談生磊 侯天錄 姜永宏 張首旺 楊霄 國網(wǎng)青海省電力公司海東供電公司 馬璽堯 青海大學水利電力學院
在我國,電纜入地已成為電力建設的一種趨勢。電纜入地對于完善城市電網(wǎng)功能,使電網(wǎng)布局更合理、層次更清晰,全面提升供電可靠性,對美化市容市貌,推動當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展發(fā)揮促進作用。
隨著電纜轉(zhuǎn)入地下隱藏,針對于地下電纜附近的土方開挖施工,就成了導致電纜損傷、影響安全運行的危險因素。因外部施工開挖造成的電纜破壞時有發(fā)生,影響供電安全運行,影響生產(chǎn),造成國民經(jīng)濟巨大的損失。
如何保障地埋電纜不被外力挖掘破壞,是一項重要的課題。最直觀的方案是埋設標示樁進行提示但因現(xiàn)場情況復雜,效果不佳。
另外還有采用OTDR系統(tǒng)的分布式光纖傳感器來監(jiān)測電纜路徑上是否存在外力破壞。這種方案,要求沿電纜路徑全程埋設傳感光纖。同時要配備OTDR分析系統(tǒng),來實時監(jiān)測分析是否存在異常。
這種方案,投資大,設備昂貴,施工費用高昂,無法大量推廣應用。而且,分布式光纖傳感器監(jiān)測系統(tǒng),其對異常點的定位參數(shù)為距離監(jiān)測裝置的距離數(shù)據(jù),管理人員無法通過異常點距離數(shù)據(jù)迅速找到異常點位置,無法對異常做出快速反應。
當前對于現(xiàn)有地埋電纜的防外力開挖破壞監(jiān)測的應用,其難點在于傳感器形式和采用了線纜方式的數(shù)據(jù)傳輸,導致施工工程量巨大,投資大。
分析地埋電纜的防外力開挖破壞監(jiān)測的數(shù)據(jù)特征,其在監(jiān)測過程中,如無異常,可以不需要發(fā)送或者接收數(shù)據(jù),只需要在出現(xiàn)異常時需要向管理方發(fā)送數(shù)據(jù)。以此特征為思路重新設計監(jiān)測系統(tǒng),尋找不需要大量布線的監(jiān)測系統(tǒng)形式。
在本設計中,計劃采用無線方式傳輸數(shù)據(jù),可以避開敷設大量數(shù)據(jù)線纜的弊端。因傳感器需要布設在地域廣闊的室外電纜路徑上方,無法取得外部電源供電,因此必須采用高能長效電池供電。在此情況下,常規(guī)的無線傳輸方式如GPRS、4G等,因其耗電量大,一組電池工作只能堅持幾個小時,均無法保證長期工作,這個是遠遠不夠的。我們需要的設計是要長期工作,時間范圍在數(shù)年的續(xù)航時間。其他方式如藍牙、LORA無法實現(xiàn)遠距離傳輸,其耗電也無法支持數(shù)年的工作,因此,必須尋找更加低耗的無線數(shù)據(jù)傳輸方式。
在數(shù)據(jù)無線傳輸方式的選擇過程中,我們需要根據(jù)本設計需求選擇:
1.數(shù)據(jù)傳輸量要求不是很大,速率可以低一點。
2.要求數(shù)據(jù)傳輸范圍廣,本設計和實際應用,其地下電纜廣泛分布于室外、野外等廣闊的地域范圍,不是在某個單位,某個廠區(qū)的狀態(tài),因此,其數(shù)據(jù)傳輸范圍,要求傳輸范圍要廣,要求不能受距離限制。
3.功耗低,要求傳輸方式的能耗越小越好。
4.技術(shù)成熟,便于應用和實現(xiàn)。
綜上所述,篩選當前的無線傳輸技術(shù),排除掉藍牙、LORA、ZIGBEE等,這些方式基本上是視距傳輸;排除掉4G、5G,這些方式耗電大,而且無法保證信號的覆蓋范圍;GPRS也排除了。剩下一種就是NB-IOT方式,這種方式是物聯(lián)網(wǎng)的一個新興技術(shù),支持低功耗設備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接,也被叫做低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)。NB-IOT支持待機時間長、對網(wǎng)絡連接要求較高設備的高效連接。我國的NB-IOT基站部署也較為完善,大部分地區(qū)都有信號覆蓋,能夠提供NB-IOT技術(shù)在本設計中應用的技術(shù)支持。
而且NB-IOT技術(shù)較為成熟,生產(chǎn)生活中已經(jīng)滲透了很多這了應用,如:共享單車、智能家居設備、智能市政設施、定位產(chǎn)品等,符合本設計對無線傳輸技術(shù)的基本要求。
相對于傳統(tǒng)的藍牙、Wi-Fi等技術(shù),NB-IOT技術(shù)具有覆蓋廣、大(海量)連接、功耗更小等優(yōu)勢。
1.NB-IOT在本項目設計中的優(yōu)勢
1)接入數(shù)量大:在同一基站的情況下,NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。本設計需要大量獨立傳感器搭載獨立傳輸數(shù)據(jù)的無線連接,NB-IOT這種大接入量特性正是本項目需要的特性。
2)信號覆蓋能力強:NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強,比LTE提升20dB增益,相當于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力,對于地下設備的信號覆蓋有較大的提升。以井蓋監(jiān)測為例,過去GPRS的方式需要伸出一根天線,車輛來往極易損壞,而NB-IoT只要部署得當,就可以很好地解決這一難題。本設計中的監(jiān)測傳感器,需要埋設于電纜路徑的地面內(nèi),對信號覆蓋能力要求較高,因此需要選擇信號覆蓋能力強的NB-IOT方式。
3)低功耗:低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應用一項重要指標,特別對于一些不能經(jīng)常更換電池的設備和場合,如安置于高山荒野偏遠地區(qū)中的各類傳感監(jiān)測設備,它們不可能像智能手機一天一充電,長達幾年的電池使用壽命是最本質(zhì)的需求。NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應用,因此NB-IoT設備功耗可以做到非常小,設備續(xù)航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年;此種特性,正是本設計需要的低功耗性能。
綜上所述幾種特性,是本設計中選擇使用NB-IOT傳輸方式的依據(jù)。
2.模塊選擇
在本系統(tǒng)的監(jiān)測裝置設計中,除了電池之外,影響裝置體積尺寸的就是數(shù)據(jù)傳輸模塊了。本設計中選擇使用了BC260Y模塊。此款模塊是一款高性能、低功耗且多頻段的LTECatNB2無線通信模塊。其尺寸僅為17.7mm×15.8mm×2.0mm,能最大限度地滿足終端設備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求,同時模塊在封裝設計上兼容移遠通信GSM/GPRS系列M26模塊以及NBIoT系列BC26/BC25/BC28模塊,方便在測試過程中靈活地進行替換、升級等操作。
BC260Y提供豐富的外部接口和協(xié)議棧,同時可支持中國移動OneNET平臺、中國移動Andlink平臺、中國電信AEP平臺和中國電信IoT平臺等物聯(lián)網(wǎng)云平臺,為應用設計提供極大的便利。
BC260Y模塊采用易于焊接的LCC封裝,可通過標準SMT設備實現(xiàn)模塊的快速生產(chǎn),滿足復雜環(huán)境下的應用需求。
憑借緊湊的尺寸、超低功耗和超寬工作溫度范圍,BC260Y廣泛應用于煙感、無線抄表、智慧物流、智能停車等諸多應用中,其應用案例多,性能已被廣泛驗證,因此本設計擬采用此型號模塊。
3.低功耗的實現(xiàn)
在本設計中,監(jiān)測傳感器會被安裝于室外,采用電池供電,鑒于需要長時間續(xù)航監(jiān)測,進行低功耗設計是十分必要的。而本設計擬選擇的BC260Y,通過研究其技術(shù)文檔有多種低功耗方案可供選擇。
在通訊模塊中,模組的Modem擔負著連接網(wǎng)絡,傳輸數(shù)據(jù)的重任,是耗電最大的組件,也是整個傳感器耗電最大的部分。因此,設計不同情景下Modem的不同工作方式,是降低功耗的一個重要途徑。
1.DRX模式
DRX:Discontinuous Reception(不連續(xù)接收),為模塊Modem的工作模式。
為了節(jié)省功耗,模塊于每個DRX周期監(jiān)聽一次尋呼信道,以檢查是否有下行業(yè)務到達。
DRX模式下,模塊在每個DRX周期監(jiān)聽一次尋呼信道,功耗相對eDRX和PSM來說較高,在實時性要求較高的場景下,建議使用DRX方案。
2.eDRX模式
eDRX:extended DRX(擴展不連續(xù)接收),為模塊Modem的工作模式。
eDRX是3GPPRel.13引入的技術(shù),eDRX比DRX擁有更長的尋呼周期,使得終端能夠更好地節(jié)省功耗,但是也會導致更長的下行數(shù)據(jù)延時。模塊只能在PTW(Paging Time Window,尋呼時間窗口)內(nèi)按DRX周期監(jiān)聽尋呼信道,以便接收下行業(yè)務;PTW外的時間處于睡眠態(tài),不監(jiān)聽尋呼信道、不能接收下行業(yè)務。
eDRX就是模塊不斷地打開、關(guān)閉接收機。打開接收機時能夠接收數(shù)據(jù),關(guān)閉接收機時則無法接收數(shù)據(jù);eDRX周期即由關(guān)閉接收機和打開接收機這兩個完整的時段組成,以BC26模組為例,支持配置的時長為20.48s~2.92h,eDRX功耗較DRX低。
eDRX在兼顧低功耗的同時,可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的快速響應;比如可通過配置使模塊實現(xiàn)休眠若干分鐘,再喚醒工作,再休眠若干分鐘。因此eDRX適用于無須頻繁發(fā)送數(shù)據(jù)、但需要實現(xiàn)快速響應的應用場景。模塊還可通過設置不同的eDRX參數(shù)實現(xiàn)不同場景下的應用需求。
3.PSM模式
PSM:Power Saving Mode(省電模式),為模塊Modem的工作模式。
模塊Modem的PSM是3GPP Rel.12引入的技術(shù);其原理是允許模塊在空閑態(tài)一段時間(T3324)后,關(guān)閉信號的收發(fā)和AS(接入層)相關(guān)功能,從而減少天線、射頻、信令處理等的功耗消耗。模塊在PSM期間,不接收任何網(wǎng)絡尋呼,包括搜尋小區(qū)消息、小區(qū)重選等,對于網(wǎng)絡側(cè)來說,模塊此時是不可達的,不再接收下行數(shù)據(jù)。
在PSM模式下,終端不再監(jiān)聽尋呼,但終端還是注冊在網(wǎng)絡中;因此,要發(fā)送數(shù)據(jù)時不需要重新連接或建立PDN連接。在模塊Modem進入PSM模式后,仍然可以主動發(fā)送上行數(shù)據(jù)到平臺。
與eDRX相比,PSM打開、關(guān)閉接收機的頻率更低,可低至幾天打開一次接收機。PSM周期內(nèi),模塊僅在接收機打開的時間內(nèi)能夠接收到數(shù)據(jù),接收機關(guān)閉的時間內(nèi)將無法接收下行數(shù)據(jù)。PSM模式下,功耗只有微安級,終端在此工作模式下才可能實現(xiàn)極低的功耗,如“一節(jié)電池用數(shù)年”。
基于以上幾種模塊的功耗控制方案,在本設計中,采用多種功耗控制方案聯(lián)合應用的方案:
1)在傳感器監(jiān)測到異常的期間,設置模塊工作在Active狀態(tài),連接服務器發(fā)送告警數(shù)據(jù),等待下行指令。
2)如果在幾分鐘之后依然沒有下行指令響應,那么模塊Modem將被調(diào)整成Idle狀態(tài),模塊將工作在DRX或者eDRX狀態(tài),以便節(jié)省電能,同時保持對下行數(shù)據(jù)的響應。
3)在傳感器的正常待機監(jiān)測期間,模塊工作在PSM模式,此時傳感器未檢測到異常信息,不需要實時發(fā)送異常數(shù)據(jù),只需要定期向服務器報告一下自身狀態(tài)。因此功耗被最大限度地降低,實現(xiàn)電池供電長時間的續(xù)航。
本設計中地埋電纜的防外力開挖破壞監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案,其系統(tǒng)組成原理示意圖如下:
監(jiān)測傳感器通過NB-IOT網(wǎng)絡,將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務器,在管理終端接收數(shù)據(jù)和異常告警信息。
其中,傳感器是本次設計的重點內(nèi)容,其采用微功耗設計,高能電池供電,采用全密封外殼,沿電纜路徑裝設于電纜上方的地面內(nèi)。
傳感器內(nèi)部設計了檢測傳感器組件和信號處理組件,采用微功耗器件,配合NB-IOT實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,將異常信息通過公共物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡發(fā)送到服務器,傳送到管理者的接收系統(tǒng),實現(xiàn)異常信息的及時接收。其每個傳感器,都在服務器中注冊時,注冊自身的電子地圖信息,因此可以實現(xiàn)管理者迅速定位到異常位置附近。
此種設計方案,解決了常規(guī)標示樁無法主動監(jiān)測的弊端,解決了光纖傳感器需要開挖敷設工程量巨大的弊端,解決了光纖傳感器需要專業(yè)分析系統(tǒng)的高投資弊端,更解決了管理者無法快速定位異常點地理位置的弊端,實現(xiàn)了對異常信息的快速反應。
以上設計經(jīng)過實際測試,能夠?qū)崿F(xiàn)預定目標。因此,使用NB-IOT網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)應用于地埋電纜防外力破壞監(jiān)控系統(tǒng),代替有線數(shù)據(jù)傳輸作為數(shù)據(jù)傳輸方式,是完全可行的。