CN115912625A - 一种输电线路在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本专利涉及了基于电力物联网进行数据实时采集、传输，将输电线路的传感器系统监测的数据进行多源融合分析的方法，通过将输电线路上安装的传感器来收集输电线路各个设备以及环境的各项参数，将收集到的各项参数进行融合分析计算，提取并转化成直观的信息，将物联网与现有的电网信息系统整合起来，实现电网运行管理与安全环境信息的整合，在综合处理后能够诊断出输电线路的健康状态并传输给后台显示出预警、告警信息。该输电线路监测技术的融合方法能够实现输电线路的实时监控和实时故障预警的高速数据处理要求，提高电力系统稳定水平，实现对高压输电线路运转状况的可控制、能控制和在线监控。

Description

一种输电线路在线监测系统及方法

技术领域

本发明专利属于输电线路的监测领域，尤其涉及一种输电线路在线监测系统及方法。

背景技术

随着社会经济的高速发展，电力行业科技水平有着显著的提高，其中高压输电线路是电力系统中电能传输的重要一环，它的运行状态关系到整个电网运行的安全和效率，受工业排放物以及自然扬尘等空气污染，大风、雷电、暴雨暴雪等自然灾害以及人为灾难，近年来特别是近几年在我国频频肆虐，高压输电线路绝缘子污闪、风偏闪络、导线舞动、电线覆冰等现象时有发生，往往会引起严重事故，严重地威胁我国架空输电线路的安全运行。

高压输电线路大部分运行在户外郊区，高压输电线路涉及面积大，所处的地理境况、气候状况变化复杂。目前在智能电网的建设中，传统的人工巡检方式不能确保精确结果，而且需要花费大量人力财力和物力，同时也不能做到实时在线监测，效率不高，不可能实时发觉高压输电线路上存在的安全隐患。

输电线路起着输送和分配电能的任务作用，其运行安全与否，直接关系到电网的安全和稳定，所以一种对于输电线路监测技术的多源融合能对输电线路提供一个安全稳定的运行环境具有重要的意义，并且后期的输电线路维护成本将会大幅降低。

发明内容

本专利是涉及了基于电力物联网进行数据实时采集、传输，将输电线路的传感器系统监测的数据进行多源融合分析的一种方法，通过将输电线路上安装的传感器来收集输电线路各个设备以及环境的各项参数，将收集到的各项参数进行融合分析计算，提取并转化成直观的信息，将物联网与现有的电网信息系统整合起来，实现电网运行管理与安全环境信息的整合，在综合处理后能够诊断出输电线路的健康状态并传输给后台显示出预警、告警信息。

本专利发明的主要内容是在输电线路中将数个物联网无线传感器系统所收集的多源信息进行融合分析，这些物联网传感器如：避雷器传感器、风偏传感器、倾斜传感器、故障指示器以及红外摄像头，传感器系统采集各自负责的设备实时参数信息，即前端传感器系统作为数据采集层，数据收集至边缘计算终端，由边缘计算融合系统将获得的传感器数据进行滤波、信号融合、计算分析，最终得到输电杆塔的实时准确数据并作出运行状态的诊断，最后将得到的输电杆塔各类实时监测数据与稳定性诊断结果经过LoRa+GPRS无线通信协议传输至后台监控中心，即为数据传输层，实现输电杆塔的稳定性实时监测，方便运行人员实时监控。

本专利包含三个部分，一是设计了输电线路传感器在线监测系统，能够通过传感器来测量输电线路的各设备、环境的实时参数，并将参数传递至边缘计算融合系统进行数据的收集；二是设计了通过边缘计算融合系统对数据进行提取、融合分析，对输电线路的运行状态进行诊断并传输至后台系统，即构成电力物联网；三是设计了通过后台系统对边缘计算融合系统所进行融合分析后的数据进行存储和展示，实现了输电线路监测技术的一种融合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明公开了一种输电线路在线监测系统，其特征在于，包括：

传感器系统，边缘计算融合系统，无线通信模块和后台监控中心；

传感器系统用于搜集各个设备的实时参数和运行状态；

将所收集的数据传输至边缘计算融合系统，由边缘计算融合系统进行融合计算分析；

将计算结果利用无线通信模块进行数据传输，传输至后台监控中心存储后进行展示。

优选地，传感器系统包括：避雷器传感器、风偏传感器、多个倾斜传感器、故障指示器、红外摄像头；其中

避雷器传感器测量输电线路的泄漏电流；

风偏传感器对导线的风偏角度进行测量；

多个倾斜传感器安装在输电杆塔上，对输电杆塔的倾斜角进行测量；

故障指示器在监测到输电线路故障电流流通时，显示故障点；

红外摄像头对输电线路的温度以及人员异物进行监测。

优选地，传感器系统包括：保护隔离绝缘单元、第一数据测量单元、第二数据测量单元、第一电源、第一MCU模块、第一无线射频模块；其中

保护隔离绝缘单元用于对传感器系统进行隔离保护；

第一数据测量单元和第二数据测量单元用于对输电线路的温湿度、风偏角、泄漏电流、输电杆塔倾斜角度、红外摄像以及人员异物进行监测；

采集的数据流传输至第一MCU模块，并且第一MCU模块将所收集的数据通过第一无线射频模块发送给边缘计算融合系统进行下一步融合分析计算；

第一电源用于对传感器系统进行供电。

优选地，边缘计算融合系统包括：第二无线射频模块、第二MCU模块、时间芯片、存储芯片；其中

第二MCU模块用于根据时间芯片所设定的时间周期而发出指令，并且对第二无线射频模块所接收的数据流进行数据融合计算、分析；

第二无线射频模块用于将第二MCU模块发出的指令传输至传感器系统，并且接收传感器系统采集的数据流，同时，在数据分析完毕之后，第二无线射频模块用于将融合后的数据以及分析结果传输至后台；

存储芯片用于储存数据。

优选地，边缘计算融合系统包括：第二电源、太阳能板、控制器、锂电池；其中，第二电源的供电模式为太阳能板供电与锂电池供电，控制器用于控制太阳能板供电与锂电池供电的模式转换。

本发明公开了一种输电线路在线监测方法，包括：

步骤1，根据所设定的时间周期，边缘计算融合系统发送指令到传感器系统，令传感器系统对输电线路进行数据采集；

步骤2，将采集的数据传输回边缘计算融合系统；

步骤3，进行数据融合计算、分析；

步骤4，将融合后的数据以及分析结果传输至后台。

优选地，步骤1中，传感器系统所收集的实时信息包括：输电线路上避雷器的泄露电流值、杆塔的绝缘子串风偏量、倾斜角、图像信号。

优选地，步骤3包括：

步骤3.1，对信号进行滤波；

步骤3.2，对信号进行分解处理，提取出特征向量；

步骤3.3，对输电线路进行初步稳定性诊断，得出输电线路运行状态的最终融合分析诊断结果。

优选地，步骤3.1中，采用离散小波变换实现信号滤波，公式如下：

信号x(t)的连续小波变换定义为输电线路的参数特征提取，提取结果表示为：

Ψ_j，n(t)＝2^-j/2Ψ(2^-jt-n)                          (2)

式中：x(t)是各传感器所检测的信号；Ψ_j，n(t)是小波基数；j是尺度因子；n是平移因子；

其中，在离散小波变换中，将j按幂级数离散，n在尺度内均匀离散。

优选地，步骤3.2中，利用小波包能量谱方法对信号进行分解处理：

其中，x_jk(k＝1，2，…，N)为信号E_j各离散点的值；

求出所述各频带能量占总能量的百分比；e_j＝E_j/∑E_n，作为稳定性诊断的输入特征量。

优选地，步骤3.3中，利用RBF神经网络方法对输电线路进行初步稳定性诊断，RBF神经网络由输入层、隐层和输出层组成，完成非线性映射，实现对初步诊断结果融合，得出输电线路运行状态的最终融合分析诊断结果。

本发明具有如下优点及有益效果：本专利主要是：

①在输电线路的监测领域中，本专利设计了一种输电线路监测技术的融合方法，采用将传感器系统安装输电线路上的各个设备以及环境当中，传感器能够测量各个设备和环境的实时数据。

②设计了通过边缘计算融合系统将传感器数据进行滤波、融合计算分析，得到的输电杆塔实时数据并作出运行状态的诊断，将得到的输电杆塔各类实时监测数据与稳定性诊断结果经过LoRa+GPRS无线通信协议传输至后台监控中心。

③后台系统能够接收由边缘计算融合系统所发送的实时监测数据参数，将接受的数据存储后展示在后台系统上，并有预警、告警等信息。

④该输电线路监测技术的融合方法能够实现输电线路的实时监控和实时故障预警的高速数据处理要求，提高电力系统稳定水平，实现对高压输电线路运转状况的可控制、能控制和在线监控。

附图说明

图1是多源数据融合输电线路在线监测系统总示意图；

图2是输电线路传感器系统硬件原理图；

图3是输电线路边缘计算融合系统硬件原理图；

图1中：避雷器传感器1、风偏传感器2、倾斜传感器3、故障指示器4、红外摄像头5、边缘计算融合系统6、LoRa+GPRS7、基站8、后台监控中心9。

图2中：保护隔离绝缘单元10、数据测量单元(1)11、数据测量单元(2)12、电源(1)13、MCU模块(1)14、无线射频模块(1)15。

图3中：传感器采集数据流16、无线射频模块(2)17、MCU模块(2)18、时间芯片19、存储芯片20、电源21(2)21、太阳能板22、控制器23、锂电池24。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。

根据图1所示，多源数据融合输电线路在线监测系统，是由传感器系统，边缘计算融合系统，无线通信模块和后台监控中心组成，传感器系统与边缘计算融合系统组成了现场监测终端，其中传感器系统由避雷器传感器1、风偏传感器2、倾斜传感器3、故障指示器4、红外摄像头5所组成，通过传感器系统来搜集各个设备的实时参数、运行状态，避雷器传感器1测量输电线路的泄漏电流，风偏传感器2对导线的风偏角度进行测量，通过将四个倾斜传感器3安装在输电杆塔上，对输电杆塔的倾斜角进行测量，故障指示器4在监测到输电线路故障电流流通时，立刻显示故障点，红外摄像头5对输电线路的温度以及人员异物等进行监测，在所收集的数据传输至边缘计算融合系统6，由边缘计算融合系统6进行融合计算分析，将计算结果利用LoRa+GPRS7的通信方式进行数据传输，经由基站8传输至后台监控中心9存储后进行展示，并给出预警、运行状态等信息，即达到电力物联网。

根据图2所示，传感器系统均采用保护隔离绝缘单元10来进行隔离保护，其中传感器系统的数据测量单元(1)11、数据测量单元(2)12对输电线路的温湿度、风偏角、泄漏电流、输电杆塔倾斜角度、红外摄像以及人员异物等进行监测，采集的数据流传输至MCU模块(1)14，MCU模块(1)14将所收集的数据通过无线射频模块(1)15发送给边缘计算融合系统进行下一步融合分析计算，传感器系统均采用电源13进行供电。

根据图3所示，边缘计算融合系统的一次完整动作是由MCU模块(2)18发出指令，由时间芯片19所设定的时间周期进行发送，指令通过无线射频模块(2)17传输至传感器系统，传感器系统开始进行输电线路的数据采集，采集完毕后传输回边缘计算融合系统，此时由无线射频模块(2)17进行数据的接收，接收到传感器采集数据流16后传输至MCU模块(2)18，进行数据融合计算、分析，数据由存储芯片20进行储存，分析完毕后，通过无线射频模块(2)17将融合后的数据以及分析结果传输至后台，边缘计算融合系统的电源21采用太阳能与电池两种供电方式，保证边缘计算融合系统的运行稳定，其中太阳能板22进行光电转换储存电能，控制器23负责控制太阳能供电与锂电池24供电的模式转换，有助于提高电网运行的可靠性，大幅减少维护人员的工作强度。

输电线路的在线监测是一个多源数据融合的过程，信息来自于传感器的测量数据。

本发明公开了一种输电线路在线监测方法，包括：

步骤1，根据所设定的时间周期，边缘计算融合系统发送指令到传感器系统，令传感器系统对输电线路进行数据采集；

边缘计算融合系统将错误数据与冗余数据一并进行滤除，融合后向相邻节点所传输的数据即为最相关的输电线路传感器监测数据，形成节点的最优估计值，各传感器系统所收集的实时信息如：输电线路上避雷器的泄露电流值、杆塔的绝缘子串风偏量、倾斜角、图像信号。

步骤2，将采集的数据传输回边缘计算融合系统；

步骤3，进行数据融合计算、分析；

优选地，步骤3包括：

步骤3.1，对信号进行滤波；

信息首先采用离散小波变换实现信号滤波，公式如下：

信号x(t)的连续小波变换定义为

输电线路的参数特征提取，提取结果表示为：

Ψ_j，n(t)＝2^-j/2Ψ(2^-jt-n)                          (2)

式中：x(t)是各传感器所检测的信号；

Ψ_j，n(t)是小波基数；

j是尺度因子；

n是平移因子；

通过选择母小波Ψ(t)，可使Ψ_j，n(t)及其傅里叶变换Ψ_j，n(ω)同时具有较好的局限性，对输电线路传感器系统采集的避雷器的泄露电流值、杆塔的绝缘子串风偏量、倾斜角、图像信号能够进行有效滤波。在离散小波变换中，将j按幂级数离散，n在尺度内均匀离散。

步骤3.2，对信号进行分解处理，提取出特征向量；

信号利用小波包能量谱方法对信号进行分解处理，提取特征向量：

其中，x_jk(k＝1，2，…，N)为信号E_j各离散点的值，然后求出所述各频带能量占总能量的百分比；e_j＝E_j/∑E_n，作为稳定性诊断的输入特征量。

步骤3.3，对输电线路进行初步稳定性诊断，得出输电线路运行状态的最终融合分析诊断结果。

利用RBF(Radical Basis Function径向基函数)神经网络方法对输电线路进行初步稳定性诊断；RBF神经网络由输入层、隐层和输出层组成，完成非线性映射，实现对初步诊断结果融合，得出输电线路运行状态的最终融合分析诊断结果。

这样把输电线路的监测数据转化成比较典型的特征量，并进行融合，最终得出诊断结论，进行如此处理后，使计算方法符合IEC60099-5标准，实现了对于输电线路的稳定性实时监测。

步骤4，将融合后的数据以及分析结果传输至后台。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种输电线路在线监测系统，其特征在于，包括：

传感器系统，边缘计算融合系统，无线通信模块和后台监控中心；

传感器系统用于搜集各个设备的实时参数和运行状态；

将所收集的数据传输至边缘计算融合系统，由边缘计算融合系统进行融合计算分析；

将计算结果利用无线通信模块进行数据传输，传输至后台监控中心。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路在线监测系统，其特征在于，

传感器系统包括下述中的至少一种：避雷器传感器、风偏传感器、多个倾斜传感器、故障指示器、红外摄像头；其中

避雷器传感器测量输电线路的泄漏电流；

风偏传感器对导线的风偏角度进行测量；

多个倾斜传感器安装在输电杆塔上，对输电杆塔的倾斜角进行测量；

故障指示器在监测到输电线路故障电流流通时，显示故障点；

红外摄像头对输电线路的温度以及人员异物进行监测。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路在线监测系统，其特征在于，

传感器系统包括下述中的至少一种：保护隔离绝缘单元、第一数据测量单元、第二数据测量单元、第一电源、第一MCU模块、第一无线射频模块；其中

保护隔离绝缘单元用于对传感器系统进行隔离保护；

第一数据测量单元和第二数据测量单元用于对输电线路的温湿度、风偏角、泄漏电流、输电杆塔倾斜角度、红外摄像以及人员异物进行监测；

采集的数据流传输至第一MCU模块，并且第一MCU模块将所收集的数据通过第一无线射频模块发送给边缘计算融合系统进行下一步融合分析计算；

第一电源用于对传感器系统进行供电。

4.根据权利要求1所述的一种输电线路在线监测系统，其特征在于，

边缘计算融合系统包括：第二无线射频模块、第二MCU模块、时间芯片、存储芯片；其中

第二MCU模块用于根据时间芯片所设定的时间周期而发出指令，并且对第二无线射频模块所接收的数据流进行数据融合计算、分析；

第二无线射频模块用于将第二MCU模块发出的指令传输至传感器系统，并且接收传感器系统采集的数据流，同时，在数据分析完毕之后，第二无线射频模块用于将融合后的数据以及分析结果传输至后台；

存储芯片用于储存数据。

5.根据权利要求1所述的一种输电线路在线监测系统，其特征在于，

边缘计算融合系统包括：第二电源、太阳能板、控制器、锂电池；其中，第二电源的供电模式为太阳能板供电与锂电池供电，控制器用于控制太阳能板供电与锂电池供电的模式转换。

6.一种输电线路在线监测方法，其特征在于，

根据所设定的时间周期，对输电线路进行数据采集；将采集的数据进行数据融合计算、分析；将融合后的数据以及分析结果呈现。

7.根据权利要求6所述的一种输电线路在线监测方法，其特征在于，

所述数据采集包括系数中的至少一种：输电线路上避雷器的泄露电流值、杆塔的绝缘子串风偏量、倾斜角、图像信号。

8.根据权利要求6所述的一种输电线路在线监测方法，其特征在于，

数据融合计算、分析包括：

对信号进行滤波；对信号进行分解处理，提取出特征向量；对输电线路进行初步稳定性诊断，得出输电线路运行状态的最终融合分析诊断结果。

9.根据权利要求8所述的一种输电线路在线监测方法，其特征在于，

采用离散小波变换实现信号滤波，公式如下：

信号x(t)的连续小波变换定义为输电线路的参数特征提取，提取结果表示为：

Ψ_j，n(t)＝2^-j/2Ψ(2^-jt-n)                       (2)

式中：x(t)是各传感器所检测的信号；Ψ_j，n(t)是小波基数；j是尺度因子；n是平移因子；

其中，在离散小波变换中，将j按幂级数离散，n在尺度内均匀离散。

10.根据权利要求8所述的一种输电线路在线监测方法，其特征在于，

利用小波包能量谱方法对信号进行分解处理：

其中，x_jk(k＝1，2，…，N)为信号E_j各离散点的值；

求出所述各频带能量占总能量的百分比；e_j＝E_j/∑E_n，作为稳定性诊断的输入特征量。

11.根据权利要求8所述的一种输电线路在线监测方法，其特征在于，

利用RBF神经网络方法对输电线路进行初步稳定性诊断，RBF神经网络由输入层、隐层和输出层组成，完成非线性映射，实现对初步诊断结果融合，得出输电线路运行状态的最终融合分析诊断结果。

12.一种终端，包括处理器及存储介质；其特征在于：

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求6-11任一项所述方法的步骤。

13.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求6-11任一项所述方法的步骤。

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