基于NB-IoT技術的變電站電纜溝綜合環境實時動態監測系統 技術研究應用

陶然兵，周 慧，李佩玉，李莉萍，范怡琛

（國網界首市供電公司，安徽 阜陽 236000）

0 引 言

目前，全國大多數電力公司對城市內電纜井的管理還處于計劃檢修階段，一般采用定期巡視的方法對電纜的運行狀況進行檢查。從經濟角度和技術角度來說，計劃檢修都有很大的局限性，定期試驗和檢修需要投入大量人力，許多絕緣缺陷和潛在的故障無法及時發現，故障發生時，人員無法第一時間得知，對已經造成的經濟損失無法挽回。本系統基于最新推出的NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）窄帶傳輸通信技術及采用LoRa（Long Range）標準的LPWAN技術，建立起配網設備運行管理網絡，監測用的傳感器采用電池自持的微功耗傳感器，并采用2.4G頻段帶寬自組網技術進行監控，無需人工干預形成小的區域監測管理網絡，可以有效地降低管理成本。

1 基于NB-IoT技術建立實時檢測系統原理概述

本系統針對變電站內電纜溝環境復雜、監控數據量大等問題，基于窄帶寬通信技術、RFID自組網技術和微功耗傳感器等技術，開發了一套動態實時監控系統。該系統能夠實時快速的監控變電站內電纜溝多項數據指標[1]，具體流程如圖1所示。

2 基于NB-IoT的綜合環境監測系統技術方案設計

2.1 多維傳感器系統與預警裝置

系統的檢測系統由多維傳感器組成，其中電纜測溫傳感器、水浸傳感器、有毒害氣體監測傳感器，都使用自組網2.4G頻段帶寬。經測試，傳輸效率優于目前已經較為先進433M頻段方案。傳感器采用專門技術極大地降低RFID的功耗，超微功耗設計，平均工作電流低于10 μA，實現自供電，電池可用5年以上。

（1）電纜溫度傳感器：實時探測電纜表皮溫度（設置故障報警值），上位機接收到傳感器相應數據后，將根據采集數據的變化值做出相應的邏輯判斷，并將相應故障狀態的定點監測數據和告警數據通過NB-IoT網絡上傳至監控主站。

（2）環境溫濕度傳感器：定時采集環境中溫濕度值及定時發送定點數據到通信終端，當溫濕度大于告警門限時即時將溫濕度告警突發數據發送到通信終端，當溫濕度小于濕度告警門限時即時將溫濕度復歸突發數據發送到通信終端。傳感器使用2.4 GHz無線網絡與通信終端進行數據通信。

（3）水浸傳感器：是由水浸探頭與變傳器合為一體，其水浸探頭的電極浸水后阻值變大，由專用集成芯片進行信號放大、整形、比較；產品中線路設計采用光電隔離、線圈隔離、繼電器隔離等多種安全措施，結構采用全封閉設計，保證了漏水水浸傳感器的高精度及高可靠性[2]。

（4）有害氣體（煙霧）報警探測器：可以檢測所處環境中存在可燃或有害氣體；傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，一旦檢測氣體的濃度達警戒值，探測器會通過NB-IOT網絡向監控主站上傳定點監測數據和告警數據。

2.2 組網與通信終端

2.2.1 NB-IoT通信終端

NB-IoT通信終端的各類傳感器，監控的數據和各類狀態包括電纜井的環境溫濕度、電纜溫度、井蓋位移、水浸狀態，接地環流電流、電纜局部放電等；傳感器根據采集數據的變化值，做出相應的邏輯判斷，并把故障狀態通過2.4 GHz無線通信發送到監控主站（傳感器與終端基于雙向低功耗通信原理）。通信終端通過NBIoT網絡上傳定點監測數據和告警數據到監控后臺[4]。

2.2.2 視頻監控聯動功能

為保障系統的視頻監控功能穩定與較低延遲，對于數據傳輸提出了較高要求，必須能將視頻監測攝像機的錄像碼流（4 Mb/s）實時傳輸回監測中心，傳輸延遲不大于300 ms。相關的視頻碼流數據的傳輸采用TCP/IP協議上載至后臺數據庫內，使用的NB-IoT通信技術能最大限度的保證通信鏈路可靠性及通信效率。圖2為視頻流通路的示意圖。

圖2 視頻傳輸通路示意圖

2.2.3 手機APP系統軟件

本系統基于NB-IoT電纜井綜合環境監測系統通過傳感器采集數據，數據通過移動蜂窩網絡傳至云端服務器。RFID傳感器通過2.4G無線自組網技術，以10 min一次的頻率將傳感器采集到的數據傳輸到NB-IoT通信終端上，通信終端4 h一次傳輸數據到專用云端，后臺主站對云端數據進行解析及顯示，有突發數據（告警數據，突變數據）實時上傳。在有報警觸發的情況下，通過語音、短信、手機APP系統軟件的形式實時報警[5]。

3 安裝與調試

本系統在布置時，現場無需主機，實現了天然的隔離，同有線方案相比，有效確保了監控室設備的安全運行和值班人員的人身安全。通過建立的NB-IoT通信終端可以有效地將實時監控的數據匯集到后臺數據庫中，方便后期對大數據進行分析和處理。利用網頁、手機APP等手段可以為相關部門提供了多方位、可視化的便捷服務。例如，自上而下的權限劃分管理：由監控室統一設置各現場數據的訪問權限。各現場操作員可以查看所轄現場的監測數據，但不具有操控權限，由監控室操控派單操控權限。設備將運行時數據通過無線網絡發送到平臺，平臺解析并保存數據，平臺解析數據的同時對數據進行校驗，如果數據達到某個預設的越限值則會觸發告警并通知（可語音、短信、APP）方式到相關人員。

4 結 論

本文基于最新推出的NB-IoT窄帶傳輸通信技術，提出了一套適用于變電站電纜溝綜合環境實時檢測的系統。該系統應用在配網監測管理上，在覆蓋、功耗、成本、鏈接數據等方面都優于已有的技術系統，能最大限度地保證通信鏈路可靠性及通信效率。同時，整個工程不需要布線和網絡調試，所有通信設備做到即裝即用。所有數據均傳輸到云后臺維護，不需現場投資專門的數據監測平臺，并能通過手持終端或手機APP就近或隨時隨地掌握配網實施信息，提高了技術管理能力。