面向智慧输电线路的物联网体系结构研究

张鹏宇，李晓春，李瑛，金邦华

（贵州电网有限责任公司输电运行检修分公司，贵州 贵阳 550002）

0 引言

无所不在物联网的概念已经提出多年，其目标是使各种终端设备在任何时间、任何地点、任何事物有效地互联和互动。传统的输电线路运维管理工作都是由运维人员在现场实际开展。在电力系统中，大量用电的需求不断增加，这些出现的问题要求输电线路运维管理需通过采用先进的系统管理、控制和通信技术，提高输电线路运维的可靠性和灵活性，提高输电线路的安全运行。这带来了新的输电线路运维模式，如电压升高效应、故障级别增加、保护退化和瞬态稳定改变[1]。

物联网技术使大量智能设备的集成能够通过数据采集、处理和分析以及决策过程，共同完成现场监控、分析和管理等功能。物联网的概念及其相关技术已被广泛接受并应用于不同的工业领域。物联网技术在电力系统中的应用，可以将需求视为输电线路运维管理工作中建立多种监测设备管理和协调控制平台，以及不同形式的监测设备类型之间的职能转换的切入点。由于所部署的智能监测终端最能反映现场需求的特征和行为，因此，随处可见的电力物联网配以在线监测装置被认为是一种重要的具体应用。需求可以进一步联系到运维一线人员，促进智能终端系统和多样化需求服务的发展。从整体架构的角度来看，无处不在的电力物联网在需求方面进行统一的规划和设计实现的系统和设备的互联，实现全面的输电线路运行状态监测，以及在监测数据融合输电线路分布水平。从而促进可靠安全的系统运行维护和多样化的运维服务[2]。

1 电力物联网系统的体系结构和功能

人工智能技术和相关体系结构是提高无处不在的电子物联网服务质量的重要组成部分。本节介绍泛在输电线路运维物联网的特点和要求。以物联网系统为大脑，以智能监测终端为边缘计算管理者，以摄像头为传感器，以先进的通信技术为手段，构建全息信息网，实现现场智能监测终端设备互联，实现综合态势感知和数据集成。需求无处不在的电力物联网通过数据接口向输电线路运维管理单位提供数据，实现现场信息全流，提高输电线路的安全稳定运行。具体而言，电力物联网在需求的主要特点和功能可以概括如下。

1.1 综合操作状态感知

输电线路杆塔节点数量多、分布广、监测设备数量多。将智能识别与传感技术应用于杆塔本体、通道等关键节点是必要的。部署大量的传感设备可以进行分散的数据采集和局部分析，能够实现自诊断、逻辑判断、统计处理等高级管理任务的集中运营分析与管理。综合的运行状态感知使得更智能的数据驱动的决策，保障输电线路安全稳定运行。

1.2 系统互连标准化

为了不断提高输电线路运维现场的智能化、信息化、自动化、交互水平，确保每台智能监测终端设备都能支持点对点通信，不受制造商、操作系统、芯片、物理传输的限制，建立必要的互操作标准，支持分布式的数据自动接入、管理、运行和扩展，形成安全、标准、兼容、可靠的多数据融合生态系统。

1.3 信息传输安全可靠

安全可靠的信息传输是保证输电线路安全、高效、稳定运行的前提。输电线路运维的通信网络需要具有高速、高带宽、高覆盖，支持运维业务所需的实时、准实时和非实时通信。在某些网络失效后，整个通信网络仍可继续运行；当通信设施和信息资源被企图破坏和非法获取时，具有较强的防御能力，能够保证输电线路的保密性、完整性和有效性。将云计算融入需求端无所不在的电力物联网，可以通过模块化终端管理海量互联设备。通过协议转换，系统实现了海量数据的互联互通，并实现了错误数据清除、数据缓存等高级功能。预处理和实时边缘分析只是将复杂而重要的数据信息传输到云中进行进一步处理。一方面，利用云计算提供无限的资源，缓解云计算资源有限的问题。提出的需求侧管理物联网架构使用云计算边缘信息处理能力，以缓解云计算带来的高延迟、网络拥塞和低可靠性问题。云计算的分布式存储可以有效地保证数据的安全性和可用性。为了最大限度地减少对云雾资源的消耗，在合理分配服务资源，有效地实现云雾资源的合理高效利用。

1.4 移动开放智能运维服务

通过将输电线路的运行条件、通信网络、信息处理技术有机结合，打造开放、移动的运维服务生态系统，为输电线路运维提供个性化、精准化、主动化的服务。运维服务要求，形成安全、共赢的生态环境，从而有效提升输电线路的智能化运维服务水平[3]。在基础数据和应用程序服务中，集群通常执行多个应用程序副本以满足前端流量。例如前端服务集群、应用服务集群、缓存服务集群。每个实例都可以处理服务请求，并且实例的数量通常是可调节的。弹性伸缩是指根据业务需求和策略自动调整服务和计算资源，以确保有适当数量的服务实例来处理应用程序负载。提前设定扩减条件，当需求增加时自动增加服务器数量，以满足条件，保持性能。在需求减少的情况下，需要减少服务器的数量，使成本最小化。通过采用微服务框架、分布式服务总线、即时消息总线、开发与运维集成等技术，提高应用架构的灵活性，确保应用的快速启动和版本更新的即时迭代。并提供服务和应用程序生命周期管理。

2 智慧线路在电力物联网体系整体架构

在过去的十年里，许多国家已经发展了智能电网，以应对电力行业的挑战。智能电网技术为传统电力公司提供了一种经济、可靠的解决方案。通过采用不同形式的信息通信技术，可以从可靠性、安全性、稳定性、效率和可扩展性等不同方面提高输电线路运维管理性能[4]。此外，智能电网的部署，使输电线路能够进行实时的状态监测、运行分析和管理。因此，通过这些智能监测设备的互联，通过高速、无处不在、双向的数字通信技术实现分布式传感、分析和控制功能，成为智能电网发展中需要解决的问题。

2.1 电力物联网体系结构概述

在电力物联网体系架构中，轻量级云计算可以分别安排在边缘侧，而重量级云计算则分别安排在云“侧”。采用低延迟、高可靠性的远程通信技术（管道）实现边缘。“云协同”为延迟敏感服务提供了强有力的支持。“边缘”和“终端”利用高效、安全的本地通信技术“领域”，实现设备安全、相互信任、即插即用，解决用户端设备无处不在的接入问题。物联网基础设施的整体架构包括三个不同的层（即终端层、网络层、平台层、应用层）。终端层包括多核模块化仪表（边）、本地通信（场）、模块化终端（边）、网络层对应远程通信（管道）、平台层对应物联网主站（“云”）中的需求方。需求侧在电力领域无处不在，物联网形成了云管道终端架构，实现终端和网络层的云雾协作。平台层的能力是开放的，以支持电力互联网业务的不断创新和发展[5]。

首先，在电力传输过程中需要满足间歇可持续对电力可靠性的严格要求。其次，电力公司迫切需要部署更先进的管理平台，以应对输电线路不同类型环境运维的多样化需求。为此，作为应对和解决上述挑战的对策，提出了在电力物联网的概念。物联网被认为是实现该框架的最佳范式，通过结合不同类型的智能传感终端，包括图像、信号和定位。

2.2 电力物联网体系应用领域

基于传统输电线路运维管理业务，结合业务发展趋势和跨专业支撑需求，在电力物联网业务涵盖了不同类型的服务，包括终端管理、数据采集、在线监测、智能运维、负荷监测与预测、线损分析、数据分析。电力物联网是以多核数据为基础，充分发挥各自优势，利用数据处理方法完成新功能的拓展。巡视策略自动生成、线路在线综合评估、损耗管理等功能，可有效提升输电运维服务能力。通过线路弹性负载的比例，得到运维管理需求响应的能力。将提高电网的个性化服务水平以及有效提高电网运行效率[6]。

整个网络可以通过站点区域的数据感知负载。对于长期过载的输电线路，明确了过载的原因和范围，并针对输电线路走向改造提出了有针对性的建议，以进一步提高电网系统的可靠性。通过采用输电线路状态分析技术，准确定位线路运行风险，支持智能化运维操作，缩短风险排除时间。这些功能还可以提供以在线方式评估的能力。提高电网资产评估的可靠性和效率。

3 结论

本文详细分析和讨论了面向智慧输电线路的体系结构和关键技术。目前，需求方仍有大量的智能设备尚未互联，以及进行全面的传感和功能实现。在未来的研究中，还需要在实际测试网络中实现和验证该体系结构和功能。进一步开发需要结合不同的先进通信和计算技术，使需求的智能功能用于输电线路日常管理，提高输电线路安全稳定地运行。