物联网环境下电力传输线路安全监控系统体系架构研究

刘俊材

（电子科技大学 信息中心，四川 成都 610054）

物联网环境下电力传输线路安全监控系统体系架构研究

刘俊材

（电子科技大学 信息中心，四川 成都 610054）

分析了传统电力传输线路安全监控系统存在的问题，探讨了物联网环境下的电力传输线路安全监控系统的结构、性能、工作原理、分层架构及关键技术，并详细阐述了系统主要部件的变化及逻辑分站的概念和意义，指出要真正实现电力传输线路安全监控系统的物联网化，还需要解决规程和标准、传感器的低功耗等问题。

电网物联网；电力传输线路安全监控；逻辑分站；分层架构

电力传输线路对安全监控系统的可靠性、抗毁性及智能化要求越来越高。目前，以光纤工业以太环网为核心通信系统的安全监控系统的反应速度大为加快，但其在系统可靠性和灾变时期的抗毁性方面没有大的提高[1-2]。本文在不考虑供电因素的前提下，在由互联网向物联网转变、泛在网技术已接近成熟的背景下，研究电力传输线路安全监控系统的体系架构及其对系统可靠性、抗毁性和智能化的影响。

1 电力传输线路安全监控系统现状分析

1.1 研究现状

目前国内推广较多、用得较好的电力传输线路安全监控系统有KJ4/KJ2000、KJ90、KJ95等[3]。它们基本上处于集中控制阶段，即在配电站设置控制中心主站，分站现场设置多个测控分站。分站采集信息并传送给主站，主站处理信息后发出相应控制命令，由分站接收并执行。该类系统一般通过敷设专用电缆或光缆，采用工业以太网、RS485、PSK、FSK等技术及各自规定的专用通信协议来实现信息和命令的传输。

1.2 存在的问题

1）系统覆盖受限。使用有线覆盖方式，系统扩展性差，覆盖范围受限，因此，传感器密度不大，存在监测盲区[4-6]。

2）部署不便。分站、传感器采用有线部署方式，分站距离传感器1～2 km，传感器的部署与回收工作量很大，系统维护不便。

3）对中心节点的依赖度过高[7]。系统信息采用集中处理方式，信息处理均集中在地面中心站内，一旦其出现故障，系统存在崩溃的危险。

4）智能预警能力弱。现有电力传输线路安全监控系统实际上是一个实时检测、监控系统，系统的预测、预报、预警能力很弱。

5）灾变抗毁能力弱。在正常工作时，电力传输线路安全监控系统应该是保障电力传输安全的保障系统，在灾变状态下应成为抢险救灾的重要信息系统。但是目前的电力传输线路安全监控系统在灾变期间几乎不能发挥作用。

1.3 技术分析

1）通信网络泛在化程度不够。泛在网络是指无处不在的网络，只有实现了网络的全面覆盖[8]，才有可能实现对电力传输线路环境的全面监测、监控。

2）监控通信网络缺乏自主的故障隔离与恢复能力。系统在灾变和事故状态下，不只是丧失部分功能，而是整个系统停止运行，需从系统结构方面解决这一问题。

3）传感器功耗问题。如果能够实现传感器低功耗，就有可能解决其供电问题，扩大传感器的覆盖范围。

4）传感器智能化问题。目前系统软件配置复杂，主要是因为传感器的智能化程度不高。如果实现传感器的网络化、智能化，就有可能实现传感器的即插即用。

5）系统的智能化程度问题。以往研究者主要通过提高主站软件功能来提高系统的智能化程度，但效果欠佳。通过在电网建立泛在网络、开发网络化传感器、在物联网环境下构建电力传输线路安全监控系统，可从根本上提高系统的智能化程度。

2 物联网环境下安全监控系统结构及功能

2.1 系统结构及特点

传统电力传输线路安全监控系统结构如图1所示。物联网环境下的电力传输线路安全监控系统结构如图2所示。

图1 传统电网监控安全监控系统结构Fig.1 Structure of the supervisory system for traditional power communication system

图2 物联网环境下电网安全监控系统结构Fig.2 Structure of the supervisory system for power communication internet of things

物联网环境下的电力传输线路安全监控系统具有以下特性：1）高抗毁性。在物联网环境下，当控制器失效后，传感器和执行器仍可通过网络上传信息，并继续执行监测功能。地面主站发现控制器故障后，可迅速重组系统，恢复系统功能，使系统具备了自组织能力。2）高可靠性。在物联网环境下，由于取消了分站，减少了信息传输处理的环节，系统更加扁平化，可靠性得以提高，彻底解决了由于分站故障造成的系统可靠性降低问题。3）具备智能预警功能。电力传输线路灾害感知预警的复杂性表现：灾害的多样性；灾害征兆的非线性、突发性；没有明确的数学模型；需要大量的各专业专家知识；需要大量运算。每个安全监控系统生产厂商都难以独立实现智能预警。在物联网环境下，可以建立一个电力传输线路灾害感知云计算中心，利用云计算中心建立灾害感知模型，与安全监控监测数据相结合，实现电力传输线路安全监控系统对监测参数和可能发生事件的智能感知。

2.2 系统主要部件

1）通信网络。物联网时代网络的主要特征是泛在化。相对地埋线路这样的受限空间，工作面、掘进面等主要监控场所已可实现有线、无线网络的全覆盖，使得管道中的任何设备在任何时间、任何地点都可接入网络。目前《电力传输线路安全规程》要求安全监控系统专网专用，这在网络通信技术不太发达的过去具有保障系统稳定、安全运行的作用，但目前监控通信网的可靠性、故障恢复和隔离能力已有了很大提高，因此应稳步、大胆地对相关标准进行修改，破除人为设置的屏障，为新技术在电力传输线路安全监控领域的应用提供可能。

2）网络化传感器。在泛在网络环境下，传感器的无线网络化是必然趋势。网络化的传感器可以方便地接入网络，实现即插即用；传感器配置将更简单，不再需要配置传感器类型、量程等信息，因为网络化传感器接入网络后会自动提供这些信息。

3）网络化执行器。电力传输线路安全监控系统的控制接口主要用于控制相关机电设备的开停，在物联网环境下，执行器也将实现网络化，可就近安装在机电设备控制开关附近。考虑到对控制输出的反馈信息，执行器应具有开关量输入功能。

4）网络化控制器。在物联网环境下，控制器是电力传输线路安全监控系统进行信息处理的核心设备。配电站主站通过网络将控制策略下发到控制器，控制器执行主站命令，实现控制算法，控制相关设备的开停。多个控制器可并发控制，并可相互备份，从而实现高可靠控制。

5）分站。传统电力传输线路安全监控系统中分站的主要功能包括传感器信息采集功能、执行器功能、控制器功能、通信网关功能。在物联网环境下，传统传感器转变为无线智能传感器，执行器转变为无线控制执行器，控制器主要实现瓦斯风电闭锁等控制功能。因此，由于泛在网络的实现、传感器和执行器的网络化，传统分站将逐步消亡，并被逻辑分站所取代[7]。

6）主站。主站除具备安全监控通用技术条件要求的功能以外，还应增加传感器、执行器、控制器节点的发现、管理功能，能够配置逻辑分站的系统组态，而其控制功能则可以分散到控制器中，从而加强系统的安全预测预警功能。

2.3 逻辑分站

1）逻辑分站的控制范围。在传统电力传输线路安全监控系统结构中，所有传感器都必须与分站直接连接，考虑到分站大小以及布线成本，1个分站的覆盖范围很小，有时1个工作面需要2个分站才可以满足检测要求。物联网环境下的分站是逻辑意义上的分站，只要控制器、传感器、执行器之间的网络畅通，即可通过主站的组态功能将其组合为一个逻辑分站，从而大大扩展了分站的覆盖范围。1个逻辑分站取代2个传统分站的情况如图3所示。

图3 逻辑分站的控制范围Fig.3 The control range of logical sub-station

2）异地断电/复电功能实现。传统电力传输线路安全监控系统必须具有异地断电/复电功能。在物联网环境下，由于分站是可以组态的，使一个传感器属于多个逻辑分站即可将异地断电/复电从异站控制转变为站内控制，而不需要通过主站来实现。这种方式降低了系统信息传输开销，提高了系统的实时性、可靠性。

3）逻辑分站的可靠性。每个逻辑分站至少有1个控制器作为信息处理中心，一旦控制器失效则逻辑分站会崩溃，这时可指定另一个控制器为备份控制器。备份控制器一旦发现主控制器失效，则马上接管工作，从而提高逻辑分站的可靠性。具有冗余控制器的逻辑分站结构如图4所示。

图4 具有冗余控制器的逻辑分站Fig.4 With redundant controller logic sub-station

3 物联网环境下的电力传输线路安全监控系统原理及架构

3.1 工作过程

电力传输线路安全监控系统工作过程可分为4个阶段：

1）系统部件发现阶段。传感器、执行器、控制器自动进入系统，向配电站主站报告其入网，同时将自身的类型、ID、量程等信息传送给管理主机。

2）系统组态阶段。系统管理员可以根据实际需要将多个传感器、多个执行器和1个控制器组合成逻辑分站，传感器和执行器可以同时属于多个逻辑分站，这样电力传输线路安全监控系统最复杂的交叉控制即可在1个逻辑分站的控制域内实现。给各控制注入相应的控制脚本，可最大限度地使系统控制功能独立于主站执行，从而缩短控制信息传输距离，加快系统控制速度，减少对主站的过分依赖。

3）系统运行阶段。配电站主站接收各部件发来的信息，进行信息的显示、存储、统计，利用安全灾害云服务进行预警预测。

4）系统重构阶段。一旦出现电力传输线路灾害，可能对电力传输线路安全监控系统的某些部件造成损害。在传统系统中，如果分站结构被破坏，则设定的系统功能将无法完成；而物联网环境下的系统可以利用自组态技术迅速恢复系统功能，保证安全监测的连续性。

3.2 分层架构

假定电力传输线路安全监控系统使用IPV6协议，传感器使用无线技术，执行器具有开关量输入功能，控制器采用冗余布置，则其分层架构如图5所示。感知层实现监控信息采集和就地控制功能，实现信息的统一感知。网络层为传感器、执行器和控制器提供信息传输服务，实现信息的统一传输。物联网环境下的电力传输线路安全监控系统中各种应用需架构在一个应用平台之上，即感知M2M平台。M2M平台使得各种传感器、执行器及子系统能够方便灵活地接入电力传输线路安全生产物联网系统，从而能方便快捷地部署所需要的逻辑应用子系统，满足电力传输线路动态部署、流动作业的需求。应用层实现各种用户应用。云计算层为用户应用提供强大的运算能力和预警决策功能支撑。

图5 物联网环境下的电力传输线路安全控制系统的分层Fig.5 The security control system’s layers of power transmission lines with power communication Internet of Things

3.3 关键技术

1）传感器、执行器、控制器之间的信息交换标准（协议）。

2）传感器、执行器、控制器与M2M平台的接口标准。

3）监控主站与M2M平台的接口标准。

4）安全监控软件体系及架构技术。

5）故障恢复与系统重构技术。

4 结束语

物联网环境下的电力传输线路安全监控系统的性能比传统电力传输线路安全监控系统有了很大提高，但要真正实现电力传输线路安全监控系统的物联网化，还需要解决以下问题：规程和标准的问题，物联网系统的特征之一是统一的标准；传感器（尤其是电力线温度传感器）的灵敏度问题；观念问题，开放也是物联网的一个重要特征，需克服传统观念的影响，使封闭的电力传输线路安全监控系统开放化。

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LI Xian-mei.Study on network communication technology of digital substation[J].Shaanxi Electric Power，2011（6）：37-40.

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 稿件编号：201310024

刘俊材（1982—），男，四川成都人，博士研究生，工程师。研究方向：物联网中的信号与信息处理。