳輸開銷，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性。

3）邏輯分站的可靠性。每個(gè)邏輯分站至少有1個(gè)控制器作為信息處理中心，一旦控制器失效則邏輯分站會崩潰，這時(shí)可指定另一個(gè)控制器為備份控制器。備份控制器一旦發(fā)現(xiàn)主控制器失效，則馬上接管工作，從而提高邏輯分站的可靠性。具有冗余控制器的邏輯分站結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 具有冗余控制器的邏輯分站Fig.4 With redundant controller logic sub-station

3 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)原理及架構(gòu)

3.1 工作過程

電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)工作過程可分為4個(gè)階段：

1）系統(tǒng)部件發(fā)現(xiàn)階段。傳感器、執(zhí)行器、控制器自動進(jìn)入系統(tǒng)，向配電站主站報(bào)告其入網(wǎng)，同時(shí)將自身的類型、ID、量程等信息傳送給管理主機(jī)。

2）系統(tǒng)組態(tài)階段。系統(tǒng)管理員可以根據(jù)實(shí)際需要將多個(gè)傳感器、多個(gè)執(zhí)行器和1個(gè)控制器組合成邏輯分站，傳感器和執(zhí)行器可以同時(shí)屬于多個(gè)邏輯分站，這樣電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)最復(fù)雜的交叉控制即可在1個(gè)邏輯分站的控制域內(nèi)實(shí)現(xiàn)。給各控制注入相應(yīng)的控制腳本，可最大限度地使系統(tǒng)控制功能獨(dú)立于主站執(zhí)行，從而縮短控制信息傳輸距離，加快系統(tǒng)控制速度，減少對主站的過分依賴。

3）系統(tǒng)運(yùn)行階段。配電站主站接收各部件發(fā)來的信息，進(jìn)行信息的顯示、存儲、統(tǒng)計(jì)，利用安全災(zāi)害云服務(wù)進(jìn)行預(yù)警預(yù)測。

4）系統(tǒng)重構(gòu)階段。一旦出現(xiàn)電力傳輸線路災(zāi)害，可能對電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)的某些部件造成損害。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，如果分站結(jié)構(gòu)被破壞，則設(shè)定的系統(tǒng)功能將無法完成；而物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的系統(tǒng)可以利用自組態(tài)技術(shù)迅速恢復(fù)系統(tǒng)功能，保證安全監(jiān)測的連續(xù)性。

3.2 分層架構(gòu)

假定電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)使用IPV6協(xié)議，傳感器使用無線技術(shù)，執(zhí)行器具有開關(guān)量輸入功能，控制器采用冗余布置，則其分層架構(gòu)如圖5所示。感知層實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息采集和就地控制功能，實(shí)現(xiàn)信息的統(tǒng)一感知。網(wǎng)絡(luò)層為傳感器、執(zhí)行器和控制器提供信息傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)信息的統(tǒng)一傳輸。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)中各種應(yīng)用需架構(gòu)在一個(gè)應(yīng)用平臺之上，即感知M2M平臺。M2M平臺使得各種傳感器、執(zhí)行器及子系統(tǒng)能夠方便靈活地接入電力傳輸線路安全生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，從而能方便快捷地部署所需要的邏輯應(yīng)用子系統(tǒng)，滿足電力傳輸線路動態(tài)部署、流動作業(yè)的需求。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)各種用戶應(yīng)用。云計(jì)算層為用戶應(yīng)用提供強(qiáng)大的運(yùn)算能力和預(yù)警決策功能支撐。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的電力傳輸線路安全控制系統(tǒng)的分層Fig.5 The security control system’s layers of power transmission lines with power communication Internet of Things

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

1）傳感器、執(zhí)行器、控制器之間的信息交換標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）。

2）傳感器、執(zhí)行器、控制器與M2M平臺的接口標(biāo)準(zhǔn)。

3）監(jiān)控主站與M2M平臺的接口標(biāo)準(zhǔn)。

4）安全監(jiān)控軟件體系及架構(gòu)技術(shù)。

5）故障恢復(fù)與系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)的性能比傳統(tǒng)電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)有了很大提高，但要真正實(shí)現(xiàn)電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)化，還需要解決以下問題：規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的問題，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的特征之一是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；傳感器（尤其是電力線溫度傳感器）的靈敏度問題；觀念問題，開放也是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要特征，需克服傳統(tǒng)觀念的影響，使封閉的電力傳輸線路安全監(jiān)控系統(tǒng)開放化。

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Research of architecture of power communication safety monitoring and control system in the environment of Internet of Things

LIU Jun-cai
（Information Center， University of Electronic Science and Technology of China NOC， Chengdu 610054， China）

The paperanalyzed problems of traditional power communication safety monitoring and control system，studied on structure、performance、working principle、layered architecture and key technologies of Communication safety monitoring and control system in the environment of Internet of Things.It described changes of main components of the system and concept and significance of logical substation，and pointed out that there were many issues need to be addressed such as developments of new procedures，standards and sensors with low-power consumption to realize power communication Internet of Things.

power communication Internet of Things； power communication monitoring and control； logical substation；layered architecture

10.14022/j.cnki.dzsjgc.2014.16.046

TN01

A

1674-6236（2014）16-0155-04

2013-10-09 稿件編號：201310024

劉俊材（1982—），男，四川成都人，博士研究生，工程師。研究方向：物聯(lián)網(wǎng)中的信號與信息處理。