基于IoT-G 230 MHz電力無線專網及超窄帶無線通信技術的電力管廊智能監控系統設計

曾 瑤，肖若舟，伍 穎

（國網湖南省電力有限公司 婁底供電分公司，湖南 婁底 417000 ）

0 引 言

隨著城市化進程的大力推進，城市配電網與輸電網絡的建設不斷加快，其中高壓電纜采用地下敷設方式所占比例逐漸增加[1,2]。地下電力管道運維的主要難點包括缺乏有效的監測手段（溫度、煙霧等）、實時監測覆蓋范圍有限以及存在監測盲區等[3-5]。為了提升電力配網管廊的運維工作質量和效率，有必要對配網管廊的傳統監測系統進行監測與研判能力的進一步升級。

面向配網管廊的監控系統逐漸向數字化、精益化以及智能化的方向發展，通信處理能力不足是制約配網管廊監控系統安全管理水平提升的關鍵瓶頸之一[6,7]。本文針對地下電力管廊的結構與配置特點，結合現階段配網生產實際需要，基于超窄帶（Utral Narrow Band，UNB）無線通信技術和IoT-G 230 MHz電力無線專網通信技術設計了一套智能管廊及低壓線纜智能監測系統。管廊內部監控數據主要包括溫度、煙霧、有害氣體、液體溢滿以及水位等，同時也可實現對配電房和環網柜中電纜局放、接地環流、線纜測溫及基礎環境的實時監測。

1 電力管廊智能監控系統設計

1.1 通信關鍵技術選取

本文設計的管廊監測系統所采取的無線通信技術為新型超窄帶無線通信技術，融合了擴頻、前向糾錯編碼以及數字信號處理等多項新型技術，主要優勢體現在：（1）采用擴頻通信，可利用高擴頻因子擴大鏈路預算，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，待機電流僅為0.2 μA；（3）UNB的測距及定位不采用接收信號強度，而基于信號在空中傳輸時間來定位準確度高；（4）終端節點成本低，其產業鏈發展更加迅速，商業化推廣較快。

1.2 系統架構設計

本電纜管廊監控系統設計綜合考慮管廊的建筑結構特點，并針對多單位管理維護的特性，采用統一的規劃設計，總體上分為4個層次設計，分別為感知層、網絡層、平臺層以及應用層，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，負責采集電纜溝道溫度、濕度、液位以及有害氣體等各類數據。網絡層是指UNB無線基站至平臺層遠程通信部分，該部分采用IoT-G 230 MHz電力無線專網，數據經過UNB智能網關消息隊列遙測傳 輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議轉230 MHz空口傳至就近無線專網基站，通過電力同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）傳輸網絡進入電力無線專網核心網，通過光傳送網（Optical Transport Network，OTN）+分組傳送網（Packet Transport Network，PTN）專線通道后進入省公司云平臺層。平臺層包含省統一物聯管理平臺、數據中臺、業務中臺，物聯平臺通過訂閱、發布的方式與UNB智能網關進行數據交互和控制，低壓智能管廊監測系統的數據庫、前置應用分別部署在數據中臺機業務中臺，系統通過約束應用協議（Constrained Application Protoco，CoAP）與物聯管理平臺進行數據交換。平臺層實現系統的數據顯示、統計分析、事故告警、故障預警、終端管理、UNB智能網關管理與控制、電力管廊狀態信息的監控與告警等。

圖1 地下電力管廊職能監控管理系統模型

1.3 系統硬件設計

該系統的硬件設計包括智能傳感器、智能管廊終端（UNB終端）以及UNB智能基站。對于UNB終端節點，優先考慮低功耗需求特點，本系統選取技象科技的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，滿足UNB終端節點超低功耗的要求。對于UNB基站而言，相較于能耗要求，邊緣計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，最大發射功率為20 dBm。此外，為實現設備的遠程通信，對其進行了二次開發，設計了用于IoT-G 230 MHz電力無線專網直流取電的接口、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 系統軟件設計

1.4.1 UNB智能基站軟件設計

UNB基站是本系統UNB網絡的核心設備，其通過230 MHz電力無線專網的方式與主站云平臺通信，同時又通過UNB無線網絡與終端節點通信。主要工作原理為基站在接收到臺站云平臺下發的指令時，由于不能確定相應的終端節點是否處于休眠狀態，因此基站先把命令以短地址為索引的方式放到緩存隊列中，而不是直接下發命令。基站在接收到終端節點信號包時，若為數據包，則將數據打包上傳到臺站云平臺，同時查詢命令緩存隊列。如果隊列中有下發到該節點的命令，則將該命令加到確認字符（Acknowledgement，ACK）包相應字段中，回復的ACK包還需要添加基準時間，終端節點通過這個基準時間來校準休眠時間，以達到時間同步。若為入網信號JOIN包，則提取該幀中的設備號，連同分配的短地址一起存放到E2PROM中，并給節點發送一個ACCEPT包。

1.4.2 應用平臺設計

本項目監測應用主要收集傳感器數據，傳感器間隔一定時間采集一次數據，數據通過超窄帶無線通信UNB上報至網關，網關收集設備數據后上報到物管平臺。數據展示分析平臺從物管平臺獲取傳感器數據進行展示與分析，其中獲取的傳感器數據會分類存儲并歸屬到綁定的監測點或配電房下，用來展示監測點或配電房的監測數據，同時可以在監測點詳情和配電房詳情中看到綁定傳感器當前值和歷史記錄趨勢。對于原始上報數據，系統會存儲日志記錄，分表分庫存儲數據，并每小時、每天按傳感器歸檔數據。其各部分功能設計如下：（1）統計當前系統綁定傳感器的狀態，包含離線、在線和故障，用于實時監測傳感器的狀態；（2）根據線纜智能傳感器上報的線纜電流數據，在依據設置的線纜載流量計算出負載數據，借以判斷線纜運行情況[9]；（3）根據溫濕度傳感器上報的溫濕度統計分析，實時展示當前系統綁定的傳感器環境溫濕度分布范圍；（4）根據電纜智能傳感器和煙感傳感器上報的數據分析結果，實時展示當前系統監測點的氣體數據；（5）根據用戶自行設置的告警規則，對各傳感器上報數據進行告警匹配；（6）展示項目設置的監測點和配電房在地圖中的位置以及當前含有告警的狀態，可直觀觀察到整體監測點和配電房的運行情況。監測點的詳細信息主要包含環境溫濕度、氧氣、硫化氫、一氧化碳、烷類以及臭氧等氣體含量。

1.4.3 通信協議設計

本系統云平臺與UNB基站之間采用MQTT通信協議，數據封包為標準的對象表示法（JavaScript Object Notation，JSON）格式。UNB基站收到基站云平臺下發的數據包時，先將JSON數據包進行解包，提取其中的短地址、指令等，然后再封包成自定義的UNB通信協議數據包，經過UNB網絡傳輸到對應的終端節點[10]。基站收到終端節點上傳的數據包，將其按照自定義的協議解包，提取其中的數據，再封包成JSON格式包，接著上傳到基站云平臺進行處理。UNB基站與UNB終端節點之間采用自定義通信協議的方式進行通信。

2 系統實施

該區域的基站及終端安裝部署實施圖如圖2所示。根據區域地形和建筑結構特性，共安裝UNB智能基站兩個，智能傳感器和UNB終端的具體安裝位置為整個線纜溝道末端。選取位于自有物業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，安裝高度均大于15 m。

圖2 基站及終端安裝部署

本系統共在吉星路電纜溝建設兩個UNB智能基站、72個線纜溫度傳感器、12個線纜監測終端、9個煙霧傳感器以及3個液位傳感器。經過半年的測試，實踐證明該項系統運行穩定，采集數據準確及時，較好地實現了設計需求。該系統能實時采集電纜溝及配電房各類傳感器的數據，實現數據的可視化、圖形化展示，并通過分析進行故障預警等。

3 結 論

面向地下電力系統配電管廊總的綜合監測需求，開展地下電力管廊的智能監控系統設計和工程實踐應用。本文對智能監控系統架構、軟件、硬件進行了詳細設計，通過UNB、IoT-G 230 MHz無線專網的選取應用，實現了電力系統配電網地下溝管內的綜合監測，系統的數據傳送網絡可以滿足業務需求。通過各類新型傳感器降低系統中各設備的運行功耗，提高了設備的運行壽命，降低了部署成本，實現了配電網電力溝道與配電房的智能化全景監測，為配網線路的經驗運維提供了有效支撐。