基于LPWAN的架空輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

高奇慧，陳路易

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，淮南232001）

架空輸電線路在電力系統(tǒng)中扮演著重要的輸電角色，輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響著人民的生活穩(wěn)定及發(fā)展。由于輸電線路分布的地理區(qū)域廣泛，環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜等問題影響著輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行，尤其輸電線路的覆冰現(xiàn)象，有可能出現(xiàn)跳閘、舞動(dòng)，甚至造成斷線、倒塔等嚴(yán)重危害。關(guān)于輸電線路的防冰減災(zāi)已經(jīng)成為目前電力系統(tǒng)行業(yè)的重要任務(wù)之一[1-3]。文獻(xiàn)[2]提出利用低功耗廣域網(wǎng)LPWAN（low-power wide area net-work）上行多跳通信方式，對(duì)輸電線路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高信號(hào)傳輸范圍，同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)能耗，但該系統(tǒng)未能考慮網(wǎng)絡(luò)延時(shí)方面的要求；文獻(xiàn)[3]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（wireless sensor network）的輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)提高網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍，但是該系統(tǒng)單一的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并不能可靠地解決輸電線路復(fù)雜的地理環(huán)境因素所造成信號(hào)中斷等問題，因而達(dá)不到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的要求。

隨著LPWAN技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控成為可能[4]，其中以LoRa和NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用尤為突出。基于此，結(jié)合LPWAN技術(shù)，設(shè)計(jì)了架空輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路覆冰狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及運(yùn)行狀態(tài)的集中統(tǒng)一管理，不僅大大提高了對(duì)輸電線路系統(tǒng)的管理效率，而且減少了資源浪費(fèi)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

基于LPWAN架空輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為信息感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和平臺(tái)應(yīng)用層3部分組成[5]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure of the system

信息感知層主要由感測(cè)終端節(jié)點(diǎn)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、中央處理單元、無線傳輸模塊和電源系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層通過NB-IoT或LoRa技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至LPWAN基站。LoRa是一種采用1 GHz以下非授權(quán)無線電頻段進(jìn)行低功耗、超長(zhǎng)距離通信的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，最遠(yuǎn)傳輸距離可高達(dá)3300 m，具有功耗低、穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于短時(shí)間發(fā)送和接收少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況[6]。NB-IoT是工作在授權(quán)頻譜下的無線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、覆蓋廣、多連接等優(yōu)點(diǎn)，且采用SC-FDMA技術(shù)，包含單子、多子載波可對(duì)其傳輸速率調(diào)節(jié)為超低或超高[7]。NB-IoT基站由各運(yùn)營(yíng)商建立，LoRa基站也為匯聚網(wǎng)關(guān)，從而將傳輸線路的數(shù)據(jù)傳送至物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心。

平臺(tái)應(yīng)用層即物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心，在此采用中移公司OneNet物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，根據(jù)需求設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)管理和人交互界面2部分[8]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 監(jiān)測(cè)終端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

架空輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、中央處理單元、無線傳輸模塊以及供電電源模塊組成。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)Fig.2 System monitoring terminal structure

數(shù)據(jù)采集模塊主要有絕緣子拉力傳感器、電纜傾斜傳感器和溫度傳感器以及微型氣象站。其中電纜溫度傳感器使用接觸數(shù)字式，微型氣象站中包括環(huán)境溫濕度傳感器、風(fēng)向風(fēng)速傳感器、氣壓傳感器和雨量傳感器；中央處理單元的設(shè)計(jì)應(yīng)注意系統(tǒng)工作在野外高空等惡劣的環(huán)境下，因而選用的主控芯片應(yīng)具有模擬量處理、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗控制電路等特點(diǎn)；系統(tǒng)的無線傳輸模塊以NB-IoT為主要通信技術(shù)，配合使用LoRa無線技術(shù)針對(duì)NB-IoT信號(hào)無法覆蓋的地區(qū)（峽谷偏僻山區(qū)等），利用多個(gè)LoRa模塊構(gòu)建LoRa自主網(wǎng)絡(luò)（MESH），通過多跳方式進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳輸；采用太陽能電池和蓄電池組合電源供電，蓄電池作為備用電源，當(dāng)遇到連續(xù)陰雨天氣或太陽能供電不足等意外狀況使用。

2.2 監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端部分硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)依據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計(jì)原理是將各傳感器與MCU內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器連接，將監(jiān)測(cè)物理量信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息輸出，通過總線通信方式傳輸至MCU模塊，MCU模塊對(duì)傳感器采集的信息完成讀寫，并完成數(shù)據(jù)存取[9]。無線傳輸模塊通過UART串口連接在MCU處理器上進(jìn)行通信。

圖3 監(jiān)測(cè)終端部分硬件接線圖Fig.3 Monitoring terminal part hardware wiring diagram

2.3 監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具體功能實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用，主要對(duì)架空輸電線路覆冰狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸。監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)流程Fig.4 Monitoring terminal software design flow chart

監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)流程如下：

步驟1系統(tǒng)初始化，多組傳感器及微型氣象站和無線收發(fā)模塊與MCU開啟工作，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)與建立有效的通訊鏈路；

步驟2定時(shí)時(shí)間到后，喚醒模塊進(jìn)入工作，進(jìn)行各多數(shù)據(jù)采集和傳輸，采用中斷喚醒的方式來接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，降低無線傳輸節(jié)點(diǎn)的功耗，延長(zhǎng)使用壽命，提高監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性；

步驟3判斷NB-IoT和LoRa網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)弱，選擇一種進(jìn)行傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

2.4 監(jiān)測(cè)終端安裝設(shè)計(jì)

高壓架空輸電線路的工作環(huán)境在復(fù)雜露天高空中，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置采用阻燃、防爆、防腐、防潮等設(shè)計(jì)；外殼的防護(hù)性能符合GB/T 4208[10]規(guī)定的IP65級(jí)要求，采用不銹鋼材料；電源和信號(hào)插口使用防水航空插頭，具有防誤插設(shè)計(jì)，應(yīng)達(dá)到整體的平均無故障時(shí)間MTBF（mean time between failures）≮25000 h，保障系統(tǒng)使用的安全可靠性。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端安裝如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)終端各模塊安裝示意圖Fig.5 Installation schematic diagram of each module of monitoring terminal

密封傾斜（角）傳感器和溫度傳感器附著固定于電纜上，由于覆冰重力導(dǎo)致電纜傾斜，可測(cè)出其傾斜角度，貼附于電纜上的溫度傳感器可直接測(cè)出電纜溫度[11]。傾斜（角）傳感器放置時(shí)在水平面調(diào)節(jié)好，放置時(shí)應(yīng)注意參考面水平放置。拉力傳感器安裝于鐵塔和絕緣子之間，當(dāng)電纜覆冰后重力增加，使絕緣子與鐵塔之間拉力增加，故可判斷出電纜是否覆冰。

安裝時(shí)應(yīng)注意：嚴(yán)禁安裝時(shí)，少裝緊固螺栓，將傳感器垂直放置，防止偏載或受力不均勻，損壞傳感器；使用封閉式鐵箱放置中央處理單元和系統(tǒng)電源控制模塊及蓄電池，在箱上部采光點(diǎn)較好的部位穩(wěn)固定放置太陽能板；將由風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、雨量傳感器和氣壓傳感器組成的微型氣象站安裝于鐵塔上端，選擇相對(duì)穩(wěn)定的位置安裝，可預(yù)判是否有覆冰跡象。其中，風(fēng)向風(fēng)速傳感器放置于氣象箱的頂部緊固，氣壓傳感器和溫濕度傳感器放置于氣象站內(nèi)部。在架空A，B，C三相導(dǎo)線上各有一組含有拉力、溫度和傾斜傳感器將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，保證采集數(shù)據(jù)的可靠性。

3 模擬運(yùn)行情況分析

為了評(píng)估該系統(tǒng)方案數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行裕扇∧M試驗(yàn)，對(duì)監(jiān)測(cè)終端的獲取的信息進(jìn)行傳輸，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，在空曠的條件下對(duì)數(shù)據(jù)的丟包率進(jìn)行測(cè)試，獲取的丟包率見表1。

表1 數(shù)據(jù)丟包率測(cè)試結(jié)果Tab.1 Data packet loss rate test results

測(cè)試1空曠條件下，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間隔2 km采用LoRa傳輸技術(shù)通信。

測(cè)試2相同條件下采用NB-IoT傳輸技術(shù)通信。

測(cè)試3相同條件下采用LoRa和NB-IoT結(jié)合的傳輸技術(shù)通信。

由表可見，使用LoRa和NB-IoT結(jié)合的無線通信方式，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率性能指標(biāo)上，要優(yōu)于單一LoRa或NB-IoT進(jìn)行通信方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的覆冰特征信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。所提出的高壓架空輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，不一定是最優(yōu)的方案，但可以肯定這種方案一定優(yōu)于現(xiàn)有方案。

4 結(jié)語

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝砸螅岢龆嘣獰o線傳輸技術(shù)結(jié)合的方案，實(shí)現(xiàn)了架空輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)的信息化和智能化，保障了系統(tǒng)的安全實(shí)時(shí)可靠性性。模擬試驗(yàn)結(jié)果分析表明，該系統(tǒng)方案明顯降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率。后續(xù)的工作是盡可能地降低監(jiān)測(cè)的能耗和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)問題，以便更好地滿足架空輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求高的特點(diǎn)。