基于泛在電力物聯網NB-IOT 無線通訊技術SF6 壓力遠傳系統的研發與應用

顏曉東，李雪妍，劉傳永，孫建明

（國網哈密供電公司，新疆 哈密 839000）

1 現狀分析

SF6 密度繼電器的氣體的運行壓力、溫度及密度，必須到達相關標準規定，使設備長期處于良好的工作狀態。但90%以上的SF6 電氣設備監測手段是指針式，這種表計不具備數據遠傳功能，無法遠程監測氣體壓力及溫度，只顯示密度值（如圖1）。

目前，電網常用方式存在以下問題：人工現場巡視，需要人力、物力存在資源浪費、容易遺漏、費時費力，而且后臺管理機存在安全漏洞，常升級；現場數據和后臺數據有偏差，只顯示狀態，無密度值；電纜作為載體傳輸告警、閉鎖指令信號。事后告警，只有在低氣壓達到警告、閉鎖門值時，才能發出信號。事后處理，只有接收到信號后，檢修人員才能到現場進行處理。變電站距離遙遠，接收信號到現場研判再到缺陷處理，耽誤的時間非常長，導致斷路器低氣壓閉鎖，拒動，造成事故擴大。

2 泛在電力物聯網NB-IOT 無線通訊技術的SF6 壓力遠傳系統

基于NB-IOT 無線通訊技術的SF6 氣體動態監測技術在無外接電源的情況下，同時實現對溫度、壓力、密度3 個量的在線采集、數據處理無線傳輸（NB-IOT 技術），后臺數據實時分析，根據設定的報警和閉鎖限值自動報警，為用戶定期檢測設備提供參考數據，減少停電次數和時間，獲取最大經濟效益。

該項目采用的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）通訊技術是萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-IoT 是IoT 領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網(LPWAN)，NBIoT 支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接，同時還能提供非常全面的蜂窩數據連接覆蓋，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術，具有覆蓋廣、連接多、速率快、功耗低、架構優等特點，可具備具備支撐海量連接的能力，NB-IoT 一個扇區能夠支持10 萬個連接。系統示意圖如圖2。

圖1 密度繼電器

圖2 系統示意圖

3 項目主要研究內容

（1）符合國網安全標準的NB-IOT 無線通訊模塊的研究開發。該模塊的研發主要解決SF6 氣體監測數據的低功耗無線傳輸，并解決通訊模塊的數據傳輸穩定性及可靠性，模塊采用高性能低功耗數據處理CPU，可在低功耗情況下的瞬時增大脈沖信號，提高天線增益率，并采用符合國網標準的安全加密芯片進行數據加密。

（2）微型SF6 氣體傳感器的研究開發。該傳感器的研發主要解決SF6 氣體壓力、溫度及密度的數據采集。溫壓一體芯體是基于硅壓阻微機械加工系統(MEMS)技術和硅應變片（Microfused、Krystal Bond）技術將壓力信號進行處理，并集成了高穩定性溫度芯片，并利用Beattie-Bridgman 公式進行換算得出密度值（P20）。

（3）微型大容量高性能電池組。該電池組主要解決SF6傳感器及無線通訊模塊的供電，采用高密度大容量鋰離子可充電電池，該電池采用松下電池單體，自主研發保護電路，在電池欠壓式，太陽能將自行對電池進行充電，充至額定電壓停止充電。

（4）基于云平臺的SF6 氣體監測數據分析軟件的開發。該軟件主要解決回傳數據的監測、分析并存儲，實時繪制數據曲線，可設定報警閥值、年漏氣率等功能，做電網大數據的先行者。

4 技術難點及創新點分析

（1）技術難點。第一，抗干擾NB-IOT 無線安全通訊模塊的研發，NB-IOT 無線通訊模塊微功耗芯片是2016 年剛剛面世，在電力行業的應用少之又少，在電網大磁場環境中的可靠應用將是項目中的難點之一；第二，安全芯片的可靠應用，一般安全加密芯片都應用在輸電監測中，在變電監測中采用符合國網標準的安全加密芯片進行數據加密編程及調試工作量比較大；第三，通訊鏈路的梳理，NB-IOT 通訊方式已依據移動運行商，加密數據怎樣可靠地在公網轉入專網也是項目組要進行多方協調梳理才能暢通。

（2）創新點。該項目主要以硅壓阻微機械加工系統(MEMS)技術和硅應變片（Microfused、Krystal Bond）技術的溫壓一體微型傳感器作為采集前端，太陽能取能，NB-IOT無線通訊技術傳輸，后臺分析軟件為一體的在線監測新模式、新方法。對當前在線監測技術的發展和不足，以及在線監測規范的滯后問題，進行深入調研和總結，結合狀態檢修理論研究和無線通信技術的驗證，從管理角度和技術角度提出解決當前帶電檢測實際應用過程中突出問題的解決方案。

創新點一：無線智能感知傳感器，具有尺寸小，雙模供電壽命長，微功耗元件及內置加密（如圖3）。

創新點二：無線監測顯示器，顯示參數全面，工整，多模選擇，自檢功能（如圖4）。

圖3 傳感器示優勢

圖4 無線監測顯示器

5 結語

在國網哈密公司2019 年6 月完成試點驗證工作，全年實現哈密地區重要變電站的推廣應用。2020 年，計劃向北疆各地州推廣應用，同時以新疆地區為試點，后期向東北、西北及高寒區域客戶推廣。2025 年，實現甘肅、西藏、青海、內蒙、黑龍江、吉林、遼寧等地電力行業的大規模應用。