摘要：針對輸電線路的現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測面臨環(huán)境復(fù)雜、通信困難、報警策略難以確定等困難，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)(IOT)的輸電線路現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警方案。利用物聯(lián)網(wǎng)低功耗、低成本、多傳感器的特點，提出了系統(tǒng)的硬件平臺的選擇以及預(yù)警判別算法。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無線通信；輸電線路

1 引言

輸電線路的現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測，依靠直接安裝在輸電線路上的可實時記錄表征設(shè)備運行狀態(tài)的傳感器實現(xiàn)輸電線路在線測量、診斷和檢修，其對于高壓、超高壓電網(wǎng)的運行安全十分重要。隨著微機(jī)電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出的IOT為輸電線路的現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測提供了全天候、低成本、高可靠性和高冗余度的解決方案。在此，從現(xiàn)有輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)出發(fā)，通過分析IOT的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了基于IOT的現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測方案。

2 現(xiàn)有監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的問題

國內(nèi)外電力工作者對輸電線路的環(huán)境監(jiān)測進(jìn)行了大量研究。早期主要采用人工巡檢監(jiān)測電力設(shè)施覆冰情況。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的發(fā)展，文獻(xiàn)利用電力通信網(wǎng)絡(luò)研制了電力設(shè)施計算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)；某公司將GPRS(GSM／CDMA)技術(shù)與視頻技術(shù)引入輸電設(shè)施監(jiān)測，開發(fā)出架空輸電線路覆冰實時監(jiān)測系統(tǒng)，文獻(xiàn)介紹了輸電線路災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)和覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)。這些裝置都已在實際現(xiàn)場取得了一定效果，但還存在如下問題：①人工監(jiān)測手段需耗費較大人力、物力資源，且不能實現(xiàn)24 h實時觀測，同時由于布線范圍廣，有些布線區(qū)域地理環(huán)境惡劣，不可能實現(xiàn)全范圍監(jiān)測；②冰雪災(zāi)害引起電力線路倒塌和斷線的同時使大量通訊光纜斷裂，公用通訊網(wǎng)絡(luò)與電力通信網(wǎng)絡(luò)均發(fā)生了不同程度的中斷，監(jiān)測數(shù)據(jù)無法可靠地送往監(jiān)控中心；③受區(qū)域、氣候、地形等因素影響，特定的監(jiān)測地段需要特定的報警策略，需要進(jìn)行針對性的監(jiān)測數(shù)據(jù)積累和策略完善。

3 物聯(lián)網(wǎng)的概述

圖1示出IOT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，傳感器節(jié)點具有感知、運算和通信等功能，每個節(jié)點能夠采集環(huán)境數(shù)據(jù)(如溫度、濕度、風(fēng)速、振動頻率和幅度等)，相互之間使用無線多跳方式通信，并根據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)需求對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)處理。匯聚節(jié)點將傳感器網(wǎng)絡(luò)收集處理后的信息匯集后，通過Internet或衛(wèi)星遞交給用戶。用戶是感知信息的接收和應(yīng)用者，可以是人也可以是計算機(jī)或其他設(shè)備。

傳感器節(jié)點作為IOT的組成元素，一般由4個基本部件組成，如圖2所示。

感知單元是感知環(huán)境，產(chǎn)生感知數(shù)據(jù)，通常由一組微型化傳感器件組成。處理單元(通常內(nèi)置存儲器)對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對節(jié)點進(jìn)行控制，使之與其他節(jié)點協(xié)作，共同完成賦予的感知任務(wù)。一般采用低功耗的微處理器，如MICA2 Mote系統(tǒng)，采用7．37 MHz的8位ATMega12 8L微處理器，具有128 kB程序閃存，4kB的SRAM，功耗16．5 mW，通常運行在TinyOS，MANTIS等專門為IOT定制的微型化操作系統(tǒng)。收發(fā)單元可確保節(jié)點之間相互通信。IOT一般認(rèn)為采用短距離的無線低功率通信技術(shù)較為適合。目前，隨著ZigBee(IEEE802．15．4)技術(shù)的普及，IOT已廣泛采用ZigBee器件。能量單元則提供節(jié)點正常工作所需的能量。由于IOT通常工作于無人值守狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)生命期依賴于節(jié)點能量的多少，因此節(jié)省能量是IOT設(shè)計中的重要因素。

4 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件選擇

目前國內(nèi)外出現(xiàn)了多種IOT節(jié)點的硬件平臺。典型的節(jié)點包括Mica系列，Sensoria WINS，Toles，μAMPS系列，XYZnode，Zabranet等。實際上各平臺最主要的區(qū)別是采用了不同處理器、無線通信協(xié)議和與應(yīng)用相關(guān)的不同傳感器。在此Mica系列節(jié)點較為成熟且應(yīng)用較廣泛。

Micaz節(jié)點的微處理器芯片采用Atmega128。Micaz51針擴(kuò)展接口可連接模擬輸入，數(shù)字I／O，I2C，SPI接口和UART接口。通信模塊使用CC2420芯片。該芯片是最早支持Zigbee通信技術(shù)的通信芯片，載波頻率為2．4 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率最高達(dá)到250 kbps，通信距離為60～150 m，更適合于室內(nèi)應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集模塊采用ADXL202JE加速度計，可同時采集2個軸的加速度。

IRIS節(jié)點平臺是基于ATmega128l微處理芯片和RF230射頻芯片的一款I(lǐng)OT節(jié)點，是特別為嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的小型無線測量系統(tǒng)，它是工作在2．4 GHz、支持IEEE802．15．4協(xié)議的Mote模塊，用于低功耗的IOT。

IRIS平臺增加的幾點新特性從整體上提高了節(jié)點性能。其特點如下：①相對MICA系列產(chǎn)品，它有3倍的作用距離，2倍的存儲空間；②戶外測試在不加放大器的情況下，節(jié)點的視距可達(dá)500 m；③基于IEEE802．15．4／ZigBee協(xié)議的RF發(fā)送器；④2．4～2．48 GHz。全球兼容的ISM波段；⑤直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，抗RF干擾、數(shù)據(jù)屏蔽性好；⑥250 kbps數(shù)據(jù)傳輸率；⑦支持可靠的多跳Mesh網(wǎng)絡(luò)；⑧即插即用，可連接傳感器板、數(shù)據(jù)采集板、網(wǎng)關(guān)和軟件。此外，IRIS的51針擴(kuò)展接口可連接模擬輸入，數(shù)字I／O，I2C，SPI和UART接口，這些接口使其易于與其他外設(shè)連接。鑒于IRIS平臺的優(yōu)勢，在此選用其作為監(jiān)測系統(tǒng)的硬件節(jié)點。

5 線性判別式分類算法

輸電線路需要進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測的物理量有當(dāng)?shù)販囟?、線路的振幅和頻率、風(fēng)速等。以覆冰預(yù)警為例，根據(jù)各個地區(qū)具體的氣候物理環(huán)境的不同，需要依據(jù)數(shù)據(jù)建立不同參數(shù)的專家系統(tǒng)。而以線性判別式分類算法(LDA)作為多信源預(yù)警判決方案具有算法簡單高效，置信度高等特點。

判別分析是一種常用的統(tǒng)計分析方法，它根據(jù)觀察或測量到若干變量值，判斷研究對象屬于哪一類方法。進(jìn)行判別分析必須已知觀測對象的分類和若干表明觀測對象特征的變量值。判別分析是要從中篩選出能提供較多信息的變量，并建立判別函數(shù)，使得利用推導(dǎo)出的判別函數(shù)對觀測量判別其所屬類別時的錯判率最小。

設(shè)有兩類D維訓(xùn)練樣本xk(k=1，2，……，n)其中n1個樣本來自wi類型，n2個樣本來自wi類型，n=n1+n2。兩個類型的訓(xùn)練樣本分別構(gòu)成訓(xùn)練樣本的子集X1和X2。令，yk為向量xk通過變換w得到的標(biāo)量，它是一維的。實際上，對于給定的w，yk就是判決函數(shù)的值。各類在D維特征空間里的樣本均值向量為：

映射后，兩類的平均值之間的距離越大越好，而各類的樣本類內(nèi)離散度越小越好。因此，定義Fisher準(zhǔn)則函數(shù)為：

使JF最大的解w*就是最佳解向量，也就是Fisher的線性判別式。

6 基于LDA的線路監(jiān)測方案

在輸電線路上布置無線通信的IOT以采集輸電線路溫度、線路的振幅和頻率、風(fēng)速、線路張力。在冬季采集數(shù)據(jù)將需要除冰和不需要除冰兩種狀態(tài)下各個物理量的數(shù)值存儲建立訓(xùn)練集。

7 結(jié)論

提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的輸電線路現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警方案。利用物聯(lián)網(wǎng)低功耗、低成本、多傳感器、無線通信的優(yōu)點，結(jié)合當(dāng)前輸電線路監(jiān)測面臨的具體問題，提出了系統(tǒng)的硬件平臺的選擇以及預(yù)警判別算法。該監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)方案可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w的環(huán)境特點建立訓(xùn)練集，從而建立具有高可靠性的判別函數(shù)，進(jìn)行有效的監(jiān)控預(yù)警。