摘要：針對(duì)輸電線路的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)面臨環(huán)境復(fù)雜、通信困難、報(bào)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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(diǎn)，提出了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的選擇以及預(yù)警判別算法。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線通信；輸電線路

1 引言

輸電線路的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)，依靠直接安裝在輸電線路上的可實(shí)時(shí)記錄表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的傳感器實(shí)現(xiàn)輸電線路在線測(cè)量、診斷和檢修，其對(duì)于高壓、超高壓電網(wǎng)的運(yùn)行安全十分重要。隨著微機(jī)電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無(wú)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(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)出發(fā)，通過(guò)分析IOT的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于IOT的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案。

2 現(xiàn)有監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外電力工作者對(duì)輸電線路的環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行了大量研究。早期主要采用人工巡檢監(jiān)測(cè)電力設(shè)施覆冰情況。隨著計(jì)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(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)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(cè)，開(kāi)發(fā)出架空輸電線路覆冰實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，文獻(xiàn)介紹了輸電線路災(zāi)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些裝置都已在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)取得了一定效果，但還存在如下問(wèn)題：①人工監(jiān)測(cè)手段需耗費(fèi)較大人力、物力資源，且不能實(shí)現(xiàn)24 h實(shí)時(shí)觀測(cè)，同時(shí)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(shí)現(xiàn)全范圍監(jiān)測(cè)；②冰雪災(zāi)害引起電力線路倒塌和斷線的同時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)無(wú)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(cè)地段需要特定的報(bào)警策略，需要進(jìn)行針對(duì)性的監(jiān)測(cè)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(diǎn)具有感知、運(yùn)算和通信等功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠采集環(huán)境數(shù)據(jù)(如溫度、濕度、風(fēng)速、振動(dòng)頻率和幅度等)，相互之間使用無(wú)線多跳方式通信，并根據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)需求對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)處理。匯聚節(jié)點(diǎn)將傳感器網(wǎng)絡(luò)收集處理后的信息匯集后，通過(guò)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(jì)算機(jī)或其他設(shè)備。

傳感器節(jié)點(diǎn)作為IOT的組成元素，一般由4個(gè)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(chǔ)器)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，使之與其他節(jié)點(diǎn)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(yùn)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(diǎn)之間相互通信。IOT一般認(rèn)為采用短距離的無(wú)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?jiǎng)t提供節(jié)點(diǎn)正常工作所需的能量。由于IOT通常工作于無(wú)人值守狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)生命期依賴于節(jié)點(diǎn)能量的多少，因此節(jié)省能量是IOT設(shè)計(jì)中的重要因素。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件選擇

目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多種IOT節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)。典型的節(jié)點(diǎn)包括Mica系列，Sensoria WINS，Toles，μAMPS系列，XYZnode，Zabranet等。實(shí)際上各平臺(tái)最主要的區(qū)別是采用了不同處理器、無(wú)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(diǎn)較為成熟且應(yīng)用較廣泛。

Micaz節(jié)點(diǎn)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(jì)，可同時(shí)采集2個(gè)軸的加速度。

IRIS節(jié)點(diǎn)平臺(tái)是基于ATmega128l微處理芯片和RF230射頻芯片的一款I(lǐng)OT節(jié)點(diǎn)，是特別為嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的小型無(wú)線測(cè)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(tái)增加的幾點(diǎn)新特性從整體上提高了節(jié)點(diǎn)性能。其特點(diǎn)如下：①相對(duì)MICA系列產(chǎn)品，它有3倍的作用距離，2倍的存儲(chǔ)空間；②戶外測(cè)試在不加放大器的情況下，節(jié)點(diǎn)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(tái)的優(yōu)勢(shì)，在此選用其作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件節(jié)點(diǎn)。

5 線性判別式分類算法

輸電線路需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的物理量有當(dāng)?shù)販囟取⒕€路的振幅和頻率、風(fēng)速等。以覆冰預(yù)警為例，根據(jù)各個(gè)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(jiǎn)單高效，置信度高等特點(diǎn)。

判別分析是一種常用的統(tǒng)計(jì)分析方法，它根據(jù)觀察或測(cè)量到若干變量值，判斷研究對(duì)象屬于哪一類方法。進(jìn)行判別分析必須已知觀測(cè)對(duì)象的分類和若干表明觀測(cè)對(duì)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(duì)觀測(cè)量判別其所屬類別時(shí)的錯(cuò)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(gè)樣本來(lái)自wi類型，n2個(gè)樣本來(lái)自wi類型，n=n1+n2。兩個(gè)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(guò)變換w得到的標(biāo)量，它是一維的。實(shí)際上，對(duì)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(cè)方案

在輸電線路上布置無(wú)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(gè)物理量的數(shù)值存儲(chǔ)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(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警方案。利用物聯(lián)網(wǎng)低功耗、低成本、多傳感器、無(wú)線通信的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前輸電線路監(jiān)測(cè)面臨的具體問(wèn)題，提出了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的選擇以及預(yù)警判別算法。該監(jiān)測(cè)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(diǎn)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。