庞寅

（1.海南经贸职业技术学院工程技术学院，海南海口 571127；2.海南大学信息科学技术学院，海南海口 570228）

基于网格WebGIS的远程电网寻线系统的设计

庞寅

（1.海南经贸职业技术学院工程技术学院，海南海口 571127；2.海南大学信息科学技术学院，海南海口 570228）

针对传统的远程电网线路监测采用人工筛选方法，随着线路的分布复杂性增大，寻线效率不高，提出一种基于分布式地理信息系统网络（WebGIS）的远程电网寻线系统优化设计方法。首先，进行系统的总体设计，基于网格WebGIS的远程电网寻线系统主要由无线传感器模块、线路故障处理器模块、线路故障数据通信模块和系统的能量供给模块等组成。其次，设计远程电网寻线网格WebGIS的分布式定位算法。最后，对系统的时钟电路、发射匹配电路、系统电源供电硬件模块进行设计。在Visual DSP＋＋4.5下进行系统的仿真实验，仿真结果表明，采用该系统能有效准确地实现远程电网寻线和故障监测，故障节点的定位准确度高，实现智能寻线。

网格；分布式地理信息系统；远程电网；系统设计

当前，中国的智能电网建设步伐加快，全国220 kV及以上输电线路总长度达到43万km，变电容量19.6亿kV·A。目前，国家电网公司分配的是我国距离最长、系统集成度最高的网络系统，其系统组成复杂，且分布在野外环境中，导致电网线路故障经常发生。对电网线路检修和监测，是保障远程电网稳定可靠运行的关键。由于线路交错且野外地理信息环境复杂，导致线路故障点难以得到准确排除，需要进行远程电网的智能寻线和监测，通过对远程电网线路运行状态安全监测的智能寻线系统优化设计，提高对线路的监测能力[1]。

传统方法中，对电网线路的监测方法主要有基于计算机视觉的线路监测方法，基于无线传感器网的远程电网线路监测方法和基于物联网的线路监测方法等。然而，传统方法主要是采用人工筛选方法，寻线效率不高[2]。对此，相关文献进行了系统的改进设计，其中，文献[3]提出一种基于嵌入式大功率网络的远程电网寻线系统的设计方法，该方法采用超声波检测技术实现对电网的智能寻线和故障排查，系统检测性能较好，但是该系统设计中需要进行误差反馈，随着线路分布的随机性扩展，误差反馈准确性不好，导致寻线的准确度受到影响；文献[4]提出一种基于双向流动补偿的远程电网寻线系统，根据超声回波进行远程电网线路寻线检测，结合远程视频监控技术，实现远程电网寻线系统的多媒体化和信息化，但是该系统在设计中通过视频法进行故障检测，由于视频法对故障的排查过于简单，导致电网线路的故障检测性能不好。随着地理信息系统（geographic information system或geo－information system，GIS）的应用和发展，结合GIS网格分配和调度方法进行线路分布跟踪和智能监测具有可能性[5-8]。对此，本文针对传统方法出现的问题，提出一种基于分布式地理信息系统网络（WebGIS）的远程电网寻线系统优化设计方法。首先，进行了系统的总体设计，设计网格WebGIS线路故障检测算法。其次，进行了系统的硬件设计和软件设计。最后，通过仿真实验进行了性能验证，验证了本文设计的系统在提高远程电网寻线准确性方面的优越性能。

1 系统总体设计和算法设计

1.1 系统总体设计

在远程电网中，电线作为连接电网线路的基本单元，容易出现破损和断路等问题，需要进行寻线和故障监测。基于WebGIS的远程电网电线故障定位识别和检测是通过建立故障节点的检测和定位模型，采用无线传感器的网格分布技术，进行线路检测的。基于网格WebGIS的远程电网寻线系统主要由无线传感器WebGIS模块、线路故障处理器模块、线路故障数据通信模块和系统的能量供给模块等组成，基于网格WebGIS的远程电网寻线系统总体设计框图如图1所示。

图1 基于网格WebGIS的远程电网寻线系统总体设计框图Fig.1 Overall design block diagram of remote power line monitoring system based on grid WebGIS

基于网格WebGIS的远程电网寻线系统包含3个单元，电力网的任务是输送与分配电能，改变电压。传感器模块负责监控远程电网线路运行网络系统内的原始信息，进行故障信息的采集和数据融合处理，被监控的远程电网线路运行状态信息决定了网格WebGIS的分布类型，线路故障数据通信模块负责网格WebGIS与线路故障检测的传感器之间的通信数据传输，并实现与上位机的线路故障数据融合和信息共享交换。可见，远程电网的电线故障寻线诊断的第一步是故障数据信息的远程采集，实现特征信息提取。基于网格WebGIS的远程电网寻线的数据信息处理流程如图2所示。

图2 基于网格WebGIS的远程电网寻线的数据信息处理流程Fig.2 Data information processing of remote power line monitoring system based on grid WebGIS

1.2 远程电网寻线网格WebGIS的分布式定位算法

随着地理信息系统不断在野外电网信息监测中的应用，采用网格WebGIS的分布式定位算法实现远程电网寻线能提高寻线的准确度。假设远程电网寻的WebGIS由汇聚节点SN和N个簇首节点组成，假设在网格点Wij的感知半径内对电网线路的特征数据序列进行采集：

式中：SL为故障测度信息。第k个电网节点的WebGIS信任度数学模型为

式中：Tα为网格点的故障检测阈值；Tε为线路故障点的分量幅度调制信息；Smk为网格WebGIS的远程电网寻线视频监控的第m帧（x，y）处的像素。网格点感知半径内的电线故障信息定义为

式中：Ui为经验模态分解值；Θ（t）为线路的结构信息，以此来判断网格点的联合信任度。在节点选择阶段，网格WebGIS远程电网寻线系统工作节点广播Pim消息，得到远程电网寻线的WebGIS网格分配，如图3所示。

图3 远程电网寻线的WebGIS网格分配Fig.3 WebGIS grid distribution of remote power line monitoring

图3中，以网格点Wij为圆心，远程电网寻线系统的GIS配网网络的N个簇首节点构成半径Rs的圆形区域C={CHi|1≤i≤N}。对于，网格点感知区域内传输调度集满足，选定好工作节点，远程电网线路故障调度数据由汇集节点表示。若则构造网格WebGIS的远程电网寻线的配网节点最大独立集为

式中：xk为电线故障节点序列；Vi为电线故障的正态分布特征，它反映出电网故障数据网格WebGIS特征。网格WebGIS节点距离的频域特性为

式中：wi（k）和vi（k）为电线故障部位的巡查状态噪声和观测噪声；Φi（k）和Hi（k）为电线故障的监控输出，服从均值为0、方差为Sj（k）的正态分布。对电线故障点的纹理结构信息进行平滑处理，得到电网智能监测寻线过程中故障节点的欧式距离为

式中：xi、yi分别为WebGIS监测水平半径和垂半径，它对K个WebGIS网格分割区域进行循环搜索，以实现远程电网寻线网格WebGIS的分布式定位。远程电网寻线网格WebGIS的分布式定位模型如图4所示。

2 系统设计与实现

在第1节进行系统总体设计和网格WebGIS分布式定位算法设计的基础上，进行系统的硬件模块和软件模块设计。设定电线故障信息传输通道数为8通道，有1路、2路、4路、8路输入。本文设计的远程电网线路安全运行状态监测模块的主要技术指标：FIR带通滤波动态范围为-30～+40 dB；采样率≥200 kHz，线路的D/A分辨率为12位。设计时钟电路进行原始信息的采集，基于网格WebGIS的远程电网寻线系统的时钟电路如图5所示。

图4 远程电网寻线网格WebGIS的分布式定位模型Fig.4 Distributed location model of the grid WebGIS

图5 基于网格WebGIS的远程电网寻线系统的时钟电路Fig.5 Clock circuit of remote power line monitoring system based on the grid WebGIS

该应用中对远程电网寻线系统的时序比较敏感，要求时钟精度较高，选择晶振频率最高为600 MHz，I/O电压为3.3 V，电线分布的故障数据分为n个时隙，假设每个时隙的持续时间为T，在晶振的电源入口处放一个10～100 μF的钽电容，设计线路的远程监控系统的发射匹配电路，如图6所示。

图6 系统的发射匹配电路Fig.6 Emission matching circuit of system

基于网格WebGIS的远程电网寻线系统硬件模块设计的另一主要部分是系统电源设计。动态环境下线路故障捕获系统的系统电源设计中，要求输出电压和输入电压一致，均处于±10 V范围，设计的一款电源芯片TPS767D301，单独输出+3.3 V和+1.6 V，电流最大输出为1 A，能有效满足动态环境下远程电网线路故障的自动捕获系统设计要求[9-12]。采用MUX101程控开关控制数字电源+5 V和模拟电源+5 V供电，实现系统的硬件设计。系统电源设计如图7所示。

系统由线路故障处理器模块、线路故障数据通信模块和系统的能量供给模块等组成[13-14]。运算放大器输出驱动模数转换器为（ADC），线路检测的工作电压±1.5 V，工作电流3 mA，在晶振的每一个电源引脚处也都要放一个0.1 μF的电容，实现对系统的集成设计，得到设计的系统电路如图8所示。

嵌入远程电网寻线网格WebGIS的分布式定位算法，进行寻线系统软件开发，软件开发流程如图9所示。综上，完成了系统的硬件和软件设计。

图7 系统电源设计框图Fig.7 Block diagram of system power supply

图8 系统集成电路设计Fig.8 System integrated circuit design

图9 代码开发流程Fig.9 Code development process

3 实验仿真测试与结果分析

为了测试本文算法在实现基于分布式地理信息系统网络（WebGIS）的远程电网寻线中的性能，进行仿真测试与实验。实验中，系统软件的开发平台是Visual DSP＋＋4.5。VisualDSP++通过图形窗口的方式与用户进行信息交换，调试器集成了软件仿真器（simulator）、硬件仿真器（emulator）和开发板监控，得到基于分布式地理信息系统网络（WebGIS）的远程电网寻线系统的开发界面，如图10所示。

在Visual DSP＋＋4.5下进行基于网格WebGIS的远程电网寻线系统设计与仿真。仿真中，倍频数为10倍，由25 MHz的晶振频率知DSP默认工作频率为250 MHz，DSP内核电压必须大于1.2 V，采样的12位二进制数中总有2位是同时变化的，要么都为1，要么都为0。通过调试，硬件功能基本正常，在进行电网寻寻线和故障监测时，得到远程电网寻线的监测结果如图11所示。

图10 远程电网寻线系统的开发界面Fig.10 Development interface of remote power line monitoring system

图11 远程电网寻线的监测结果Fig.11 Monitoring results of remote network routing

由图11可知，采用本文方法能准确有效地实现对4个通道的远程电网寻线和故障监测，对故障节点定位的准确度高，展示了本文设计系统的优越性能。

4 结语

电网在进行远程供电传输过程中，由于线路交错且野外地理信息环境复杂，导致线路故障点难以得到准确排除，需要进行远程电网的智能寻线和监测，通过对远程电网线路运行状态安全监测的智能寻线系统优化设计，提高对线路的监测能力。本文提出一种基于分布式地理信息系统网络（WebGIS）的远程电网寻线系统优化设计方法。首先，进行了系统的总体设计，设计网格WebGIS线路故障检测算法；其次，进行了系统的硬件设计和软件设计；最后，在Visual DSP＋＋4.5下进行系统的仿真实验和性能验证。仿真结果表明，采用该系统能有效准确地实现远程电网寻线和故障监测，故障节点的定位准确度高，性能优越。

[1]甄建军，张毅.基于螺旋平面线圈的感应电能传输技术研究[J].电气自动化，2014，36（2）:78-80.ZHEN Jianjun，ZHANG Yi.Research on inductive power transmission technology based on spiral planar coil[J].Electrical Automation，2014（2）:78-80（in Chinese）.

[2]高志春，陈冠玮.倾斜因子K均值优化数据聚类及故障诊断研究[J].计算机与数字工程，2014，42（1）:14-18.GAO Zhichun，CHEN Guanwei.Fault diagnosis and optimal data clustering based on k-means with slope factor[J].Computer and Digital Engineering，2014，42（1）:14-18（in Chinese）.

[3]杨俊，周丙寅，张毅，等.基于递归图分析的压缩机故障诊断方法研究[J].计算机与数字工程，2013，41（6）:984-986.YANG Jun，ZHOU Bingyin，ZHANG Yi，et al.Compressor fault diagnosis based on recurrence plot analysis[J].Computer and Digital Engineering，2013，41（6）:984-986（in Chinese）.

[4]李寰宇，毕笃彦，杨源，等.基于深度特征表达与学习的视觉跟踪算法研究[J].电子与信息学报，2015，37（9）: 2033-2039.LI Huanyu，BI Duyan，YANG Yuan，et al.Research on visual tracking algorithm based on deep feature expression and learning[J].Journal of Electronics& Information Technology，2015，37（9）:2033-2039（in Chinese）.

[5]陈晓，张贵峰，张巍，等.基于风险矩阵的输电线路直升机巡检作业安全风险评估方法[J].南方电网技术，2015，9（11）:58-64.CHEN Xiao，ZHANG Guifeng，ZHANG Wei，et al.Risk matrix based safety risk assessment of overhead line helicopter patrol inspections[J].Southern Power System Technology，2015，9（11）:58-64（in Chinese）.

[6]张福民，王富东，杨俊.ZN85A-40.5真空断路器触头传动结构的动力学仿真[J]．高压电器，2010，46（2）：20-26．ZHANG Fumin，WANG Fudong，YANG Jun.Dynamic simulation of ZN85A-40.5 vacuum circuit breaker contact transmission structure[J]．High Voltage Apparatus，2010，46（2）：20-26（in Chinese）．

[7]何乐彰，张忠会，张琪琪.采用模糊综合评判法的输电线路状态评估[J].电力与能源，2014（3）:349-352.HE Lezhang，ZHANG Zhonghui，ZHANG Qiqi.State evaluation of power transmission line using fuzzy comprehensive judgment[J].Power&Energy，2014（3）:349-352（in Chinese）.

[8]郑中胜，邓慰，李兵，等.基于光电场传感器的劣化绝缘子检测系统[J].电瓷避雷器，2014（6）:38-44.ZHENG Zhongsheng，DENG Wei，LI Bing，et al.Detection system of deterioration insulators based on optical transducer[J].Insulators and Surge Arresters，2014（6）: 38-44（in Chinese）.

[9]易荣，岳伟，张海涛，等.多端柔性直流输电系统中混合运行方式分析[J].电网与清洁能源，2014（12）:21-26.YI Rong，YUE Wei，ZHANG Haitao，et al.Analysis on mixture operation mode of VSC-MTDC Transmission system[J].2014（12）:21-26（in Chinese）.

[10]肖儿良，莫康，陈朱杰.输入不平衡时双级矩阵变换器的比例谐振控制[J].电力科学与工程，2014，30（12）: 39-45.XIAO Erliang，MO Kang，CHEN Zhujie.Proportional resonant control for two stage matrix converter under unbalanced supply condition[J].Electric Power Science and Engineering，2014，30（12）:39-45（in Chinese）.

[11]赵建利，冯卫强，李宣义，等.智能变电站通信网络端到端信息的统计时延分布[J].华北电力大学学报（自然科学版），2014，41（6）:27-33.ZHAO Jianli，FENG Weiqiang，LI Xuanyi，et al.Endto-end statistical time delay distribution of communication network in smart substation[J].Journal of North China Electric Power University（Natural Science Edition），2014，41（6）:27-33（in Chinese）.

[12]唐建清.一种快速估算运行状态母线短路容量的方法[J].江苏电机工程，2014，33（6）:26-29.TANG Jianqing.A method for fast calculation of operating bus short-circuit capacity[J].Jiangsu Electrical Engineering，2014，33（6）:26-29（in Chinese）.

[13]马兆兴，李洪美，万秋兰，等.基于动态量测量的电压失稳性判据研究[J].电力系统保护与控制，2014（24）: 30-35.MA Zhaoxing，LI Hongmei，WAN Qiulan，et al.Study on voltage instability criterion based on dynamic measurement[J].Power System Protection and Control，2014（24）: 30-35（in Chinese）.

[14]牛睿，梁军，张峰，等.基于可变行波辨识时窗的单端故障定位方法[J].电力系统保护与控制，2014（24）:56-64.NIU Rui，LIANG Jun，ZHANG Feng，et al.Single-ended fault location method based on variable time windows for traveling wave identification[J].Power System Protection and Control，2014（24）:56-64（in Chinese）.

[15]刘新根，谭耀燊，徐静华.特高压交流变电站用磁控式动态无功补偿技术方案[J].电力电容器与无功补偿，2014，35（6）:14-18.LIU Xingen，TAN Yaoshen，XU Jinghua.Technical solution on magnetically controlled dynamic reactive power compensation for uhv ac substation[J].Power Capacitor& Reactive Power Compensation，2014，35（6）:14-18（in Chinese）.

（编辑 董小兵）

Design of the Remote Power Line Monitoring System Based on Grid WebGIS

PANG Yin
（1.College of Engineering Technology，Hainan College of Economics and Business，Haikou 571127，Hainan，China；2.College of Information Science&Technology，Hainan University，Haikou 570228，Hainan，China）

The traditional remote grid line monitoring is mainly based on human screening method，and with increase of the complexity of line distributions，the monitoring efficiency remains low.This paper proposes an optimized design method for the monitoring system of the remote power grid based on the distributed geographic information system network（WebGIS）.First of all，the overall design of the system is given and the system mainly consists of the wireless sensor WebGIS module，line fault processor module，line fault data communication module and system energy supply module.Secondly，the distributed localization algorithm for the WebGIS of the remote power grid is designed.Finally，the system’s clock circuit，the transmission matching circuit，the system power supply hardware module are designed.Simulations are carried out in the DSP Visual++4.5，and the simulation results show that the system can effectively and accurately realize the remote monitoring and fault detection with high accuracy of fault locations and intelligent line monitoring achieved.

grid；distributed geographic information system；remote network；system design

海南省社会科学联合会课题（HNSK（JD）15-19）。

Project Supported by Social Science Association of Hainan Province（HNSK（JD）15-19）.

1674-3814（2016）08-0029-06

TM755；TP271

A

2016-01-06。

庞 寅（1982—），男，硕士，讲师，研究方向为计算机网络。