基于物聯網的110 kV電纜管井智能監測系統建設與應用

劉云龍，周大明，周 勇，黃會賢，曾祥端，謝 弦，邵 愚，劉英健

(1.國網重慶市江北供電分公司，重慶 401120；2.國網重慶市電力公司，重慶 400015)

0 引 言

隨著城市建設加快，城區范圍內電力電纜線路逐漸取代架空輸電線路，成為城區電網中關鍵的組成部分[1-2]。電力電纜隧道及電纜管井等是提供龐大數量的電纜安裝和巡視的通道，具有全封閉的特征，數量日益增加[3]。110 kV電纜易出現電纜中間接頭發熱等問題，且電纜管井長期運行后，容易因各種原因造成井內積水過多[4]。若敷設在電纜管井中的電力電纜長時間浸泡在水中處于高溫高濕[5-7]的情況下，不及時處理會造成電纜隧道環境惡化，導致電纜絕緣性能極大降低[8]，最終造成擊穿短路故障等惡果[9-10]。目前，私自施放用戶電纜占用電纜通道公共資源及不法分子偷盜電纜導致片區停電的事情也時常發生。這些問題均會損害電纜的正常輸電功能，造成國民經濟的巨大損失。

因此有必要建立一套可實時監測[11]電纜本體及電纜中間接頭溫度、電纜管井中溫度[12-14]、水位[14]、煙霧、防入侵且具有較長時間續航的系統，確保電纜工作環境健康。

目前國內對于電纜管井內狀態監測的研究大多存在狀態監測量少、感知不全面[16-19]的問題，無法同時在線監測電纜管井內的溫度、水位及電纜自身溫度等的發展態勢。且由于電纜管井內待監測位置多，要同時完成井內監測終端同遠端在線監測終端的無線通訊與數據傳輸[20]，對整個系統的可持續工作時間提出了較高要求[21]。

針對上述問題，研發了一套針對110 kV電纜管井的智能監測系統，通過一整套系統即可實時監測110 kV電纜自身及電纜管井環境量等參量，并能與后臺綜合監測系統實現無線通信及數據傳遞，經測算及試驗可知系統不間斷工作時間可超1000天。該系統對于感知、改善電纜及電纜管井環境，對確保電力電纜的可靠運行具有重要意義。

1 總體設計

圖1為所設計的基于泛在電力物聯網的110 kV電纜排管工作井綜合在線監測系統總體結構框圖。該監測系統包含智能狀態感知系統、井上監控主機系統和遠程終端監測系統3部分。

圖1 電纜管井綜合在線監測系統結構

其中，智能狀態感知系統由眾多低功耗傳感器構成，傳感器采集量包含電力電纜運行溫度、電纜中間接頭溫度等電纜自身運行狀態以及工作井內溫濕度、煙霧、水位、入侵等環境狀態，且可根據實際需求增加傳感器的數量與類型。

井內傳感器按預設值周期性采集數據，并通過功耗低、傳輸距離遠的LoRa技術將采集信號無線傳輸至井上監控主機。監控主機用以接收、匯集轉換各傳感器采集的信號，并基于物聯網NB-loT技術實現同遠程在線監測終端系統無線通信以及數據雙向傳遞。

相比于NB-loT技術，LoRa技術工作于頻率低于1 GHz的非授權頻段，可有效控制使用成本。同時，LoRa節點可根據具體使用需求調整休眠時間，可以更好降低感知終端的功耗以提高續航時長。而NB-loT技術使用授權頻段，追求最優頻段利用率，具有更好的網絡質量，比LoRa技術更適用于井上監控主機同遠程終端的長距離通訊。

2 監測單元系統

2.1 傳感器設計

2.1.1 溫度傳感器

電纜排管工作井在線監測系統中，電纜本體、中間接頭及工作井環境溫度的精確監測對其健康狀況的感知至關重要，因此必須確保溫度傳感器具有在強電磁干擾及高溫環境下的可靠性。自主設計的溫度傳感器如圖2所示為表帶形狀，中間是測溫單元，兩邊長度可根據電纜實際情況定制。

圖2 溫度傳感器

接觸式溫度傳感器通過表帶卡扣，使中間測溫部分與電纜有良好的接觸，通過傳導達到熱平衡狀態，測取電纜的溫度情況。采用過低功耗無線測溫傳感器，靜態功耗小于10 μA，可分布式多點監測電纜本體、電纜中間接頭及環境的溫度。在5%～99%環境濕度、55～110 kPa大氣壓強下能夠保持正常長期工作，且內部不凝露、不結冰，滿足電磁兼容性國標要求。可測量溫度范圍為-40 ℃～90 ℃，測量誤差控制在±1 ℃內。

2.1.2 水位傳感器

水位傳感器用以監測電纜管井內水位高低，選用浮球式液位傳感器作為系統水位傳感器。浮球式水位傳感器運用液體對磁性浮球的浮力原理，由磁性浮球、測量導管、信號單元、電子單元、接線盒及安裝件組成。磁性浮球可漂于水面上沿測量導管上下移動，導管內裝有測量元件，在外磁作用下將被測液位信號轉換成電信號，以4～20 mA信號進行輸出。能夠對密閉容器及地下的介質液位進行準確的測量。為實現水位的井下準確測量，水位傳感器有效量程為5 m，測量精度最小分辨率為15 mm。

2.1.3 煙霧傳感器

煙霧傳感器通過監測煙霧濃度實現火災防范。對電纜管井內CO、HS、甲烷及空氣含氧量變化準確監測。采用離子式煙霧傳感器，對微小的煙霧粒子感應靈敏。當煙霧竄逃外電離室，干擾帶電粒子正常運動，根據電壓電流的改變量，可感知煙霧濃度的變化。選用煙霧傳感器測量范圍0～2000 mL/m3，誤差范圍±7%，報警信號響應時間不大于25 s。

2.1.4 侵入傳感器

施工單位私自施放用戶電纜或低壓線路占用電纜通道公共資源較為普遍，不法分子偷盜電纜等情況也時有發生，嚴重影響電纜網絡的供電可靠性。為第一時間發現并能及時阻止此類現象發生，該系統配備有防盜防入侵傳感器。

傳感器包括前端探測器、傳輸模塊及報警主機。前端探測器采用主動紅外探測器及被動紅外探測器組成。主動紅外探測器通過紅外發射器發射經調制過的紅外光線投向接收器端。當在特定位置有物體遮擋時，接收器輸出信號變化，報警主機發生報警。被動紅外探測器由菲涅爾透鏡及熱釋電傳感器組成。當有人體移動或外物侵入時，周圍環境溫度同常態溫度存在差異，通過菲涅爾透鏡被熱釋電傳感器監測到，輸出報警信號。

2.1.5 供電與封裝

因傳感器均安裝在地下電纜管井內，難以穩定供電，因此該系統所有在線監測傳感器均采用鋰亞電池供電，電池容量2600 mAh，可提供直流3.6 V的電壓。鋰亞電池穩定性好，自放電電流小，自身壽命大于5年。傳感器與井上監測主機之間通過LoRa協議無線通信，短時間內無損將監測信息傳輸至監測主機端。

傳感器在采集各項數據時，不改變被監測設備的接線方式、密封性能以及接地性能，同時不影響現場其他相關設備的安全運行。傳感器不能因被監測對象出現異常狀況而造成損壞，需要每個傳感器探頭的防護等級達到一定要求。采用防水透氣膜可阻止水滲透情況的出現，實現傳感器探頭防水防塵。

2.2 物聯網通信主機設計

物聯網通信主機采用LoRa技術，用以接收通信范圍內所有傳感器的監測數據，并且將數據整合后轉發至后臺服務器，采用物聯網NB-loT通訊協議。通信主機在整個電纜排管井環境在線監測中起到承前啟后關鍵中間作用，其設計圖如圖3所示。

圖3 物聯網通訊主機設計圖

為避免信號受井內復雜環境干擾，通信主機掛裝在近電纜管井口位置，采用3.6 V鋰電池供電，平均工作電流控制在100 μA內，無線發射最大功率不低于20 dB，能夠接受超過32個傳感器傳輸的信號，靈敏度大于168 dB，且最遠信號通信傳輸距離超過10 km。

3 無線傳感通信

電纜管井最深可達30～40 m，井內智能傳感器要通過LoRa協議實現與井口通訊主機無線通信，需確保數據傳輸距離不小于50 m。同時，傳感器由內部3.6 V鋰電池供電，需控制數據傳輸的功耗以提高電池工作壽命。為確保電池壽命、發射功率及傳輸距離之間的平衡，實現基于LoRa協議的監測數據無線傳輸，還需在智能傳感器前端配置最優方案。

3.1 LoRa技術

LoRa技術工作在1 GHz以下，有868 MHz、915 MHz、433 MHz 3個工作頻率。相比于其他無線通信技術，其具有傳輸距離長、信息容量大、功耗低等特點。可達0.3～50 kbit/s的數據傳輸功率，增強了通信信號的容量及質量。基于Chirp spread spectrum的特殊擴頻調制技術，使得通訊距離10 km以上時的工作電流可控在10 mA以下。

LoRa系統是由終端設備、網關及應用服務器組成的星形拓撲網絡結構。其中，終端設備作為葉子節點，向第一級的網關傳輸數據。LoRaWAN協議作為在LoRa物理層傳輸技術基礎上的以MAC層為主的協議標準，提供網關與終端設備之間的通信。LoRaWAN的上行鏈路信息幀結構包含前導碼(Preamble)、物理幀頭(PHDR)、循環冗余校驗的物理幀頭(PHDR_CRC)、有效負荷(PHYPay-load)、循環冗余校驗(CRC)等。下行鏈路信息由服務器發送經由網關轉發后發送給某感知終端，較上行鏈路少了CRC結構。終端設備與網關之間的通信根據帶寬及比特率的不同，劃分成多個頻率的信道。為了降低能耗并能增加各信道的容量，每個設備應按需調整位速率。

LoRa的數據傳輸共ClassA/B/C 3種模式:A類傳輸功耗最低，但接收信號的窗口固定，服務器無法主動激活終端設備，下行通信受限；B類傳輸在預設時間內可開放其他信號接收窗口(Ping Slot)，同時，支持通信網絡的時間同步，可以在固定時間內周期性地打開終端設備的接收窗口；C類傳輸可持續性的打開接收窗口，僅僅在上行通訊的時候關閉，但會提高功耗，僅適用于下行數據量大的情況。所設計的無線通信系統，為降低功耗，選用A類數據傳輸模式。

3.2 智能傳感器設計

智能傳感器安裝于被監測對象上，實時采集監測數據，并通過遠距離無線擴頻通信技術，向物聯網通信主機發送數據，傳感器結構框圖如圖4所示。

圖4 傳感器結構框圖

智能傳感器由傳感器模塊、集成控制模塊以及數據發射模塊組成，其中傳感器模塊與控制模塊采用I2C通信。數據發射模塊選用Semtech公司推出的具有新型LoRa擴頻技術的SX1276芯片，控制模塊選用休眠電流5.4 μA、工作電流192 μA的低功耗單片機STM8L15X系列。低功耗單片機可喚醒并控制傳感器采集、數據發射模塊輸出，并提供時鐘功能。

數據發射LoRa模塊SX1276芯片同單片機通過SPI通信，具有功耗低、容量大、傳輸距離遠、抗干擾能力強等優點。接收靈敏度達-148 dbm，輸出功率增益可達20 dbm，輸出信號頻率范圍137～1020 MHz，在電纜管井下實際復雜電磁干擾的環境中最遠傳輸距離能達至少100 m。而且具有9.9 mA低工作電流、1.2 μA休眠電流。SX1276芯片接收單片機模塊處理后的傳感器信息并通過LoRa協議無線傳輸數據。

3.3 低功耗運行情況

1)功耗理論計算

為提高效率，控制功耗，智能傳感器在常態下對電纜及電纜管井的監測及傳送數據是周期性的。計算以溫度傳感器為例，傳感器在每分鐘內喚醒一次，工作時間500 ms，且工作電流為9.8 mA。

智能傳感器終端中各模塊總功耗由兩部分組成：靜態功耗和動態功耗。靜態功耗指系統在靜態時由晶體管消耗能量，為微安級別電流。動態功耗指負載消耗能量。計算公式為

IDD=IStatic+IDynamic×f

(1)

式中：f指時鐘頻率，在一天的24 h中，設在時間t內傳感器處于數據采集以及無線通信狀態，則在(24-t)內處于休眠狀態。在無線通信狀態下，傳感器采集數據，STM單片機運行，SX1276射頻發射數據，功耗由三者共同構成。在休眠狀態，單片機僅提供時鐘功能，3個模塊的靜態功耗組成靜態功耗。

根據前面的介紹，將系統中傳感器在動態及靜態下的電流大小進行總結，如表1所示，以1 min為一個周期，各模塊選用最大電流進行估算。其中休眠狀態下，電流大小為10 μA+5.4 μA+1.2 μA=16.6 μA。

表1 溫度傳感器不同模式電流值

由表1可以計算出一個周期內最大的平均電流消耗為0.182 mA。

通過計算出的平均消耗電流和電池容量可估算出電池工作時間T估算為595.24天。

2)功耗實測

使用帶寬100 MHz的RIGOL RP1004C型電流探頭，配合實時采樣率100 GSa/s、帶寬200 MHz的SDS 1202X-E型示波器，以獲取溫度傳感器實際的功耗。檢測鋰電池正極出線上的實時電流，獲得傳感器一個完整工作周期內的電流波形變化如圖5所示。

圖5 電流實測結果

根據圖5可知，與理論計算結果相同，在60 s工作周期的大部分時間內傳感器處于工作電流近似為0的低功耗休眠狀態。在第19 s出現了較大幅度的電流脈沖，持續時間0.5 s。但其大小與理論估算結果不同，電流幅值最大僅10.32 mA，低于理論值。經分析可知，在工作狀態下，傳感模塊、單片機及數據模塊并非同時喚醒、同時運行的。

在軟件中計算圖5的積分面積，并除以60 s的時間可得到在一個周期內的平均電流消耗為0.101 mA，并計算出電池實際使用壽命為1 072.61天。

其余前端智能傳感器的發射功率、續航時間、傳輸距離與溫度傳感器相似，同樣極佳平衡了三者之間的關系。由表1可知主要的功率消耗來自傳感器對數據的采集過程以及LoRa芯片射頻數據發射過程。而在滿足高傳輸增益、傳輸距離超過100 m前提下，該系統電池續航壽命超過1000天，能夠實現長時間不間斷監測電纜排管井各項數據，滿足實際的運行需要。

4 在線監測終端系統

監控主機基于物聯網NB-loT技術將井內傳感器采集信號無線傳輸至后臺在線監測終端，電纜及通道多維感知系統智能終端可實時顯示電纜及電纜排管工作井相關數據。界面如圖6、圖7所示。

圖6 溫度地圖

圖7 多維感知系統界面

4.1 數據分析功能

在線監測系統具備數據分析功能，能夠實時顯示各傳感器采集到的電纜本體溫度、電纜中間接頭溫度、局部放電信號、環境溫度、環境水位、環境煙感、非法入侵等狀態檢測量。并可導出監測數據，提供離線分析功能。能夠通過大數據分析工具，對這些實時數據進行建模分析，并能基于BP神經網絡對各數據發展方向做出預測。

在線監測系統通過圖形、曲線、報表等數據分析手段，對各狀態監測歷史數據智能統計、分析和展示，便于對各監測位置的歷史數據進行查詢和分析。

當系統感知電纜出現異常狀態時，能夠通過分析數據，定位故障發生位置。并且根據監測數據變化幅度、頻率，智能判斷故障的嚴重程度，指導運行維護人員檢修工作。

4.2 報警功能

通過前期工作，根據電纜正常運行工況確定各項監測參數的報警閾值，當監測數據超過預設閾值時，系統異常報警，將故障位置及故障類型展示在可視化系統界面上。當發現監測數據異常時，監測系統由自動監測切換成人工監測，可人工縮短傳感器測量、傳遞數據的周期，短時間內多次監測數據，感知數據變化。

4.3 通信功能

在線監測系統具備時鐘同步功能，確保后臺監測終端時間和各傳感器及監控主機同步。監控主機和在線監測系統之間通過NB-loT物聯網通訊協議進行實時數據交換，確保物聯網網絡穩定、可靠、安全，滿足信息安全防護方面的相關要求。

4.4 其他功能

為提高在線監測系統的可靠性，系統設置了自診斷及自恢復功能。自動提示系統中設備出現的異常狀況，且具備裝置及軟件的定時監控、自啟動、斷電保護、通訊自診斷等功能。

5 結 語

針對現有的排管井監測方案存在的感知量不足、續航短、通信不穩定等不足，研發了一套電纜及電纜管井綜合監測系統，能夠實現對監測對象的全景態勢實時感知，具有耗能低、可靠性強、監測范圍廣、網絡穩定和續航時間長等優勢，并具備如下的實際使用效果：

1)電纜運行狀況評估

利用同一根電纜所有測溫點的數據進行大數據建模分析，對電纜本體及中間頭的運行狀況進行評估。通過邊緣計算發現系統薄弱點及隱患點，對溫度異常點進行預警以及重點監測起到了重要作用。

2)火災在線監測

通過接觸式溫度傳感器，多點分布監測電纜溫度，實時采集溫度數據和建模分析，并對電纜火災可能發生位置進行預警、報警。

3)異常診斷決策

通過邊緣計算發現電纜及通道薄弱點和故障點；通過人工智能分析將電纜及通道狀態自主快速感知信息與平臺層數據聯動，實現更精準的診斷和分析。

4)在線環境監測

可以實現對電纜井通道溫度、水位、氣體等狀態的實時狀態感知。當通道環境異常時，匯聚節點或接入節點主動調用管理平臺運行信息、不良工況和停電試驗等多狀態量進行邊緣計算，及時向運行維護人員推送環境異常、通道火災等安全風險預警信息。

5)防盜入侵檢測

通過在電纜通道管井處安裝防入侵監測終端，實現對電纜蓋板是否被非法打開、通道是否有人非法入侵等情況自動監測并告警，能夠有效杜絕用戶私自占用電纜通道公共資源和不法分子偷盜電纜等現象。