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(cè)量的方法監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)、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(cè)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(cè)、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(cè);智能化管理

0? ? 引言

物聯(lián)網(wǎng)是涉及多學(xué)科、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，其快速發(fā)展對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)、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(hào)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(cè)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(huì)對(duì)Wi-Fi信號(hào)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(cè)溫設(shè)備會(huì)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(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的正常傳輸，還會(huì)影響到其他設(shè)備的正常通信[4]。

本系統(tǒng)首次將長(zhǎng)距離、低功耗（LoRa）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能變電溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行規(guī)模應(yīng)用和實(shí)踐研究，通過研究長(zhǎng)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(zhǎng)距離、低功耗物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能變電監(jiān)測(cè)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(cè)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(tái)等組成，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓設(shè)備工作溫度。系統(tǒng)測(cè)量的設(shè)備溫度數(shù)據(jù)可在溫度管理平臺(tái)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(dòng)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(cè)管理中心?；臼盏綔囟裙芾砥脚_(tái)的召喚數(shù)據(jù)指令后，可上傳監(jiān)測(cè)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(duì)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(tái)具有在線采集并分析現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(duì)低功耗射頻喚醒機(jī)制、動(dòng)態(tài)功率管理和動(dòng)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(duì)低功耗傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、節(jié)點(diǎn)級(jí)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(cè)溫傳感器功能框架如圖2所示。

我們針對(duì)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(zhǎng)等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在長(zhǎng)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(dòng)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(duì)監(jiān)測(cè)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(qǐng)求，從而喚醒通信模塊和MCU來響應(yīng)其他節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)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(dòng)態(tài)功率管理和動(dòng)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(dòng)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(cè)系統(tǒng)研究[J].電測(cè)與儀表，2014（16）：103-107.

[4] 吳江一.變電站設(shè)備無線溫度監(jiān)測(cè)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(tái)中的研究與應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2014（2）：48-52.

[9] 陳治國(guó)，袁雪蓮，張文杰.基于Chirp信號(hào)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(jiǎn)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。