基于IoT-G 230 MHz電力無線專網(wǎng)及超窄帶無線通信技術(shù)的電力管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾 瑤，肖若舟，伍 穎

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司 婁底供電分公司，湖南 婁底 417000 ）

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的大力推進(jìn)，城市配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)不斷加快，其中高壓電纜采用地下敷設(shè)方式所占比例逐漸增加[1,2]。地下電力管道運(yùn)維的主要難點(diǎn)包括缺乏有效的監(jiān)測手段（溫度、煙霧等）、實(shí)時(shí)監(jiān)測覆蓋范圍有限以及存在監(jiān)測盲區(qū)等[3-5]。為了提升電力配網(wǎng)管廊的運(yùn)維工作質(zhì)量和效率，有必要對(duì)配網(wǎng)管廊的傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測與研判能力的進(jìn)一步升級(jí)。

面向配網(wǎng)管廊的監(jiān)控系統(tǒng)逐漸向數(shù)字化、精益化以及智能化的方向發(fā)展，通信處理能力不足是制約配網(wǎng)管廊監(jiān)控系統(tǒng)安全管理水平提升的關(guān)鍵瓶頸之一[6,7]。本文針對(duì)地下電力管廊的結(jié)構(gòu)與配置特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)階段配網(wǎng)生產(chǎn)實(shí)際需要，基于超窄帶（Utral Narrow Band，UNB）無線通信技術(shù)和IoT-G 230 MHz電力無線專網(wǎng)通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套智能管廊及低壓線纜智能監(jiān)測系統(tǒng)。管廊內(nèi)部監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)主要包括溫度、煙霧、有害氣體、液體溢滿以及水位等，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)配電房和環(huán)網(wǎng)柜中電纜局放、接地環(huán)流、線纜測溫及基礎(chǔ)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 電力管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 通信關(guān)鍵技術(shù)選取

本文設(shè)計(jì)的管廊監(jiān)測系統(tǒng)所采取的無線通信技術(shù)為新型超窄帶無線通信技術(shù)，融合了擴(kuò)頻、前向糾錯(cuò)編碼以及數(shù)字信號(hào)處理等多項(xiàng)新型技術(shù)，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：（1）采用擴(kuò)頻通信，可利用高擴(kuò)頻因子擴(kuò)大鏈路預(yù)算，提高覆蓋范圍；（2）超低功耗使電池壽命大于10年，接收電流為12 mA，待機(jī)電流僅為0.2 μA；（3）UNB的測距及定位不采用接收信號(hào)強(qiáng)度，而基于信號(hào)在空中傳輸時(shí)間來定位準(zhǔn)確度高；（4）終端節(jié)點(diǎn)成本低，其產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展更加迅速，商業(yè)化推廣較快。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本電纜管廊監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合考慮管廊的建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并針對(duì)多單位管理維護(hù)的特性，采用統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計(jì)，總體上分為4個(gè)層次設(shè)計(jì)，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層以及應(yīng)用層，如圖1所示。其中，感知層由各類采集傳感器、智能管廊終端、UNB智能基站組成，負(fù)責(zé)采集電纜溝道溫度、濕度、液位以及有害氣體等各類數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層是指UNB無線基站至平臺(tái)層遠(yuǎn)程通信部分，該部分采用IoT-G 230 MHz電力無線專網(wǎng)，數(shù)據(jù)經(jīng)過UNB智能網(wǎng)關(guān)消息隊(duì)列遙測傳 輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議轉(zhuǎn)230 MHz空口傳至就近無線專網(wǎng)基站，通過電力同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入電力無線專網(wǎng)核心網(wǎng)，通過光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）+分組傳送網(wǎng)（Packet Transport Network，PTN）專線通道后進(jìn)入省公司云平臺(tái)層。平臺(tái)層包含省統(tǒng)一物聯(lián)管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)、業(yè)務(wù)中臺(tái)，物聯(lián)平臺(tái)通過訂閱、發(fā)布的方式與UNB智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和控制，低壓智能管廊監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、前置應(yīng)用分別部署在數(shù)據(jù)中臺(tái)機(jī)業(yè)務(wù)中臺(tái)，系統(tǒng)通過約束應(yīng)用協(xié)議（Constrained Application Protoco，CoAP）與物聯(lián)管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計(jì)分析、事故告警、故障預(yù)警、終端管理、UNB智能網(wǎng)關(guān)管理與控制、電力管廊狀態(tài)信息的監(jiān)控與告警等。

圖1 地下電力管廊職能監(jiān)控管理系統(tǒng)模型

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括智能傳感器、智能管廊終端（UNB終端）以及UNB智能基站。對(duì)于UNB終端節(jié)點(diǎn)，優(yōu)先考慮低功耗需求特點(diǎn)，本系統(tǒng)選取技象科技的TP580X作為主控芯片，具備超低功耗、高靈敏度、支持物理層重傳、支持CC信道以及高安全性等特點(diǎn)，滿足UNB終端節(jié)點(diǎn)超低功耗的要求。對(duì)于UNB基站而言，相較于能耗要求，邊緣計(jì)算能力需求則更重要[8]。因此，UNB智能基站選取技象科技的TP1107作為通信芯片，工作頻率為127～1 020 MHz，最大發(fā)射功率為20 dBm。此外，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程通信，對(duì)其進(jìn)行了二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了用于IoT-G 230 MHz電力無線專網(wǎng)直流取電的接口、天線接口、固定位置。智能傳感器包含紅外智能傳感器、煙霧智能傳感器、液位智能傳感器以及線纜溫度智能傳感器，均為自供電型，具備UNB無線通信能力。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.4.1 UNB智能基站軟件設(shè)計(jì)

UNB基站是本系統(tǒng)UNB網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，其通過230 MHz電力無線專網(wǎng)的方式與主站云平臺(tái)通信，同時(shí)又通過UNB無線網(wǎng)絡(luò)與終端節(jié)點(diǎn)通信。主要工作原理為基站在接收到臺(tái)站云平臺(tái)下發(fā)的指令時(shí)，由于不能確定相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)是否處于休眠狀態(tài)，因此基站先把命令以短地址為索引的方式放到緩存隊(duì)列中，而不是直接下發(fā)命令。基站在接收到終端節(jié)點(diǎn)信號(hào)包時(shí)，若為數(shù)據(jù)包，則將數(shù)據(jù)打包上傳到臺(tái)站云平臺(tái)，同時(shí)查詢命令緩存隊(duì)列。如果隊(duì)列中有下發(fā)到該節(jié)點(diǎn)的命令，則將該命令加到確認(rèn)字符（Acknowledgement，ACK）包相應(yīng)字段中，回復(fù)的ACK包還需要添加基準(zhǔn)時(shí)間，終端節(jié)點(diǎn)通過這個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間來校準(zhǔn)休眠時(shí)間，以達(dá)到時(shí)間同步。若為入網(wǎng)信號(hào)JOIN包，則提取該幀中的設(shè)備號(hào)，連同分配的短地址一起存放到E2PROM中，并給節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ACCEPT包。

1.4.2 應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目監(jiān)測應(yīng)用主要收集傳感器數(shù)據(jù)，傳感器間隔一定時(shí)間采集一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過超窄帶無線通信UNB上報(bào)至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收集設(shè)備數(shù)據(jù)后上報(bào)到物管平臺(tái)。數(shù)據(jù)展示分析平臺(tái)從物管平臺(tái)獲取傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行展示與分析，其中獲取的傳感器數(shù)據(jù)會(huì)分類存儲(chǔ)并歸屬到綁定的監(jiān)測點(diǎn)或配電房下，用來展示監(jiān)測點(diǎn)或配電房的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)可以在監(jiān)測點(diǎn)詳情和配電房詳情中看到綁定傳感器當(dāng)前值和歷史記錄趨勢。對(duì)于原始上報(bào)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)存儲(chǔ)日志記錄，分表分庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并每小時(shí)、每天按傳感器歸檔數(shù)據(jù)。其各部分功能設(shè)計(jì)如下：（1）統(tǒng)計(jì)當(dāng)前系統(tǒng)綁定傳感器的狀態(tài)，包含離線、在線和故障，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器的狀態(tài)；（2）根據(jù)線纜智能傳感器上報(bào)的線纜電流數(shù)據(jù)，在依據(jù)設(shè)置的線纜載流量計(jì)算出負(fù)載數(shù)據(jù)，借以判斷線纜運(yùn)行情況[9]；（3）根據(jù)溫濕度傳感器上報(bào)的溫濕度統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)時(shí)展示當(dāng)前系統(tǒng)綁定的傳感器環(huán)境溫濕度分布范圍；（4）根據(jù)電纜智能傳感器和煙感傳感器上報(bào)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，實(shí)時(shí)展示當(dāng)前系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)的氣體數(shù)據(jù)；（5）根據(jù)用戶自行設(shè)置的告警規(guī)則，對(duì)各傳感器上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行告警匹配；（6）展示項(xiàng)目設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)和配電房在地圖中的位置以及當(dāng)前含有告警的狀態(tài)，可直觀觀察到整體監(jiān)測點(diǎn)和配電房的運(yùn)行情況。監(jiān)測點(diǎn)的詳細(xì)信息主要包含環(huán)境溫濕度、氧氣、硫化氫、一氧化碳、烷類以及臭氧等氣體含量。

1.4.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)云平臺(tái)與UNB基站之間采用MQTT通信協(xié)議，數(shù)據(jù)封包為標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象表示法（JavaScript Object Notation，JSON）格式。UNB基站收到基站云平臺(tái)下發(fā)的數(shù)據(jù)包時(shí)，先將JSON數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包，提取其中的短地址、指令等，然后再封包成自定義的UNB通信協(xié)議數(shù)據(jù)包，經(jīng)過UNB網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)[10]。基站收到終端節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)包，將其按照自定義的協(xié)議解包，提取其中的數(shù)據(jù)，再封包成JSON格式包，接著上傳到基站云平臺(tái)進(jìn)行處理。UNB基站與UNB終端節(jié)點(diǎn)之間采用自定義通信協(xié)議的方式進(jìn)行通信。

2 系統(tǒng)實(shí)施

該區(qū)域的基站及終端安裝部署實(shí)施圖如圖2所示。根據(jù)區(qū)域地形和建筑結(jié)構(gòu)特性，共安裝UNB智能基站兩個(gè)，智能傳感器和UNB終端的具體安裝位置為整個(gè)線纜溝道末端。選取位于自有物業(yè)的供電所及變電站作為UNB基站天線和基站處理單元的安裝地點(diǎn)，安裝高度均大于15 m。

圖2 基站及終端安裝部署

本系統(tǒng)共在吉星路電纜溝建設(shè)兩個(gè)UNB智能基站、72個(gè)線纜溫度傳感器、12個(gè)線纜監(jiān)測終端、9個(gè)煙霧傳感器以及3個(gè)液位傳感器。經(jīng)過半年的測試，實(shí)踐證明該項(xiàng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)需求。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集電纜溝及配電房各類傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化、圖形化展示，并通過分析進(jìn)行故障預(yù)警等。

3 結(jié) 論

面向地下電力系統(tǒng)配電管廊總的綜合監(jiān)測需求，開展地下電力管廊的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐應(yīng)用。本文對(duì)智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)、軟件、硬件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，通過UNB、IoT-G 230 MHz無線專網(wǎng)的選取應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)配電網(wǎng)地下溝管內(nèi)的綜合監(jiān)測，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)可以滿足業(yè)務(wù)需求。通過各類新型傳感器降低系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行功耗，提高了設(shè)備的運(yùn)行壽命，降低了部署成本，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)電力溝道與配電房的智能化全景監(jiān)測，為配網(wǎng)線路的經(jīng)驗(yàn)運(yùn)維提供了有效支撐。