输电线路杆塔状态监测网络低延时技术研究

周 超，沈 浩，刘 辉，徐 锋，刘传彬

（1国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2南京思仪科电气有限公司，江苏 南京 210024）

0 引言

电力资源是支撑社会发展与人类日常生活的核心资源，随着国家电网建设工作的不断完善与科学技术的逐步创新，供电单位对电力资源的支出相应增加［1-2］。电力资源的高速流出在一定程度上增加了电网运行的潜在负荷，输电线路在此过程中已出现了严重的安全隐患，如何提高电力安全，保障电力资源的稳定输出成为供电单位的工作重点［3］。输电线路杆塔状态是影响或干预前端供电系统安全性的重要部分，杆塔中的接地电阻值越低，线路在输电时的防雷效果越佳，与此同时，电路受损害而发生跳闸危险的概率也就越低［4-5］。因此，采集和及时传输杆塔运行状态的监测结果是一项十分重要的工作［6］。目前，供电单位已采取了措施进行杆塔运行监测，但现有的大部分监测方法都需要人工辅助作为支撑［7］。技术人员或现场作业工人采用直接观察或测量设备辅助监测的方式进行输电线路巡回检查，尽管此种监测方式可以及时发现杆塔在线路运行中存在的不足，但此种监测方式不仅耗时高、费力，也存在监测结果准确性低的问题［8-9］。为解决传统监测技术方案存在的问题，设计一种杆塔状态监测网络低延时技术，辅助现代化技术与先进的手段，改进与完善传统技术，为实现电力资源的持续化、稳定化、均衡化供应提供更好的条件。

1 杆塔状态监测网络低延时技术

1.1 低延时杆塔状态监测网络架构设计

为了确保对杆塔状态监测的低延时传输，应在设计前，分析低延时杆塔状态监测网络架构。输电单位中邻近供电站之间的距离从数十米到数千米不等，每间隔一段距离都要设置一个杆塔作为线路架设的支撑［10-11］，为了确保每个电力传输转接与通信的实时性，通常会在100.0 m 范围内设置传感器节点，为了提高在此过程中监测网络传输效率，设计了基于射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）与无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）的网络架构形式［12］。综合监测网络的通信功能，并对其架构进行描述，如图1所示。

图1 基于RFID与WSN的低延时杆塔状态监测网络

从图1中可以看出，低延时监测网络由4层构成。

首层为通信层，主要负责将前端传感器获取的标签信息传输到杆塔状态监测传输网络节点［13］。其中标签传感器大多处于无源状态，更加适用于对杆塔长期运行状态的监测。传输节点中具有超高频的通信中继节点，可以将获取的信息以直接通信的方式传输到预设节点位置。

第二层为主动连接层，主要负责将传感器获取的信息汇聚到中间层，通过中继节点的汇聚，保证不同终端之间保持良好通信。

第三层为主动移动传输层，主要由中继节点、移动基站等构成，考虑到不同网络终端的兼容性不同，采用过长的通信网线可能存在较高的支出成本［14］。因此，有必要采取措施进行信息的完整传输，通常情况下采用ZigBee与移动通信网络作为支撑。

第四层为监视层，主要负责对获取数据的监视、处理与控制，通过控制中心对数据的调用监视，实现对移动通信的宏观调控。

1.2 杆塔状态监测网络中继节点优化设置

完成上述设计后，需要优化设置杆塔状态监测网络中继节点。在现有的监测网络中，网线结构极易出现线性传输存在延时，为了降低此种延时，应在中继节点上增设通信模块［15-16］，确保所有信息汇聚成一个完整的节点，以此种方式确保网络延时性能的优化与支出成本的均衡化。

综合上述分析，引进节点优化模型进行中继节点的优化设计，可在此过程中假设监测网络中所有节点的性能是相同的，附近或周边传感器会收集相同数量的监测数据，在确保数据信息具有对称性特点后，对其延时设计进行优化，可将此种状态下的网络拓扑结构进行简化［17］。

设(xi,yi)和(x0,y0)表示杆塔状态监测网络中的节点，如果在垂直或水平方向上向(xi,yi)转发数据，需要布置较多的中继节点，此时能耗较高。因此构建节点优化模型Q如式（1）所示，以此降低能耗。

根据最大数据转发跳数简化网络拓扑结构后，监控网络由控制中心、S个变电站与n个对应的中继节点构成，假设每个n都可以被划分为x个组别，此时需要选择x中随机一个组别作为节点装配进行信息的汇聚。

综上所述，通过对监测节点的优化，针对性处理网络传输的均衡性，以此种方式，实现对杆塔状态监测网络中继节点的优化设置，为后续监测结果的汇聚传输做好网络支撑。

1.3 输电线路杆塔接地电阻在线监测结果汇聚传输

完成上述研究后，采用对监测结果进行汇聚传输的方式，进行延时的优化。在此过程中，需要初始化设计塔杆接地电阻参数，将对应的参数导入应用程序终端进行服务通信，对接全球广域网（World Wide Web，Web）端与程序端，对结果汇聚过程进行唤醒处理［18］。完成初始化内容的设计后，将节点传输信息按照由左到右的方式传输，利用通信ZigBee传输模式将节点信息进行汇聚处理［19］。将汇聚后的信息传输到变电站，变电站可通过数据采集与监视控制系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）的传输方式，将发生汇聚行为的节点集成信息传输到控制中心。此时中间层若干个节点的传输模式将均在此过程中发生汇聚。

考虑到监测信息在汇聚时可能受到监测结果加入的影响，因此，需要共享对应传输端的监测程序，利用共享机制将所有接收到信息集成在一起，从而避免控制中心信息传输时间较长的情况［20］。此时，可将杆塔接地电阻的监测传输延时表示为：传输信道延时+接入延时+信道传输延时+节点转接延时+其他延时。

终端传输的每组监测数据格式与规模不同，因此，可以认为每个中间组汇聚节点的中继节点数目也是存在差异的［21］，假设第a个汇聚节点两侧的中继节点数量分别为b与c，则在此种状态下获得的传输延时可以直接从汇聚中心调用。为了解决在此种状态下监测数据传输存在时延的问题，可直接按照上述处理过程，将中心节点的数据汇聚在一起，通过通信程序对数据的汇聚，排除可能对监测结果造成时延的外界因素。以此种方式，实现对输电线路杆塔接地电阻在线监测结果汇聚传输，完成对输电线路杆塔状态监测网络低延时技术的设计研究，为电力终端的稳定运输与电能的平衡化流通提供指导。

2 对比实验分析

通过上述论述，在完成对该技术的理论设计后，为了进一步验证该技术在实际应用中的效果，将应用本文技术前后监测网络的运行情况进行对比。

2.1 数据来源

以某供电企业的输电线路杆塔运行环境作为本文对比实验的测试环境，考虑到杆塔运行成本问题，在同一杆塔的两条110 kV的架空线上分别安装两个规格完全相同的监测终端设备。已知该监测终端设备型号为SJFE69-8490，运行环境温度在-20～+55℃范围内。在该型号监测终端设备的网络通信层面上包含网络交换机、智能网关等设备，可以通过网关直接对现场输电线路杆塔的运行数据进行采集、存储并能够将数据上传到数据库服务器中。在其中一台监测终端设备当中引入本文提出的低延时技术。

2.2 结果分析

记录两种监测终端设备监测网络中的观测数据，并将其与现场电阻测量仪测量的数据进行对比，结果如表1所示。

表1 低延时技术应用前后监测数据记录表

从表1 中的数据可以看出，本文提出的低延时技术应用前后监测网络监测数据与现场通过电阻测量仪监测的结果相差均小于0.5 Ω，证明本文低延时技术应用前后均能够实现对输电线路杆塔接地电阻变化数据的精准监测。并且，本文低延时技术应用后监测数据与电阻测量仪得出的监测结果误差明显小于该项技术应用前监测数据与电阻测量仪得出监测结果之间的误差，杆塔运行状态的监测精度进一步提升。

完成上述实验后，为了进一步验证本文低延时技术的应用优势，选择将低延时技术应用前后监测网络的延时情况作为评价指标，针对其监测过程中监测数据的传输延时进行记录，并将不同监测数据分组的最大延时绘制成图2。

图2 低延时技术应用前后各分组最大延时记录

从图2 中得出的两条曲线可以看出，本文提出的低延时技术应用前后，随着分组数的不断增加，监测数据在传输过程中的最大延时均呈现出不断下降的趋势，但明显该项技术应用后最大延时明显减小。

通过实验得出的结果综合分析得出，本文提出的低延时技术在实际应用中可以有效改善监测网络延时较大的问题，并能够进一步提升监测质量，从而使整个监测网络对输电线路杆塔接地数据监测精度进一步提升，为供电企业的日常维护及工作运行提供更可靠的数据依据。将本文提出的低延时技术应用到供电企业真实的杆塔状态监测网络当中能够促进供电企业向更智能化的方向发展，并在极大程度上提升输电线路杆塔的运行安全性和稳定性，为供电企业创造更大经济效益的同时，确保其社会效益的稳步提升。

3 结语

从设计低延时杆塔状态监测网络架构、杆塔状态监测网络中继节点优化设置、输电线路杆塔接地电阻在线监测结果汇聚传输3 个方面，完成了对低延时技术的设计研究，并通过对技术应用前与应用后的对比得出结论：提出的低延时技术在实际应用中可以有效改善监测网络延时较大的问题，并且通过这一问题的改善能够进一步提升监测质量，从而使整个监测网络对输电线路杆塔接地数据监测精度进一步提升，为供电企业的日常维护及工作运行提供更可靠的数据依据。尽管此次设计成果已经过实践证明具有一定的可行性，但在后续进一步的优化设计中，还需要考虑杆塔状态传输的拓扑结构具有链状特点，控制其传输延时是优化技术的核心。因此，还需要在后期的研究中，通过建立延时模型的方式，进行此项技术在应用中功能与性能的进一步优化，以此种方式，为电力资源的稳定运输、为市场相关企业单位的可持续发展提供技术作为指导，优化产业发展结构，实现对电力企业现有工作模式与监测传输作业方式与技术的改进。