基于LoRa技術(shù)及NB-IoT技術(shù)的電纜防破壞智能預(yù)警系統(tǒng)研究

康鴻飛，周 欣，楊廷志，楊友耕，周良浩，譚 悅

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司 綦南供電分公司，重慶 401420；2.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054）

0 引 言

隨著我國城市電網(wǎng)的快速持續(xù)發(fā)展，為了保持城市形象，同時緩解用地壓力，城市配網(wǎng)開始由高架線逐步過渡到地下電纜。在城市化進程中，各種違章施工行動導(dǎo)致的電纜溝道外力破壞事故屢見不鮮。而經(jīng)電網(wǎng)部門統(tǒng)計也可知，外力破壞導(dǎo)致的電纜溝道事故長期居于首位。地下供電網(wǎng)絡(luò)的電纜分布錯綜復(fù)雜，且復(fù)雜性隨城市發(fā)展程度提高而迅速增加，進一步要求電力電纜的運行安全及故障預(yù)防邁向更高的標準。對于電纜溝道運維安全的管理，要考慮其廣闊的分布范圍以及復(fù)雜的地面環(huán)境狀況，盡量做到全面、實時地監(jiān)測整個通道，以確保城市電力供應(yīng)和居民生活、生產(chǎn)安全[1,2]。

目前，國內(nèi)大部分電纜線路的安全檢查仍然是靠巡檢人員定期進行的人工巡檢來完成，這不僅會受天氣影響，也會受到人員素質(zhì)的影響，從而無法完全保障巡檢的質(zhì)量和結(jié)果。所以，在傳統(tǒng)巡檢管理方式下，因巡檢不到位而導(dǎo)致的電纜線路故障時常發(fā)生。另外，上述方法也無法及時獲取電纜運行線路狀態(tài)及環(huán)境狀態(tài)等信息的反饋，不能及時發(fā)現(xiàn)溝道中電力電纜運行時的隱患。特別是當電纜受到外力破壞時無法得到及時修復(fù)，就有可能導(dǎo)致大區(qū)域的停電事故，甚至影響人員安全[3]。

為了保障溝道中電纜的運行環(huán)境安全，盡量防止其遭受外力破壞，當前國內(nèi)外許多學(xué)者都對電纜溝道的保護及預(yù)警技術(shù)進行了研究。文獻[4]在有限元仿真軟件中對電纜溫度場進行了建模仿真分析，通過對電纜溝道敷設(shè)以及電纜接頭的熱分析，在仿真中確定了電纜接頭及電纜群的過熱點，進一步設(shè)計了相應(yīng)的電纜溝道溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。文獻[5]針對35 kV變電站，圍繞地下電纜通道的溫濕度數(shù)據(jù)等，通過無線傳感器建成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實時遠程監(jiān)測地下電纜溝道的溫濕度等環(huán)境情況，并在云端采用相關(guān)算法模型處理實時數(shù)據(jù)，最終評估其安全性并進行預(yù)警。文獻[6]設(shè)計了一套高壓電纜通道的多狀態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng)，其中使用了大量獨立的監(jiān)測子系統(tǒng)并將其集成統(tǒng)一化，以收集多維監(jiān)視數(shù)據(jù)。以上研究均為基于LoRa技術(shù)及NB-IoT技術(shù)的電纜防破壞智能預(yù)警系統(tǒng)提供了一定的理論依據(jù)與參考。

在上述文獻的研究基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套針對有潛在風(fēng)險的電纜線路的防破壞智能預(yù)警系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)可以更加精確地監(jiān)測某一段電纜的實時運行環(huán)境狀態(tài)，達到更加經(jīng)濟與降低成本的目的。系統(tǒng)整體包括基于LoRa的分布式無線傳感網(wǎng)絡(luò)、NB-IoT通信技術(shù)以及云服務(wù)器的電纜防破壞智能預(yù)警軟件等。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

整套系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，硬件部分由分布式無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集模塊、無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及結(jié)合了微型太陽取能和磁感應(yīng)取能的供電模塊組成。軟件部分主要由云服務(wù)器的電纜防破壞智能預(yù)警軟件組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)電纜溝道內(nèi)部環(huán)境構(gòu)造及電纜群的分布，將各類低功耗傳感器按一定間距合理分布于電纜溝道內(nèi)，監(jiān)測溫度、濕度、可燃氣體濃度以及振動等相關(guān)物理量。利用LoRa無線通信技術(shù)將底層數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，打包后通過主流運營商的NB-IoT通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到云端進行存儲并分析。進行數(shù)據(jù)清洗、閾值比較及數(shù)據(jù)特征提取等步驟后，當監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)時，發(fā)送到PC及移動端實現(xiàn)實時在線監(jiān)測及預(yù)警，同時現(xiàn)場配備的報警器進行蜂鳴警示。

圖1 電纜防破壞智能預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

由于地下電纜的運行狀態(tài)以及運行環(huán)境相對復(fù)雜，采集電纜溝道中單一物理量并不能準確地表征其運行環(huán)境。因此需要同時監(jiān)測溫度、濕度、可燃氣體濃度以及振動等多維數(shù)據(jù)，并進行綜合分析，才能針對地下電纜環(huán)境狀態(tài)進行精準評估。所以，有必要在溝道內(nèi)按一定間距合理布設(shè)各類傳感器。其中，溫濕度采用DHT11傳感器，而對于振動的采集最為關(guān)鍵。為提高采集精度同時減少誤報率，在滿足整體低功耗的前提下，擬采用ADXL345高精度三軸加速度傳感器，在準確采集到對應(yīng)信息后還能辨識出電纜該處的空間位置，可進一步感知由持續(xù)外力作用造成的位移。數(shù)據(jù)采集模塊如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊

在確定傳感器具體型號之后，通過STM32L151C8T6單片機收集電纜溝道內(nèi)各類傳感器感測到的實際信息，逐級往上一層進行傳輸，并設(shè)計相應(yīng)的硬件電路如圖3所示。

圖3 采集模塊主硬件電路圖

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊

電纜防破壞智能預(yù)警系統(tǒng)通過LPWAN進行數(shù)據(jù)傳輸，其中較為成熟的有LoRa無線通信技術(shù)以及NB-IoT無線通信技術(shù)。前者是通過線性擴頻調(diào)制技術(shù)延長通信距離的一種遠距離無線通信技術(shù)，在國內(nèi)更為通用的使用頻段在500 MHz上下波動。

一般情況下，在城市環(huán)境內(nèi)，LoRa的傳輸范圍為1～2 km，為了精準評估地下電纜環(huán)境狀態(tài)，溝道內(nèi)需按一定間距合理布設(shè)傳感節(jié)點，因此每個網(wǎng)關(guān)都將在對應(yīng)的范圍內(nèi)與所有傳感節(jié)點相連。通過E22-400T22D型號的LoRa無線模塊將MCU中收集的各類傳感器感測到的大量數(shù)據(jù)經(jīng)由串口傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)中對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行打包，再利用目前運營商的主流NB-IoT通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器進行分析計算，最終在PC端及移動端進行可視化并預(yù)警[7]。無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊如圖4所示。

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊

2.3 電源供給模塊

為給電纜防破壞智能預(yù)警系統(tǒng)提供可靠的供電，采用微型太陽能板和磁感應(yīng)取能的設(shè)計模式，同時配備鋰電池作為儲能后備，確保電源全天候不間斷的穩(wěn)定供應(yīng)，更有利于確保后臺了解和判斷電纜溝道中線路的實時情況。電源供給模塊如圖5所示。

圖5 電源供給模塊

通過如圖5所示的復(fù)合供電模式，電纜防破壞智能預(yù)警系統(tǒng)可以進行全天候24 h不間斷的實時監(jiān)控，減少了維護周期，大大緩解了一線運維人員的巡線壓力，同時也提高了溝道內(nèi)電纜的運行安全水平。

3 電纜防破壞智能預(yù)警軟件設(shè)計

電纜防破壞智能預(yù)警系統(tǒng)中，對于電纜運行環(huán)境的實時在線監(jiān)測和預(yù)警軟件主要由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析模塊以及用戶界面組成，其中數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)分析模塊部分均存儲在云端服務(wù)器[8]。當距離鋪設(shè)傳感器節(jié)點較近的地方出現(xiàn)異常時，該節(jié)點的各類信號幅值都更高，即信號過零率比較高，因此需要在算法中更深一步地分析故障點定位[9]。其中對復(fù)合物理信號的識別分析采用SVM的分類算法進行模式區(qū)分，在數(shù)據(jù)特征提取之后可以確定更精確的閾值，然后返回到之前的步驟替換之前的閾值，提高整體算法的精確度。算法流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)分析算法流程圖

在云端進行數(shù)據(jù)分析之后，將相應(yīng)結(jié)果保留并匯總于數(shù)據(jù)庫中，同時在數(shù)據(jù)庫中可以對相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行增加、刪除、改動、查詢以及訪問等操作。最后實時發(fā)送到PC端及移動端進行可視化并預(yù)警信息反饋，現(xiàn)場根據(jù)反饋信息進行蜂鳴預(yù)警。

4 結(jié) 論

基于LoRa技術(shù)及NB-IoT技術(shù)的電纜防破壞智能預(yù)警系統(tǒng)的硬件部分主要從面向電纜溝道內(nèi)電纜群分布式的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集模塊入手，同時設(shè)計了數(shù)據(jù)傳輸模塊及相應(yīng)的電源供應(yīng)模塊。其軟件部分主要研究設(shè)計了結(jié)合云計算、云存儲的電纜防破壞智能預(yù)警軟件。通過對溝道中電纜運行環(huán)境及分布情況進行了深入研究，可以從實際工況出發(fā)，來確定主要電纜測試長度、傳感器節(jié)點布設(shè)距離。并可以深入分析不同地面環(huán)境對采用不同數(shù)據(jù)的影響，最終實現(xiàn)面向巡檢人員的PC及移動端的可視化及故障預(yù)警，為城市地下電纜的安全運行提供了一種切實可行的解決方案。