一種微功耗電纜通道智慧物聯(lián)終端的設(shè)計(jì)

孫媛媛，耿芳遠(yuǎn)，薛欣科，徐明磊

1.山東大學(xué)，山東濟(jì)南，250101；2.山東科華電力技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南，250101

0 引言

從20世紀(jì)70年代開始，部分國家已開展電力電纜監(jiān)控系統(tǒng)的試驗(yàn)研發(fā)工作，傳統(tǒng)架空線路逐步被電纜隧道所替代。日本和一些西方國家已在遠(yuǎn)距離、高電壓等技術(shù)開發(fā)上取得一定成績(jī)，還對(duì)中、大型城市電纜隧道的監(jiān)控技術(shù)有深入研究，例如英法的多弗海峽隧道、日本的東京灣隧道等，在增強(qiáng)隧道預(yù)警監(jiān)控效率的同時(shí)，憑借實(shí)時(shí)在線測(cè)量電纜溫度，達(dá)到了測(cè)量電纜實(shí)時(shí)載流能力的目的[1]。

國內(nèi)方面，20世紀(jì)90年代以后逐步進(jìn)入對(duì)電力電纜監(jiān)控系統(tǒng)的探索，與西方發(fā)達(dá)國家相比起步較晚，在一定程度上存在落后性。目前，我國電纜隧道監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展還處于起步階段，未形成系統(tǒng)化的電力隧道網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)城市的電力隧道建設(shè)，只是按照本身的需求和特性去裝備功能不一的觀測(cè)或操控設(shè)備。各類設(shè)備之間缺少聯(lián)系，無法做到高度集成，未實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)的資源共享，電纜隧道監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)還未達(dá)成一致的規(guī)范[2]。

基于此，本文以電纜通道智慧物聯(lián)終端為核心，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議與統(tǒng)一邊緣計(jì)算框架，下行通過無線ZigBee、WIFI構(gòu)成低功耗無線傳感網(wǎng)，匯聚各監(jiān)測(cè)單元數(shù)據(jù)，經(jīng)邊緣計(jì)算APP初步分析后，感知數(shù)據(jù)與分析結(jié)果，通過電力無線VPN專網(wǎng)上送至電纜精益化管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電纜通道的智能化管控。本系統(tǒng)的建設(shè)和落地，會(huì)著力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在電纜中的應(yīng)用，將傳統(tǒng)監(jiān)控與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)電纜通道內(nèi)環(huán)境與安防監(jiān)控系統(tǒng)的一體化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)“全面感知、數(shù)據(jù)融合、智能應(yīng)用”，為大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供有力支撐，為推動(dòng)“兩網(wǎng)”深度融合與數(shù)據(jù)融通、提升自動(dòng)化應(yīng)用及管控水平、全面支撐輸電網(wǎng)精益管理提供堅(jiān)實(shí)的物聯(lián)基礎(chǔ)。下文將對(duì)電纜通道智慧物聯(lián)終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入研究。

1 電纜通道監(jiān)控管理現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

隨著城市化的高速發(fā)展，促使人們對(duì)賴以生存的能源供應(yīng)提出了更高的要求，尤其是電網(wǎng)線路等基礎(chǔ)設(shè)施成為影響電能供應(yīng)的主要因素，電網(wǎng)線路呈現(xiàn)高密度、高電壓、大容量的特點(diǎn)，采用高電壓、大截面的電纜線路可以有效提升電能輸送的容量，滿足城市用電需求。高密度、大負(fù)荷的電纜線路目前都采用隧道方式進(jìn)行敷設(shè)，改善城市環(huán)江的同時(shí)，也有效提升了電纜敷設(shè)的安全性。由此可見，電纜隧道的普及應(yīng)用，是滿足城市高密度、大負(fù)荷供電要求，有效保障電纜通道的輸送容量和提升電纜通道資源利用率的重要舉措。

電纜隧道在某種程度上改善了城市電力輸送的環(huán)境，但是由于隧道內(nèi)長(zhǎng)期處于密閉狀態(tài)，電纜線路的敷設(shè)方式以及隧道內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響電纜線路的運(yùn)行壽命和電力輸送質(zhì)量。為了能夠加強(qiáng)對(duì)電纜線路的管理工作，需要對(duì)電纜線路的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行溫度進(jìn)行在線監(jiān)控，通過隧道內(nèi)的輔助設(shè)置和預(yù)警系統(tǒng)防止電纜事故和火災(zāi)的發(fā)生，確保電網(wǎng)安全、有效地運(yùn)行。我國關(guān)于電纜隧道監(jiān)控管理的研究起步較晚，傳統(tǒng)的電纜隧道檢修方式主要依賴于人工完成，通過進(jìn)入電纜隧道內(nèi)部檢查隧道內(nèi)的環(huán)境以及電纜運(yùn)行的狀態(tài)，包括隧道內(nèi)是否存在積水、防火通風(fēng)設(shè)施是否正常運(yùn)行、電纜線路接頭是否破損、電纜絕緣是否完好、電纜線路是否接地、電纜線路是否按照標(biāo)準(zhǔn)敷設(shè)等。目前，我國智能電網(wǎng)發(fā)展程度的區(qū)域化差別較為明顯，一些城市化發(fā)展較為成熟的地區(qū)，電網(wǎng)用電負(fù)荷不斷提升，對(duì)于電網(wǎng)智能化管理的需求更為迫切。配合城市發(fā)展的特點(diǎn)，各類電氣設(shè)備在電網(wǎng)智能化管理發(fā)展過程中雖然能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)特的管理功能，但是設(shè)備之間缺少有效的聯(lián)系，不能進(jìn)行集成化管理，也無法實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)的資源共享，不利于國家智能電網(wǎng)的建設(shè)。國內(nèi)電纜隧道及監(jiān)控方面處于不斷完善的階段，由于缺乏統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，南北方氣候及環(huán)境存在差異，不同的地理位置導(dǎo)致電纜隧道施工水準(zhǔn)參差不齊，電纜隧道內(nèi)的敷設(shè)情況和監(jiān)控線路也存在較大差異，關(guān)于電纜隧道監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)缺少統(tǒng)一的執(zhí)行規(guī)范。

2 電纜通道智能監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

智能監(jiān)控管理系統(tǒng)采用多源異構(gòu)深度融合技術(shù)、微功耗設(shè)計(jì)與高效電源管理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)等，在全方位信息化管理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、并通過智慧終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜隧道運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)控管理[3]。

2.1 多源異構(gòu)深度融合技術(shù)

多源異構(gòu)深度融合技術(shù)是將電纜通道內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合，利用四級(jí)融合模型分析不同數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)，然后使用優(yōu)化資源和融合方法管理，反饋更加豐富的數(shù)據(jù)信息，多源異構(gòu)深度融合技術(shù)可以將多種數(shù)據(jù)信息在同一界面的展示，提升了電纜通道管理的效率。

2.2 微功耗設(shè)計(jì)與高效電源管理技術(shù)

使用微功耗和高效的電源管理技術(shù)對(duì)電纜通道管理進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。電源損耗大部分來自開關(guān)器件MOSFET、二極管以及磁芯損耗，負(fù)載電阻的消耗是不變的，因此，外接負(fù)載越小，損耗率越高，輕載效率越低；在軟件系統(tǒng)方面，采用中斷驅(qū)動(dòng)的方式，在低功耗的狀態(tài)下完成數(shù)據(jù)處理[4]。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

制定智慧物聯(lián)終端上行MQTT與下行COAP物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，并以此為標(biāo)準(zhǔn)研制相關(guān)的硬件設(shè)備，滿足國網(wǎng)公司構(gòu)建輸電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)管理體系、推動(dòng)感知設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)化的要求，實(shí)現(xiàn)高壓電纜在線監(jiān)測(cè)的不同場(chǎng)景、不同廠家與不同感知設(shè)備的統(tǒng)一接入。

2.4 邊緣計(jì)算技術(shù)

開展邊緣計(jì)算技術(shù)研究，基于國網(wǎng)電力公司統(tǒng)一的邊緣計(jì)算框架，研究面向設(shè)備管理業(yè)務(wù)的邊緣算法APP就地搭載和算法遠(yuǎn)程配置機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)就地計(jì)算、算法遠(yuǎn)程配置與接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)分析、自主預(yù)警與智能處置等高級(jí)應(yīng)用功能，是完成事故性處置向預(yù)測(cè)型分析轉(zhuǎn)變的重要技術(shù)手段。

3 電纜通道智慧物聯(lián)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)以輸電電纜現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，著力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在電纜中的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得智能化技術(shù)不斷成熟，并且逐漸深入到各個(gè)領(lǐng)域，給社會(huì)的發(fā)展提供了諸多便利，尤其是在電網(wǎng)管理方面，智能化的管理技術(shù)不但可以有效提升電網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量，而且還能幫助電力企業(yè)優(yōu)化管理效率[5]。結(jié)合我國的國情，電網(wǎng)智能化管理的發(fā)展水平區(qū)域性差異較大，在能源危機(jī)的影響下，清潔能源、可再生能源的使用頻率逐漸提升，對(duì)電網(wǎng)的綜合性管理提出了更高的要求，如何利用當(dāng)前有限的資源實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)管理是電網(wǎng)工作者面臨的首要問題。

3.1 數(shù)據(jù)分析模型設(shè)計(jì)

基于微功耗理論的電纜通道智慧物聯(lián)終端的設(shè)計(jì)應(yīng)用，主要是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的邊緣側(cè)就近提供計(jì)算和智能服務(wù)，解決了把計(jì)算放在云端而引起的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)擁塞和服務(wù)質(zhì)量下降等問題，也極大緩解了終端的算力壓力，為物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了可能性。搭載邊緣物聯(lián)終端的電網(wǎng)通道管理模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化決策管理，具體分析模型如表1所示。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜通道智慧物聯(lián)終端系統(tǒng)采用云邊協(xié)同的設(shè)計(jì)理念和分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體架構(gòu)包括應(yīng)用層、平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。其中應(yīng)用層包括在線監(jiān)測(cè)管理模塊、生產(chǎn)準(zhǔn)備及驗(yàn)收模塊、狀態(tài)評(píng)價(jià)管理模塊、檢驗(yàn)與試驗(yàn)管理模塊、電纜及通道管理模塊、帶電檢測(cè)管理模塊、缺陷管理模塊、保電管理模塊、故障管理模塊、應(yīng)急管理模塊等；平臺(tái)層包括電力企業(yè)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，即業(yè)務(wù)中控和數(shù)據(jù)中控管理；網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)電力企業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸[6]；感知層包括視頻監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)測(cè)、消防監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。基于云邊協(xié)同的電纜通道智慧終端架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電纜通道智慧終端架構(gòu)圖

3.3 通信架構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜通道智慧終端的通信架構(gòu)設(shè)計(jì)，按照全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化的基本要求，隧道內(nèi)各監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)采用分區(qū)域監(jiān)控、就近接入的方式，通過系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)電纜隧道系統(tǒng)終端的集中監(jiān)控，并通過電力專用通信通道與管理平臺(tái)互聯(lián)互通[7]。主干通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，同時(shí)遵循集中監(jiān)控管理、分層分布式控制的原則。過程層設(shè)備通過硬接線或串口通信的方式，上傳過程層的傳感信息至間隔層設(shè)備，間隔層設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)電力規(guī)約再上送至站控層。物聯(lián)終端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 物聯(lián)終端網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)圖

3.4 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

邊緣物聯(lián)終端采用高速微處理器運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，支持docker容器、4G/8G/16G/32GFlash硬盤擴(kuò)展、智芯加密芯片和中國電科院開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)組件，可安全接入物聯(lián)管理平臺(tái)，搭載國網(wǎng)統(tǒng)一邊緣框架，實(shí)現(xiàn)docker容器及APP遠(yuǎn)程升級(jí)、安裝、卸載、簽名驗(yàn)證等管理，具備多源數(shù)據(jù)融合、邊緣計(jì)算、AI圖像識(shí)別、本地通信及遠(yuǎn)程管理等功能，為高壓電纜及通道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供一套統(tǒng)一技術(shù)框架的邊緣物聯(lián)代理[8]。此外，平臺(tái)具備海量數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜通道內(nèi)安裝的區(qū)域控制單元等采集數(shù)據(jù)的匯集、處理與轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域控制單元的通信故障以及傳感器等設(shè)備故障進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜護(hù)層電流、局放量等；支持對(duì)各設(shè)備的控制，包括通風(fēng)、排水照明、電子井蓋、攝像機(jī)等，并實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)并上報(bào)運(yùn)管平臺(tái)。平臺(tái)能顯示所有隧道內(nèi)區(qū)域控制單元的采集數(shù)據(jù)，且系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)分析、預(yù)警、處理功能，可根據(jù)不同管理人員設(shè)置不同操作權(quán)限及角色規(guī)則。平臺(tái)能記錄測(cè)量數(shù)據(jù)和故障記錄，故障恢復(fù)記錄等相關(guān)參數(shù)，應(yīng)提供曲線圖、柱狀圖等直觀圖表，應(yīng)能對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢、刪除、備份以及打印報(bào)表等操作[9]。

4 結(jié)語

綜上所述，我國在電纜隧道的監(jiān)管上雖然有一定的成績(jī)，但總體上還處在快速發(fā)展期，還未形成系統(tǒng)化的電力隧道網(wǎng)絡(luò)；配置的各種監(jiān)控設(shè)備雖然能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)特的功能，但各類設(shè)備之間缺少聯(lián)系，不能集成化管理，無法實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)的資源共享。本文設(shè)計(jì)的基于云邊協(xié)同的電纜通道智慧物聯(lián)終端及運(yùn)管平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了電纜通道的分布式管理、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、全面感知以及智能化故障預(yù)警，有效提高了電纜運(yùn)行管理的質(zhì)量和效率，保障電纜通道及設(shè)備的安全，提高輸電線路的主動(dòng)防護(hù)水平，為城市輸電搶修維修作業(yè)提供新的技術(shù)手段，增強(qiáng)輸電網(wǎng)的輸電穩(wěn)定性，減少輸電網(wǎng)故障時(shí)間，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行。