基于WSN 與智能感知的電網(wǎng)地下溝管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

宋慶武，蔣峰，李春鵬，蔡兵

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000；2.上海域格信息技術(shù)有限公司，上海 200000）

電網(wǎng)地下溝管是電力基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，但配網(wǎng)地下溝管的數(shù)據(jù)感知與監(jiān)控存在不足，主要表現(xiàn)在溝管通道內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋深度不夠、溝管內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)不完善以及安全管理手段缺乏等幾個(gè)方面[1-3]。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，可感知外部傳感器，在電力行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及傳感器相比，WSN 具有組建方式靈活、控制集中、安全性高等特點(diǎn)[4-5]。國(guó)外的配網(wǎng)溝管組建模式與我國(guó)有所差異，一般多采用WiFi 覆蓋方案或光纖覆蓋，其組網(wǎng)方式也較為明確[6]。而國(guó)內(nèi)通常未采用低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，監(jiān)控方式還是以人工巡檢為主，監(jiān)測(cè)裝置一般基于GPRS 信號(hào)傳輸，但該方法容易被屏蔽，且無(wú)法與其他設(shè)備互聯(lián)[7-8]。在20 世紀(jì)90 年代，由美國(guó)高校為主導(dǎo)的無(wú)線集成網(wǎng)絡(luò)傳感器項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了通信協(xié)議的基礎(chǔ)檢測(cè)理論，研發(fā)了低功耗的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[9]。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)逐漸應(yīng)用于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，為電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制奠定了基礎(chǔ)[10-11]。

該文基于系統(tǒng)工程理論，對(duì)電網(wǎng)地下溝管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的WSN 進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)、傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了多維環(huán)境監(jiān)測(cè)。該文針對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析及處理，通過(guò)結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多維數(shù)據(jù)融合，并對(duì)所述方法進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。

1 WSN整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于系統(tǒng)工程理論并結(jié)合功能需求展開(kāi)WSN系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)地下溝管環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)現(xiàn)周圍安全隱患、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與智能分析等業(yè)務(wù)[12-14]。通用型配網(wǎng)電纜管道包含電纜隧道、電纜溝管等管道類型，溝管內(nèi)存在無(wú)法取電以及無(wú)法接入光纖等限制，因此需要采用先進(jìn)的低功耗無(wú)線技術(shù)來(lái)組建內(nèi)部局域網(wǎng)，滿足電纜管道全面監(jiān)控[15-16]。網(wǎng)關(guān)型地下溝管監(jiān)測(cè)裝置能夠接入內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)，同時(shí)將內(nèi)部邊側(cè)設(shè)備所有數(shù)據(jù)經(jīng)邊緣計(jì)算后，通過(guò)NB-IoT、低功耗廣域網(wǎng)無(wú)線技術(shù)上報(bào)給主站。由于溝管內(nèi)環(huán)境多樣且復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)的WSN 系統(tǒng)構(gòu)架如圖1 所示。該系統(tǒng)主要由基站、主站、傳感器、運(yùn)維人員組成，設(shè)備與人員之間形成了上行、下行的業(yè)務(wù)流向，終端傳感器設(shè)置簡(jiǎn)單，地下溝管監(jiān)測(cè)裝置為該系統(tǒng)的核心。

圖1 WSN系統(tǒng)構(gòu)架

1.2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器系統(tǒng)包括：溫度傳感器、煙霧傳感器、超聲波測(cè)距模塊、溢滿傳感器、有害氣體檢測(cè)模塊。

溫度傳感器通過(guò)I/O 口與MCU 關(guān)聯(lián)，當(dāng)裝置內(nèi)部以及周邊溫度達(dá)到指定數(shù)值后，觸發(fā)系統(tǒng)中斷，同時(shí)產(chǎn)生告警。

煙霧傳感器通過(guò)I/O 口與MCU 關(guān)聯(lián)，其采用紅外漫反射原理和光敏傳感器組合，對(duì)煙霧濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)達(dá)到一定濃度后產(chǎn)生告警。

超聲波測(cè)距模塊，該模塊通過(guò)串口和MCU 關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)使用超聲測(cè)距進(jìn)行水位測(cè)試。當(dāng)發(fā)現(xiàn)水位上升至預(yù)警或告警閾值時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生告警。

溢滿傳感器通過(guò)I/O 口與MCU 進(jìn)行關(guān)聯(lián)，新型井蓋監(jiān)測(cè)裝置表面內(nèi)置不銹鋼正負(fù)接頭。當(dāng)水位漫淹至正負(fù)接頭位置時(shí)，就會(huì)形成電流導(dǎo)通，從而觸發(fā)中斷。

有害氣體監(jiān)測(cè)模塊在設(shè)計(jì)上與煙霧傳感器模塊共用一個(gè)槽位。當(dāng)需要檢測(cè)氣體時(shí)，則關(guān)閉相應(yīng)的煙霧探測(cè)頭，有害氣體檢測(cè)模塊通過(guò)I/O 口與MCU關(guān)聯(lián)，其可以檢測(cè)氧氣、一氧化碳、甲烷、二氧化硫等氣體，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)定濃度時(shí)即觸發(fā)告警。

1.3 無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)

管道內(nèi)的無(wú)線局域網(wǎng)采用Lora、BLE、ZigBee 無(wú)線技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)或自組網(wǎng)，構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)型井蓋監(jiān)測(cè)裝置能夠接入內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)，同時(shí)將內(nèi)部邊側(cè)設(shè)備所有數(shù)據(jù)經(jīng)邊緣計(jì)算后，通過(guò)低功耗廣域網(wǎng)無(wú)線技術(shù)上報(bào)給主站。管道內(nèi)環(huán)境多樣且復(fù)雜，該文研究了使用全向、定向、雙極化等高增益智能天線方案時(shí)，在不增加功耗的情況下，盡可能地拓展管道內(nèi)無(wú)線覆蓋范圍，增強(qiáng)無(wú)線信號(hào)，具體的低功耗無(wú)線傳輸方案設(shè)計(jì)，如圖2 所示。

圖2 低功耗無(wú)線傳輸方案

圖3 為低功耗網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)架構(gòu)，低功耗CPU 選取STM32L 系列微控制器為主控單元。其加入了多種創(chuàng)新擴(kuò)展功能，能夠使不同配置下的最低功耗電流減小至195 μA。同時(shí)保留大部分現(xiàn)有外設(shè)，并保持準(zhǔn)引腳兼容。

圖3 低功耗網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)架構(gòu)

低功耗傳感器外圍器件以及軟件，采用中斷喚醒CPU 方式保持系統(tǒng)整體的低功耗狀態(tài)。電源管理系統(tǒng)中電源采用鋰亞硫酰氯電池，其具有良好的抗高、低溫性能，庫(kù)侖計(jì)持續(xù)監(jiān)控耗能情況，保證系統(tǒng)能夠及時(shí)進(jìn)行設(shè)備電量運(yùn)維。無(wú)線傳輸方案中廣域網(wǎng)采用NB-IoT 無(wú)線傳輸方案，其中NB-IoT 工作在PSM 模式下，功耗電流低至3.6 μA。局域網(wǎng)采用BLE無(wú)線傳輸方案，發(fā)送功耗電流為4～7 mA，接收功耗電流為4～6 mA。

1.4 多維環(huán)境監(jiān)測(cè)

溝管一體化設(shè)備集成Lora、ZigBee、BLE 之一的無(wú)線通信單元，其能夠接入配網(wǎng)電纜井道內(nèi)低功耗局域網(wǎng)，將內(nèi)部局域網(wǎng)中其他監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)匯總至網(wǎng)關(guān)型井蓋監(jiān)測(cè)裝置。此處充分利用了邊緣計(jì)算方法，在該裝置內(nèi)完成數(shù)據(jù)計(jì)算與處理，從而保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼w數(shù)據(jù)帶寬與功耗。裝置集成了NB-IoT無(wú)線通信單元，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡?。網(wǎng)關(guān)式的電網(wǎng)地下溝管多維環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 電網(wǎng)地下溝管多維環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合

由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)流向單一，越是靠近地下溝管的節(jié)點(diǎn)能量消耗越嚴(yán)重，且CPU 承擔(dān)的任務(wù)量越重。處于同一子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，由于其地理位置的原因，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)有較高的重疊性，因此需要考慮數(shù)據(jù)融合所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量，以減少能量和通信壓力。在WSN 理論中，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)融合通常匯聚于一點(diǎn)，并按照現(xiàn)實(shí)情況發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。待數(shù)據(jù)傳輸之后，可緩解通信壓力，增加網(wǎng)絡(luò)的使用次數(shù)。

監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸通常分兩種情形：一種是每隔半個(gè)小時(shí)進(jìn)行采樣，向中心節(jié)點(diǎn)匯聚；另一種是通過(guò)網(wǎng)關(guān)接收命令，查詢溫度信息并傳輸數(shù)據(jù)信息。對(duì)于第二種情形，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，直接匯聚節(jié)點(diǎn)并傳送到基站。該文采用簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)融合算法，即通過(guò)多個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算，同時(shí)保存數(shù)據(jù)值并傳輸?shù)交尽?/p>

2.2 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)挖掘

電網(wǎng)地下溝管的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和環(huán)境影響變量繁多，若全面考慮所有變量，則整個(gè)系統(tǒng)將非常復(fù)雜且參數(shù)記錄不全面。因此需要挑選具有代表性的數(shù)據(jù)參數(shù)作為輸入量，通過(guò)關(guān)聯(lián)分析，分析出檢測(cè)數(shù)據(jù)與各個(gè)指標(biāo)參數(shù)之間的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)綜合的在線監(jiān)測(cè)。Bi-LSTM 模型可用于分析處理上述數(shù)據(jù)，并將結(jié)構(gòu)化信息組成數(shù)據(jù)序列，用于信息挖掘。

2.3 多維數(shù)據(jù)融合

對(duì)于監(jiān)測(cè)到的文本序列數(shù)據(jù)，Softmax 層的輸出即為屬于L1-L3數(shù)據(jù)等級(jí)的概率函數(shù)p1(L1)、p2(L2)、p3(L3)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行記錄并輸出；對(duì)于監(jiān)測(cè)到的定量數(shù)據(jù)序列，Softmax 層的輸出為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，p1和p2函數(shù)兩者的概率加權(quán)即可得到總的p(L1)、p(L2)、p(L3)，表達(dá)式如下：

圖5 是多維數(shù)據(jù)融合的流程圖，左側(cè)為文本數(shù)據(jù)挖掘框架，右側(cè)為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分析框架。通過(guò)融合兩類數(shù)據(jù)，可以全面分析電網(wǎng)地下溝管狀況。

圖5 多維數(shù)據(jù)融合流程

3 驗(yàn)證與測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置

因?qū)嶒?yàn)條件和環(huán)境限制，在室內(nèi)搭建監(jiān)測(cè)環(huán)境條件對(duì)該文所述技術(shù)進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。整個(gè)系統(tǒng)包括傳感器部分、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、微型電網(wǎng)地下溝管、監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)處理中臺(tái)，以上述實(shí)驗(yàn)條件為基礎(chǔ)，搭建硬件環(huán)境。在測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程中，選取STM32 系列STM32L152RE 為主控單元，采用ZigBee 模塊和CC2520 組成網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。傳感器在采集溫度信息時(shí)，通過(guò)單片機(jī)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓，傳輸至網(wǎng)關(guān)；在發(fā)送/接收命令時(shí)，首先判斷命令。然后，根據(jù)信息內(nèi)容回傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。使用通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，將PC 機(jī)與USB 連接，實(shí)現(xiàn)傳感器與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的正常通信。在軟件配置方面，選擇ZigBee 協(xié)議棧進(jìn)行各個(gè)節(jié)點(diǎn)的軟件配置，采用EW 作為集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

3.2 測(cè)試結(jié)果

針對(duì)電網(wǎng)地下溝管的實(shí)時(shí)環(huán)境狀況，對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行功能測(cè)試，主要包括實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)濕度監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè)等。智能終端匯集各個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能感知，當(dāng)被監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)指標(biāo)超出預(yù)定范圍時(shí)，智能感知系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警提醒，運(yùn)維工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理。表1 所示為應(yīng)用WSN 技術(shù)監(jiān)測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

從表1 可以看出，設(shè)置了三組實(shí)驗(yàn)分別監(jiān)測(cè)電網(wǎng)地下溝管的溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度，將WSN 監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照分析。其中溫度與濕度的監(jiān)測(cè)誤差均在1%以內(nèi)，可燃?xì)怏w濃度的監(jiān)測(cè)誤差均在設(shè)計(jì)要求范圍以內(nèi)，因此具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，可為管理人員根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程交互。

表1 電網(wǎng)地下溝管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照

為了進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)的硬件參數(shù)，對(duì)終端傳感設(shè)備的運(yùn)行指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行記錄，如表2 所示。從表中可以看出，三個(gè)溝管的設(shè)備工作壽命相差較小，但通信時(shí)間的增大對(duì)每日功耗與工作壽命均會(huì)產(chǎn)生影響。

表2 終端傳感設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

該文方法實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)地下溝管內(nèi)的多維環(huán)境監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能感知與分析處理。結(jié)合實(shí)際的功能需求設(shè)計(jì)了WSN 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溝管環(huán)境監(jiān)測(cè)；基于結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多維環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)的融合與分析處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所述方法可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溝管內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，測(cè)量誤差在可控范圍之內(nèi)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。下一步將研究WSN 的低功耗無(wú)線傳輸技術(shù)，以降低監(jiān)測(cè)過(guò)程的成本。