基于NB-IoT技術的變電站電纜溝綜合環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 技術研究應用

陶然兵，周 慧，李佩玉，李莉萍，范怡琛

（國網界首市供電公司，安徽 阜陽 236000）

0 引 言

目前，全國大多數電力公司對城市內電纜井的管理還處于計劃檢修階段，一般采用定期巡視的方法對電纜的運行狀況進行檢查。從經濟角度和技術角度來說，計劃檢修都有很大的局限性，定期試驗和檢修需要投入大量人力，許多絕緣缺陷和潛在的故障無法及時發(fā)現，故障發(fā)生時，人員無法第一時間得知，對已經造成的經濟損失無法挽回。本系統(tǒng)基于最新推出的NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）窄帶傳輸通信技術及采用LoRa（Long Range）標準的LPWAN技術，建立起配網設備運行管理網絡，監(jiān)測用的傳感器采用電池自持的微功耗傳感器，并采用2.4G頻段帶寬自組網技術進行監(jiān)控，無需人工干預形成小的區(qū)域監(jiān)測管理網絡，可以有效地降低管理成本。

1 基于NB-IoT技術建立實時檢測系統(tǒng)原理概述

本系統(tǒng)針對變電站內電纜溝環(huán)境復雜、監(jiān)控數據量大等問題，基于窄帶寬通信技術、RFID自組網技術和微功耗傳感器等技術，開發(fā)了一套動態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實時快速的監(jiān)控變電站內電纜溝多項數據指標[1]，具體流程如圖1所示。

2 基于NB-IoT的綜合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)技術方案設計

2.1 多維傳感器系統(tǒng)與預警裝置

系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)由多維傳感器組成，其中電纜測溫傳感器、水浸傳感器、有毒害氣體監(jiān)測傳感器，都使用自組網2.4G頻段帶寬。經測試，傳輸效率優(yōu)于目前已經較為先進433M頻段方案。傳感器采用專門技術極大地降低RFID的功耗，超微功耗設計，平均工作電流低于10 μA，實現自供電，電池可用5年以上。

（1）電纜溫度傳感器：實時探測電纜表皮溫度（設置故障報警值），上位機接收到傳感器相應數據后，將根據采集數據的變化值做出相應的邏輯判斷，并將相應故障狀態(tài)的定點監(jiān)測數據和告警數據通過NB-IoT網絡上傳至監(jiān)控主站。

（2）環(huán)境溫濕度傳感器：定時采集環(huán)境中溫濕度值及定時發(fā)送定點數據到通信終端，當溫濕度大于告警門限時即時將溫濕度告警突發(fā)數據發(fā)送到通信終端，當溫濕度小于濕度告警門限時即時將溫濕度復歸突發(fā)數據發(fā)送到通信終端。傳感器使用2.4 GHz無線網絡與通信終端進行數據通信。

（3）水浸傳感器：是由水浸探頭與變傳器合為一體，其水浸探頭的電極浸水后阻值變大，由專用集成芯片進行信號放大、整形、比較；產品中線路設計采用光電隔離、線圈隔離、繼電器隔離等多種安全措施，結構采用全封閉設計，保證了漏水水浸傳感器的高精度及高可靠性[2]。

（4）有害氣體（煙霧）報警探測器：可以檢測所處環(huán)境中存在可燃或有害氣體；傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，一旦檢測氣體的濃度達警戒值，探測器會通過NB-IOT網絡向監(jiān)控主站上傳定點監(jiān)測數據和告警數據。

2.2 組網與通信終端

2.2.1 NB-IoT通信終端

NB-IoT通信終端的各類傳感器，監(jiān)控的數據和各類狀態(tài)包括電纜井的環(huán)境溫濕度、電纜溫度、井蓋位移、水浸狀態(tài)，接地環(huán)流電流、電纜局部放電等；傳感器根據采集數據的變化值，做出相應的邏輯判斷，并把故障狀態(tài)通過2.4 GHz無線通信發(fā)送到監(jiān)控主站（傳感器與終端基于雙向低功耗通信原理）。通信終端通過NBIoT網絡上傳定點監(jiān)測數據和告警數據到監(jiān)控后臺[4]。

2.2.2 視頻監(jiān)控聯(lián)動功能

為保障系統(tǒng)的視頻監(jiān)控功能穩(wěn)定與較低延遲，對于數據傳輸提出了較高要求，必須能將視頻監(jiān)測攝像機的錄像碼流（4 Mb/s）實時傳輸回監(jiān)測中心，傳輸延遲不大于300 ms。相關的視頻碼流數據的傳輸采用TCP/IP協(xié)議上載至后臺數據庫內，使用的NB-IoT通信技術能最大限度的保證通信鏈路可靠性及通信效率。圖2為視頻流通路的示意圖。

圖2 視頻傳輸通路示意圖

2.2.3 手機APP系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)基于NB-IoT電纜井綜合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器采集數據，數據通過移動蜂窩網絡傳至云端服務器。RFID傳感器通過2.4G無線自組網技術，以10 min一次的頻率將傳感器采集到的數據傳輸到NB-IoT通信終端上，通信終端4 h一次傳輸數據到專用云端，后臺主站對云端數據進行解析及顯示，有突發(fā)數據（告警數據，突變數據）實時上傳。在有報警觸發(fā)的情況下，通過語音、短信、手機APP系統(tǒng)軟件的形式實時報警[5]。

3 安裝與調試

本系統(tǒng)在布置時，現場無需主機，實現了天然的隔離，同有線方案相比，有效確保了監(jiān)控室設備的安全運行和值班人員的人身安全。通過建立的NB-IoT通信終端可以有效地將實時監(jiān)控的數據匯集到后臺數據庫中，方便后期對大數據進行分析和處理。利用網頁、手機APP等手段可以為相關部門提供了多方位、可視化的便捷服務。例如，自上而下的權限劃分管理：由監(jiān)控室統(tǒng)一設置各現場數據的訪問權限。各現場操作員可以查看所轄現場的監(jiān)測數據，但不具有操控權限，由監(jiān)控室操控派單操控權限。設備將運行時數據通過無線網絡發(fā)送到平臺，平臺解析并保存數據，平臺解析數據的同時對數據進行校驗，如果數據達到某個預設的越限值則會觸發(fā)告警并通知（可語音、短信、APP）方式到相關人員。

4 結 論

本文基于最新推出的NB-IoT窄帶傳輸通信技術，提出了一套適用于變電站電纜溝綜合環(huán)境實時檢測的系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用在配網監(jiān)測管理上，在覆蓋、功耗、成本、鏈接數據等方面都優(yōu)于已有的技術系統(tǒng)，能最大限度地保證通信鏈路可靠性及通信效率。同時，整個工程不需要布線和網絡調試，所有通信設備做到即裝即用。所有數據均傳輸到云后臺維護，不需現場投資專門的數據監(jiān)測平臺，并能通過手持終端或手機APP就近或隨時隨地掌握配網實施信息，提高了技術管理能力。