陶 莉 劉景祥 朱小光

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基于LPWAN的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陶 莉1劉景祥2朱小光3

（1. 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，南京 210000； 2. 鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224005； 3. 中興通訊南京研發(fā)中心，南京 210012）

針對(duì)電網(wǎng)運(yùn)維管理向少人或無(wú)人值守模式發(fā)展的趨勢(shì)，本文提出利用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備物聯(lián)監(jiān)控網(wǎng)的架構(gòu)方案，突破單純的傳感監(jiān)控，結(jié)合前端圖像分類識(shí)別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集，填補(bǔ)了數(shù)據(jù)監(jiān)控的一塊盲區(qū)。該方案將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化處理落實(shí)到生產(chǎn)應(yīng)用中，依托LPWAN實(shí)現(xiàn)低能耗的遠(yuǎn)程物聯(lián)監(jiān)控，在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控及保障電力生產(chǎn)安全的同時(shí)，也為未來(lái)電網(wǎng)設(shè)備智能化運(yùn)維提供寶貴的原始大數(shù)據(jù)。

低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集；智能變電站；圖像分類；前端智能識(shí)別

智能電網(wǎng)是電力科技發(fā)展的方向[1-2]，配電網(wǎng)絡(luò)是電網(wǎng)智能化的重要環(huán)節(jié)[3]。無(wú)論是新建變電站還是配電線路及最終抄表終端，逐漸向少人或無(wú)人值守模式發(fā)展，雖然有很多設(shè)備（如變電站二次設(shè)備）能夠在線監(jiān)控，也可以通過(guò)視頻手段獲取監(jiān)控情 況[4]，但受限于配網(wǎng)覆蓋區(qū)域，無(wú)法監(jiān)控監(jiān)測(cè)的空白領(lǐng)域也很突出，很多現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法采集，需要人工巡視后進(jìn)行記錄。如變電站關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、配電線路的安全數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)直接反饋當(dāng)前設(shè)備及配電線路的可靠狀態(tài)，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，依托人工檢測(cè)周期長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和電力保障的實(shí)效。即便依托輔助手段，如移動(dòng)巡視終端去簡(jiǎn)化采集數(shù)據(jù)流程[5-6]，同樣成本高，耗時(shí)耗力，也存在著監(jiān)管盲區(qū)；而視頻監(jiān)控[7]等手段，需要對(duì)設(shè)備及線路區(qū)域進(jìn)行供電改造及通信配套施工，核心區(qū)域的改造施工也帶來(lái)一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。超低功耗的通信技術(shù)，解決了供電難題，給電力配網(wǎng)信息化帶來(lái)全新的建設(shè)思路。低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（low power wide area network, LPWAN）通信技術(shù)，是目前超低功耗的通信技術(shù)的代表，在解決超低功耗的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)。以LPWAN為核心來(lái)研究新一代配網(wǎng)物聯(lián)應(yīng)用架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 研究開(kāi)發(fā)的依據(jù)

1.1 理論依據(jù)

變電站設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控是典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[8]，物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)通信技術(shù)將人與物，物與物進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)接，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[9]。LPWAN專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的兩個(gè)LPWAN技術(shù)代表NB-IoT和LoRa更為人所知，其中NB-IoT采用蜂窩通信技術(shù)，由運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)建設(shè)；LoRa采用線性擴(kuò)頻技術(shù)，使用公用頻段部署，企業(yè)主導(dǎo)建設(shè)。各有特色，都能滿足低能耗、小數(shù)據(jù)量（低于100kbps）的使用場(chǎng)景。LPWAN技術(shù)相比常見(jiàn)的3G/4G通信技術(shù)，偏重工業(yè)及公共服務(wù)領(lǐng)域，可使用低頻工作譜段解決信號(hào)穿透的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可靠的遠(yuǎn)距離通信；其低功耗特點(diǎn)，便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際部署，直接選擇電池供電模式可以克服供電改造難題；其成本低便于大面積應(yīng)用，為客戶規(guī)模部署物聯(lián)感知網(wǎng)提供可靠的接入保證。

1.2 實(shí)踐依據(jù)

“無(wú)人值守”的智能變電站已在部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立變電站傳感測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，部署溫度監(jiān)測(cè)、溫濕度監(jiān)測(cè)、磁控感應(yīng)、水浸感應(yīng)、震動(dòng)感應(yīng)等傳感器。對(duì)影響變電站運(yùn)行的二次設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫濕度、一次設(shè)備重要節(jié)點(diǎn)溫度、變電站電纜層等低洼區(qū)域水位等因素實(shí)施全方位智能監(jiān)測(cè)。結(jié)合視頻監(jiān)控、紅外溫度監(jiān)測(cè)、震動(dòng)感應(yīng)等技術(shù)，建設(shè)變電站智能監(jiān)測(cè)與輔助控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變電站輔助系統(tǒng)一體化智能管控。從目前智能變電站的實(shí)踐應(yīng)用[10]來(lái)看，除視頻監(jiān)控外，其他傳感監(jiān)測(cè)裝置主要依托短距離物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信息交互，匯集后統(tǒng)一管控。LPWAN具有的優(yōu)勢(shì)使其不僅可在變電站部署，也可在整個(gè)配電線路上進(jìn)行部署以監(jiān)測(cè)線路上的安全狀態(tài)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

如圖1所示，電力設(shè)備物聯(lián)監(jiān)控網(wǎng)主要分成監(jiān)控平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和傳感識(shí)別。其中物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中除傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境外，主要增加了依托LPWAN技術(shù)建設(shè)的無(wú)線接入網(wǎng)。傳感識(shí)別，可以覆蓋變電站及沿線的配電線路，數(shù)據(jù)采集終端不僅覆蓋原有的環(huán)境傳感裝置，還重點(diǎn)引入數(shù)據(jù)測(cè)量識(shí)別裝置，如線路上的桿位傾斜數(shù)據(jù)檢測(cè)、設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)量等安全測(cè)量裝置。監(jiān)控平臺(tái)收集全網(wǎng)的數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心、工區(qū)監(jiān)控臺(tái)可實(shí)時(shí)顯示變電站與配電線路的環(huán)境狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)信息。當(dāng)發(fā)生異常時(shí)（如監(jiān)測(cè)或運(yùn)行數(shù)據(jù)超越告警門限、突發(fā)事件產(chǎn)生環(huán)境告警等）可快速告警，及時(shí)進(jìn)行電力搶修。

圖1 電力設(shè)備物聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)功能組成圖

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電力設(shè)備物聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)整體采用扁平化二級(jí)管理，含控制網(wǎng)和接入端?？山Y(jié)合實(shí)際生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)進(jìn)行部署，圖2是一個(gè)城市級(jí)物聯(lián)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的基本示意圖。LPWAN無(wú)線網(wǎng)關(guān)按照管理工區(qū)進(jìn)行部署，可根據(jù)工區(qū)管理的實(shí)際覆蓋范圍進(jìn)行調(diào)整，通常一個(gè)LPWAN無(wú)線網(wǎng)關(guān)可覆蓋半徑10km左右。物聯(lián)監(jiān)控服務(wù)器管理物聯(lián)采集數(shù)據(jù)，服務(wù)器管理所有的物聯(lián)元素（設(shè)備、人員等），保證監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的信息安全。監(jiān)控中心及工區(qū)監(jiān)控臺(tái)通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)接入控制網(wǎng)，實(shí)時(shí)獲取所關(guān)注的設(shè)備狀態(tài)信息和環(huán)境狀態(tài)信息。

圖2 物聯(lián)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)基本示意圖

3 核心關(guān)鍵技術(shù)研究

LPWAN低帶寬和低功耗的特點(diǎn)是優(yōu)勢(shì)也是限制，對(duì)系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求。面向大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集，需要充分考慮采集的高效管理，降低全系統(tǒng)的能耗；很多原來(lái)盲區(qū)數(shù)據(jù)的采集，如電力設(shè)備上的表計(jì)數(shù)據(jù)需要匹配低帶寬的限制。

3.1 前端數(shù)據(jù)的采集管理

在電力設(shè)備物聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)前端識(shí)別采集中，如圖3所示，系統(tǒng)中主要有兩類物聯(lián)采集設(shè)備：一類是傳感識(shí)別，另一類是數(shù)據(jù)測(cè)量識(shí)別。傳感識(shí)別主要指目前比較成熟的環(huán)境傳感（溫度、濕度等），另外針對(duì)線路監(jiān)控需求增加特種傳感器，如傾斜、位移等。這類傳感識(shí)別主要監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的觸發(fā)條件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上報(bào)，采集頻度是有限的；另一類數(shù)據(jù)測(cè)量識(shí)別，主要對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行輸出數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集，運(yùn)行數(shù)據(jù)是瞬時(shí)的，必須采用有效的采集管理辦法降低頻度，實(shí)現(xiàn)可靠的動(dòng)態(tài)采集。運(yùn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集管理，可以分為遠(yuǎn)程主動(dòng)觸發(fā)模式和前端自身觸發(fā)模式兩類。自身觸發(fā)模式有固定周期和變換周期兩類。固定周期的定時(shí)觸發(fā)模式下，測(cè)量識(shí)別終端按設(shè)定的時(shí)間周期采集數(shù)據(jù)后發(fā)送；變換周期的變頻觸發(fā)模式，數(shù)據(jù)測(cè)量識(shí)別終端采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行門限判斷，當(dāng)接近門限時(shí)調(diào)整上報(bào)周期，加快密度進(jìn)行檢測(cè)，避免偶發(fā)的數(shù)據(jù)跳動(dòng)。采用自我管理的變頻觸發(fā)模式，是節(jié)能管理的一種手段，采集終端不用實(shí)時(shí)接收后臺(tái)管理頻度要求（實(shí)時(shí)守候會(huì)額外耗電），采集終端可靜默中自我調(diào)整。優(yōu)化前端識(shí)別的采集管理，降低能耗，延長(zhǎng)了前端采集終端電源供給的生命周期，提高了資產(chǎn)管理效益。

圖3 物聯(lián)監(jiān)控前端識(shí)別的管理流程圖

3.2 非數(shù)字化表計(jì)的前端測(cè)量識(shí)別

1）問(wèn)題及設(shè)想

電力設(shè)備中存在著大量的非數(shù)字化計(jì)量表計(jì)，數(shù)據(jù)采集主要靠人工巡檢進(jìn)行識(shí)別和記錄，是實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)的盲區(qū)。這類數(shù)據(jù)的測(cè)量識(shí)別主要依靠圖像識(shí)別和光電轉(zhuǎn)換兩種方向。光電轉(zhuǎn)換涉及部分的硬件改造匹配，推廣難度高。隨著圖像采集產(chǎn)品小型化的進(jìn)步，圖像識(shí)別已經(jīng)成為表計(jì)數(shù)字識(shí)別的主流[11]。目前圖像識(shí)別基本采用前端圖像采集與后臺(tái)集中識(shí)別的思路，將圖像回傳到后臺(tái)進(jìn)行圖像識(shí)別處理。圖像回傳需要高帶寬的通信技術(shù)，該方案在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在著一些無(wú)法回避的問(wèn)題：①前端采集使用高帶寬的通信模塊，傳送圖像數(shù)據(jù)耗時(shí)耗電，需保證電力供應(yīng)，涉及供電改造；②部署高帶寬的通信系統(tǒng)，投資成本高，而借助運(yùn)營(yíng)商通信網(wǎng)絡(luò)，會(huì)帶來(lái)一定的安全隱患。雖然圖像識(shí)別技術(shù)有進(jìn)步，但實(shí)際操作難度大，表計(jì)數(shù)據(jù)成了遠(yuǎn)程監(jiān)控管理運(yùn)維的一塊難點(diǎn)。結(jié)合目前實(shí)踐中提供的可參考圖像識(shí)別算法[12]，如能在前端對(duì)圖像采樣進(jìn)行直接測(cè)量識(shí)別，那么回傳的數(shù)據(jù)量就會(huì)很小，滿足LPWAN物聯(lián)網(wǎng)傳送的要求。

2）具體解決方法

常見(jiàn)的機(jī)械電力計(jì)量表計(jì)種類繁多，即便是同一型號(hào)的指針型監(jiān)測(cè)器，不同廠家的表盤圖像特征也相差明顯，如圖4所示。

以前的指針型圖像識(shí)別方法：利用圖像處理技術(shù)來(lái)識(shí)別表盤的刻度和指針，識(shí)別出刻度的值域范圍，根據(jù)指針位置和刻度信息來(lái)計(jì)算示數(shù)值，是一個(gè)全模糊的模轉(zhuǎn)數(shù)過(guò)程，當(dāng)面對(duì)不同類型的復(fù)雜表盤（疏密不等的刻度）時(shí)，識(shí)別算法復(fù)雜，識(shí)別率低。

如果能預(yù)先知道圖像分類，就能縮小識(shí)別難度。通過(guò)疊加數(shù)字化標(biāo)簽作為分類標(biāo)簽，優(yōu)化圖像識(shí)別的流程。按這個(gè)思路設(shè)計(jì)的表計(jì)圖像識(shí)別裝置如圖5所示，有3個(gè)模塊：目標(biāo)分類管理、圖像采集、圖像識(shí)別。

圖5 表計(jì)圖像識(shí)別裝置

其中，目標(biāo)分類管理模塊的作用是，管理表計(jì)編號(hào)、類型、測(cè)量類型特征項(xiàng)等信息；圖樣采樣模塊對(duì)計(jì)量表計(jì)進(jìn)行圖像采集，圖像會(huì)涵蓋數(shù)字標(biāo)簽（編號(hào)做成數(shù)字標(biāo)簽貼在表計(jì)上）和數(shù)據(jù)區(qū)域；圖像識(shí)別模塊會(huì)先識(shí)別出表計(jì)的數(shù)字標(biāo)簽，從目標(biāo)分類信息管理模塊得到編號(hào)對(duì)應(yīng)的類型，然后根據(jù)類型啟用不同的識(shí)別通道，獲得圖像識(shí)別數(shù)據(jù)（如指針表的指針角度，或轉(zhuǎn)碼表的數(shù)字字符），再結(jié)合該類型的測(cè)量類型特征項(xiàng)信息（指針刻度的角度范圍與對(duì)應(yīng)值域的映射、轉(zhuǎn)碼字符的值域定義等），復(fù)合計(jì)算出當(dāng)前測(cè)量值，統(tǒng)一輸出測(cè)量目標(biāo)的編號(hào)、類型、測(cè)量值。圖6為表計(jì)圖像識(shí)別裝置內(nèi)部處理流程圖。

圖6 表計(jì)圖像識(shí)別裝置內(nèi)部處理流程圖

3）方案實(shí)驗(yàn)

圖7是針對(duì)具體一款指針型機(jī)械表計(jì)（JCQ-3型避雷器監(jiān)測(cè)器）進(jìn)行的方案實(shí)驗(yàn)。該表計(jì)的表盤圖像有明顯的測(cè)量特征信息：指針型、測(cè)量區(qū)域是長(zhǎng)方形區(qū)域、測(cè)量值域的角度范圍與對(duì)應(yīng)數(shù)值。該類型的圖像識(shí)別通道在識(shí)別處理通過(guò)長(zhǎng)方形檢測(cè)篩選出測(cè)量區(qū)域，通過(guò)直線檢測(cè)在測(cè)量區(qū)域中識(shí)別出指針位置并計(jì)算出指針當(dāng)前的角度，然后根據(jù)測(cè)量特征信息中角度與測(cè)量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系直接得到當(dāng)前的測(cè)量值。

實(shí)驗(yàn)證明在獲得圖像類型的前提下識(shí)別流程簡(jiǎn)明清晰，不再是一個(gè)全模糊的識(shí)別過(guò)程，而是有目標(biāo)的分類識(shí)別，識(shí)別通道中的檢測(cè)是可以通用組合，可以將長(zhǎng)方形區(qū)域檢測(cè)換成扇形區(qū)域檢測(cè)，就能增加另外一種表計(jì)圖像的識(shí)別。增加了分類信息空間，可簡(jiǎn)化識(shí)別算法，縮短識(shí)別時(shí)間。同時(shí)采樣也降低門檻（如不再關(guān)注刻度細(xì)節(jié)等），可匹配復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。數(shù)字標(biāo)簽不僅是分類標(biāo)簽，也是測(cè)量目標(biāo)的編號(hào)信息，簡(jiǎn)化了管理流程。這種前端圖像分類識(shí)別的方案克服了非數(shù)字化數(shù)據(jù)測(cè)量與采集的難點(diǎn)，匹配了LPWAN短數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵要求。

4 結(jié)論

結(jié)合LPWAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力配網(wǎng)的部署，不僅滿足變電站運(yùn)行監(jiān)控監(jiān)測(cè)的需求，其廣覆蓋的特性還可以滿足線路上安全監(jiān)測(cè)的需要。針對(duì)精細(xì)化的管控，結(jié)合LPWAN特性實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的前端測(cè)量識(shí)別，通過(guò)數(shù)字化分類識(shí)別巧妙解決了電力生產(chǎn)中表計(jì)種類復(fù)雜難以識(shí)別的難題，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化處理落實(shí)到生產(chǎn)應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)低能耗的遠(yuǎn)程物聯(lián)監(jiān)控，在原有傳感識(shí)別的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)規(guī)?；倪\(yùn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集，填補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力應(yīng)用的一塊空白。

其中計(jì)量數(shù)據(jù)的前端測(cè)量識(shí)別方案不僅可用在電力設(shè)備物聯(lián)監(jiān)控中，還可與其他先進(jìn)的技術(shù)（如機(jī)器人技術(shù)）融合，取得更好的使用效果；進(jìn)一步還可拓展應(yīng)用到其他行業(yè)的類似場(chǎng)景（如石油煉化區(qū)域的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集等），突破前端采集的能耗瓶頸，助力工業(yè)大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)建設(shè)，服務(wù)智慧化生產(chǎn)新時(shí)代。

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Design of power data acquisition system based on LPWAN

Tao Li1Liu Jingxiang2Zhu Xiaoguang3

(1. Dept. of Electric Engineering Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167; 2. Yancheng power supply company, Yancheng, Jiangsu 224005; 3. ZTE, Nanjing 210012)

Aiming at the development trend of power grid operation and maintenance management to few people or unattended mode, this paper puts forward the architecture scheme of power equipment IOT monitoring network using the latest Internet of things technology. The scheme breaks through the simple sensor monitoring and combines the front-end image classification and recognition to realize the data collection, and fills the blind area of the data. It implements the Internet of things technology and information processing into production applications, relying on LPWAN to achieve low energy consumption remote monitoring of things. The application of intelligent recognition, image classification and sampling combined with front lighting separation linkage control, aiming at complex problem to identify the types of meter scale practical power production, the networking technology and information processing to implement the production application, relying on LPWAN to realize remote measurement of low energy consumption combined monitoring program. Not only real-time monitoring and protection of power production safety, but also for the future intelligent operation and maintenance of power grid equipment to provide valuable original big data.

LPWAN; data acquisition; smart substation; image classification; front-end intelligent identification

2018-03-04

陶 莉（1978-），女，講師，碩士，研究方向?yàn)殡娏π畔⒒娏ω?fù)荷預(yù)測(cè)，需求側(cè)管理。

江蘇省科技廳產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（BY2016008-01）

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司科技項(xiàng)目（SGTYHT/16-JS-200）