基于低功耗廣域傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電站關(guān)鍵設(shè)備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

楊博 金佳奔 張煦 顧曉峰

摘要：變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其關(guān)鍵設(shè)備的溫度關(guān)系著系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，一般情況下采用人工巡檢測量的方法監(jiān)測溫度，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且有些內(nèi)部設(shè)備不能進(jìn)行測量?，F(xiàn)通過研究低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)在變電站關(guān)鍵設(shè)備溫度監(jiān)測、管理、運(yùn)行、維護(hù)等方面的應(yīng)用，提出了一種基于低功耗廣域傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電站關(guān)鍵設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其目的是實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)高壓進(jìn)線、變壓器、高壓斷路器柜、隔離開關(guān)、電纜搭頭和電容器室等設(shè)備的在線溫度監(jiān)測、報(bào)警等功能。

關(guān)鍵詞：低功耗廣域通信;物聯(lián)網(wǎng);變電站;溫度監(jiān)測;智能化管理

0? ? 引言

物聯(lián)網(wǎng)是涉及多學(xué)科、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，其快速發(fā)展對無線通信技術(shù)提出了更高的要求，專為遠(yuǎn)距離、低功耗、密集終端通信而設(shè)計(jì)的低功耗廣域網(wǎng)也快速興起[1]。本文在變電站高壓斷路器柜等關(guān)鍵設(shè)備溫度監(jiān)測領(lǐng)域，采用低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行溫度監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，充分利用其覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗小等特點(diǎn)，提高電力測溫系統(tǒng)性能，并降低運(yùn)維成本。

本系統(tǒng)采用低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（LoRa）[2]對變電站的高壓進(jìn)線、變壓器、高壓斷路器柜、隔離開關(guān)、電纜搭頭和電容器室等關(guān)鍵設(shè)備的溫度實(shí)現(xiàn)智能化管理，實(shí)現(xiàn)溫度信息的在線監(jiān)測、實(shí)時(shí)顯示、預(yù)警報(bào)警等綜合智能化信息管理，更加智能、無漏警、無虛警地實(shí)現(xiàn)告警信號采集與處理，滿足智能變電站的設(shè)備運(yùn)行管理要求。

目前電力無線測溫通常采用ZigBee通信技術(shù)[3]，其特點(diǎn)是通信距離短、功耗低，通過MESH多跳組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)到通信中繼或通信基站的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee通信技術(shù)采用2.4 GHz工作頻段，會對Wi-Fi信號產(chǎn)生干擾，目前電力系統(tǒng)在推廣專用Wi-Fi通信網(wǎng)絡(luò)，所以采用ZigBee技術(shù)的無線測溫設(shè)備會導(dǎo)致其與其他采用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信的電力設(shè)備產(chǎn)生通信干擾，不僅影響測溫?cái)?shù)據(jù)的正常傳輸，還會影響到其他設(shè)備的正常通信[4]。

本系統(tǒng)首次將長距離、低功耗（LoRa）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能變電溫度監(jiān)測領(lǐng)域進(jìn)行規(guī)模應(yīng)用和實(shí)踐研究，通過研究長距離、低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、傳輸協(xié)議和路由算法，填補(bǔ)長距離、低功耗物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能變電監(jiān)測領(lǐng)域大規(guī)模集成應(yīng)用的空白，驗(yàn)證其網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性和數(shù)據(jù)安全性。

1? ? 低功耗廣域無線測溫系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)由無線溫度傳感器、傳感網(wǎng)絡(luò)通信基站、溫度管理平臺等組成，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測高壓設(shè)備工作溫度。系統(tǒng)測量的設(shè)備溫度數(shù)據(jù)可在溫度管理平臺進(jìn)行綜合比較分析，如當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)、當(dāng)前設(shè)備溫度數(shù)據(jù)與環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、同類設(shè)備相間溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)比較。通過多數(shù)據(jù)的融合分析，可有效提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)中，無線溫度傳感器采用低功耗MCU控制和處理技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)。設(shè)備天線采用特殊定制的平板天線，避免了普通鞭狀天線在高壓環(huán)境下容易尖端放電的缺陷，適宜在高壓環(huán)境下運(yùn)行;傳感網(wǎng)絡(luò)通信基站，負(fù)責(zé)自動接收無線溫度傳感器所發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)，并可通過以太網(wǎng)/3G/4G上傳到監(jiān)測管理中心?；臼盏綔囟裙芾砥脚_的召喚數(shù)據(jù)指令后，可上傳監(jiān)測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)。通信基站采用單跳星型網(wǎng)絡(luò)與溫度傳感器通信，實(shí)現(xiàn)對傳感器的溫度數(shù)據(jù)采集和命令發(fā)布。單基站的傳感器管理容量大（可管理上萬個(gè)無線傳感器）[5-6]，系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)。溫度管理平臺具有在線采集并分析現(xiàn)場溫度的功能，保障了電力設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

2? ? 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

系統(tǒng)中的無線測溫終端與通信基站采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，終端與基站間采用低功耗廣域通信技術(shù)，該技術(shù)以低功耗和長距離通信為特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)終端大容量、廣域無線通信覆蓋。本文主要介紹無線測溫傳感器的低功耗技術(shù)、低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的抗干擾技術(shù)以及系統(tǒng)的無線通信安全技術(shù)。

2.1? ? 低功耗設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、電池小、能量有限，而傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域大，如何設(shè)計(jì)合適的通信機(jī)制并實(shí)現(xiàn)能源高效利用是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)面臨的難題[7]。

首先終端傳感器的功耗需要降低，在硬件和軟件協(xié)同方面系統(tǒng)地研究無線傳感器的低功耗設(shè)計(jì)策略。在硬件方面主要是對低功耗射頻喚醒機(jī)制、動態(tài)功率管理和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)以及射頻器件、微處理器等器件的選擇和電源管理策略等方面進(jìn)行研究，在軟件方面主要是對低功耗傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、節(jié)點(diǎn)級低功耗數(shù)據(jù)融合算法等方面進(jìn)行研究。通過軟硬件低功耗設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)休眠功耗1 μAh，平均功耗低于5 μAh，如果供電電池為500 mAh，則節(jié)點(diǎn)壽命可達(dá)10年以上，即可滿足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用需求。無線測溫傳感器功能框架如圖2所示。

我們針對變電站高壓帶電設(shè)備無線溫度傳感器的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。由于高壓帶電設(shè)備的無線溫度傳感器具有無法隨意更換電池以及電力檢修周期較長等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在長壽命一次性電池供電和環(huán)境獲取能源技術(shù)、超低功耗路由算法、動態(tài)心跳占空比等方面進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)的低功耗傳感節(jié)點(diǎn)滿足電力無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測周期的要求和節(jié)點(diǎn)功耗最低化的要求。

2.1.1? ? 低功耗射頻喚醒機(jī)制研究

傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括傳感器模塊、無線通信模塊和處理器。處理器和傳感器模塊的功耗由于工藝進(jìn)步變得很低，無線通信模塊功耗還是很高的，因此需要重點(diǎn)研究通信模塊的節(jié)能。本設(shè)計(jì)提出了一種低功耗喚醒機(jī)制，通過采用低功耗的射頻喚醒電路，感知其他節(jié)點(diǎn)喚醒請求，從而喚醒通信模塊和MCU來響應(yīng)其他節(jié)點(diǎn)的請求，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗與實(shí)時(shí)性要求。

2.1.2? ? 動態(tài)功率管理和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)研究

系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)包括驅(qū)動能力、穩(wěn)定性、處理速度、線性度等，如果是非關(guān)鍵指標(biāo)，可以根據(jù)傳感器需求，降低技術(shù)指標(biāo)來減少系統(tǒng)功耗。

[3] 張穎超，吳嘉倫，李俊.基于Zigbee電力電纜接頭遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].電測與儀表，2014（16）：103-107.

[4] 吳江一.變電站設(shè)備無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].保定：華北電力大學(xué)，2014.

[5] PETAJAJARVI J，MIKHAYLOV K，ROIVAINEN A，et al.On the coverage of LPWANs：range evaluation and channel attenuation model for LoRa technology[C]// 2015 14th International Conference on ITS Telecommunications （ITST），2015：55-59.

[6] MIKHAYLOV K，PETAEJAEJAERVI J，HAENNINEN T.Analysis of Capacity and Scalability of the LoRa Low Power Wide Area Network Technology[C]// European Wireless 2016， 22th European Wireless Conference，2016：119-124.

[7] COSTA M，F(xiàn)ARRELL T，DOYLE L.On energy efficiency and lifetime in low power wide area network for the Internet of Things[C]//2017 IEEE Conference on Standards for Communications and Networking （CSCN）， 2017：258-263.

[8] 張萬生，萬穩(wěn)戰(zhàn).數(shù)據(jù)融合在廠用變電站智能輔助系統(tǒng)管控平臺中的研究與應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2014（2）：48-52.

[9] 陳治國，袁雪蓮，張文杰.基于Chirp信號跳頻調(diào)制的超寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2007，40（9）：15-17.

[10] 孫嘉.Chirp超寬帶通信的調(diào)制和時(shí)間同步技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2009.

[11] Internet of Things：Privacy and Security in a Conn-ected World[Z].Federal Trade Commission，2015.

[12] LoRaWANTM 1.1 Specification 2[Z].LoRa Alliance，Inc.， 2017.

收稿日期：2020-04-16

作者簡介：楊博（1991—），男，河南新鄭人，碩士，工程師，研究方向：電力物聯(lián)網(wǎng)。

金佳奔（1991—），男，江蘇無錫人，工程師，研究方向：變電設(shè)備智能運(yùn)檢。

張煦（1986—），男，湖南隆回人，碩士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃。