基于LPWAN的架空輸電線路覆冰監測系統

高奇慧，陳路易

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，淮南232001）

架空輸電線路在電力系統中扮演著重要的輸電角色，輸電線路的穩定運行直接影響著人民的生活穩定及發展。由于輸電線路分布的地理區域廣泛，環境惡劣、地形復雜等問題影響著輸電線路的穩定運行，尤其輸電線路的覆冰現象，有可能出現跳閘、舞動，甚至造成斷線、倒塔等嚴重危害。關于輸電線路的防冰減災已經成為目前電力系統行業的重要任務之一[1-3]。文獻[2]提出利用低功耗廣域網LPWAN（low-power wide area net-work）上行多跳通信方式，對輸電線路進行監測，提高信號傳輸范圍，同時降低節點能耗，但該系統未能考慮網絡延時方面的要求；文獻[3]基于無線傳感器網絡WSN（wireless sensor network）的輸電線路覆冰在線監測系統，采用ZigBee技術的無線網絡提高網絡信號覆蓋范圍，但是該系統單一的網絡技術并不能可靠地解決輸電線路復雜的地理環境因素所造成信號中斷等問題，因而達不到實時在線監測的要求。

隨著LPWAN技術的不斷發展，物聯網技術應用于無線數據傳輸、遠程實時監控成為可能[4]，其中以LoRa和NB-IoT技術的應用尤為突出。基于此，結合LPWAN技術，設計了架空輸電線路覆冰監測系統，實現了對輸電線路覆冰狀況的實時監測及運行狀態的集中統一管理，不僅大大提高了對輸電線路系統的管理效率，而且減少了資源浪費。

1 監測系統的整體設計

基于LPWAN架空輸電線路覆冰監測系統為信息感知層、網絡傳輸層和平臺應用層3部分組成[5]。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure of the system

信息感知層主要由感測終端節點，包括數據采集模塊、中央處理單元、無線傳輸模塊和電源系統。

網絡傳輸層通過NB-IoT或LoRa技術，將采集到的數據傳輸至LPWAN基站。LoRa是一種采用1 GHz以下非授權無線電頻段進行低功耗、超長距離通信的數據傳輸技術，最遠傳輸距離可高達3300 m，具有功耗低、穿透性強的特點，適用于短時間發送和接收少量數據的應用情況[6]。NB-IoT是工作在授權頻譜下的無線通信技術，具有低功耗、低成本、覆蓋廣、多連接等優點，且采用SC-FDMA技術，包含單子、多子載波可對其傳輸速率調節為超低或超高[7]。NB-IoT基站由各運營商建立，LoRa基站也為匯聚網關，從而將傳輸線路的數據傳送至物聯網監控中心。

平臺應用層即物聯網監控中心，在此采用中移公司OneNet物聯網云平臺，根據需求設計出數據管理和人交互界面2部分[8]。

2 系統設計及實現

2.1 監測終端的結構設計

架空輸電線路覆冰監測終端的硬件設計主要由數據采集模塊、中央處理單元、無線傳輸模塊以及供電電源模塊組成。系統監測終端結構如圖2所示。

圖2 系統監測終端結構Fig.2 System monitoring terminal structure

數據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字式，微型氣象站中包括環境溫濕度傳感器、風向風速傳感器、氣壓傳感器和雨量傳感器；中央處理單元的設計應注意系統工作在野外高空等惡劣的環境下，因而選用的主控芯片應具有模擬量處理、抗干擾能力強、低功耗控制電路等特點；系統的無線傳輸模塊以NB-IoT為主要通信技術，配合使用LoRa無線技術針對NB-IoT信號無法覆蓋的地區（峽谷偏僻山區等），利用多個LoRa模塊構建LoRa自主網絡（MESH），通過多跳方式進行有效的數據傳輸；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，當遇到連續陰雨天氣或太陽能供電不足等意外狀況使用。

2.2 監測終端硬件設計

監測終端部分硬件設計如圖3所示。

監測節點硬件設計依據系統監測終端結構，主要設計原理是將各傳感器與MCU內置A/D轉換器連接，將監測物理量信息轉換成數字信息輸出，通過總線通信方式傳輸至MCU模塊，MCU模塊對傳感器采集的信息完成讀寫，并完成數據存取[9]。無線傳輸模塊通過UART串口連接在MCU處理器上進行通信。

圖3 監測終端部分硬件接線圖Fig.3 Monitoring terminal part hardware wiring diagram

2.3 監測終端軟件設計

監測終端軟件設計對整個系統具體功能實現起著至關重要的作用，主要對架空輸電線路覆冰狀態數據進行采集和傳輸。監測終端軟件設計流程如圖4所示。

圖4 監測終端軟件設計流程Fig.4 Monitoring terminal software design flow chart

監測終端軟件設計流程如下：

步驟1系統初始化，多組傳感器及微型氣象站和無線收發模塊與MCU開啟工作，無線傳輸網絡與建立有效的通訊鏈路；

步驟2定時時間到后，喚醒模塊進入工作，進行各多數據采集和傳輸，采用中斷喚醒的方式來接收節點數據，降低無線傳輸節點的功耗，延長使用壽命，提高監測的實時性；

步驟3判斷NB-IoT和LoRa網絡信號強弱，選擇一種進行傳輸，保證數據傳輸的有效性。

2.4 監測終端安裝設計

高壓架空輸電線路的工作環境在復雜露天高空中，系統監測裝置采用阻燃、防爆、防腐、防潮等設計；外殼的防護性能符合GB/T 4208[10]規定的IP65級要求，采用不銹鋼材料；電源和信號插口使用防水航空插頭，具有防誤插設計，應達到整體的平均無故障時間MTBF（mean time between failures）≮25000 h，保障系統使用的安全可靠性。系統監測終端安裝如圖5所示。

圖5 監測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，由于覆冰重力導致電纜傾斜，可測出其傾斜角度，貼附于電纜上的溫度傳感器可直接測出電纜溫度[11]。傾斜（角）傳感器放置時在水平面調節好，放置時應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。

安裝時應注意：嚴禁安裝時，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電源控制模塊及蓄電池，在箱上部采光點較好的部位穩固定放置太陽能板；將由風速風向傳感器、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，選擇相對穩定的位置安裝，可預判是否有覆冰跡象。其中，風向風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部。在架空A，B，C三相導線上各有一組含有拉力、溫度和傾斜傳感器將采集數據進行分析對比，保證采集數據的可靠性。

3 模擬運行情況分析

為了評估該系統方案數據傳輸的可行性，采取模擬試驗，對監測終端的獲取的信息進行傳輸，設置系統參數，在空曠的條件下對數據的丟包率進行測試，獲取的丟包率見表1。

表1 數據丟包率測試結果Tab.1 Data packet loss rate test results

測試1空曠條件下，進行節點間隔2 km采用LoRa傳輸技術通信。

測試2相同條件下采用NB-IoT傳輸技術通信。

測試3相同條件下采用LoRa和NB-IoT結合的傳輸技術通信。

由表可見，使用LoRa和NB-IoT結合的無線通信方式，在數據傳輸的丟包率性能指標上，要優于單一LoRa或NB-IoT進行通信方式，實現對輸電線路的覆冰特征信息的實時監測。所提出的高壓架空輸電線路監測系統方案，不一定是最優的方案，但可以肯定這種方案一定優于現有方案。

4 結語

根據監測系統數據傳輸的高效性要求，提出多元無線傳輸技術結合的方案，實現了架空輸電線路覆冰監測的信息化和智能化，保障了系統的安全實時可靠性性。模擬試驗結果分析表明，該系統方案明顯降低了數據傳輸的丟包率。后續的工作是盡可能地降低監測的能耗和數據傳輸延時問題，以便更好地滿足架空輸電線路覆冰監測系統對實時性、可靠性要求高的特點。