袁滌非

（南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211153）

0 引 言

為了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為電力行業(yè)落實(shí)“雙碳”目標(biāo)的具體部署，儲(chǔ)能是支持新型電力系統(tǒng)建設(shè)的核心[1]。未來以光伏和風(fēng)電為代表的新能源發(fā)電與裝機(jī)占比將會(huì)大幅提升。同時(shí)，為了提升新能源的消納能力，配置一定比例的儲(chǔ)能系統(tǒng)已成為行業(yè)趨勢(shì)。

為保障電力設(shè)備的運(yùn)行安全，需要及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。新能源電站大部分位于我國“三北”地區(qū)與沿海地區(qū)，地理位置相對(duì)偏遠(yuǎn)，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，運(yùn)維人員日常值守及運(yùn)檢不方便。為此，需要研究新型運(yùn)維技術(shù)，提升對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的效率。本文探討物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）傳感和無線組網(wǎng)技術(shù)在電力設(shè)備狀態(tài)感知中的應(yīng)用技術(shù)，并介紹了實(shí)際工程案例。

1 低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)中，無線通信技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)的不同，可以將無線通信技術(shù)劃分為兩種主要類型，一種是以4G、5G技術(shù)為代表的廣域網(wǎng)通信技術(shù)，另一種是以藍(lán)牙、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（Wireless Fidelity，WiFi）等為代表的局域網(wǎng)通信技術(shù)。上述兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中廣域網(wǎng)通信技術(shù)輸送距離遠(yuǎn)，效率高，但對(duì)設(shè)備的功耗要求高，同時(shí)產(chǎn)生的費(fèi)用也較高。而局域網(wǎng)通信技術(shù)功耗低，但傳輸距離短，在很多應(yīng)用場(chǎng)合不能滿足使用要求。為了解決傳輸距離與功耗之間的矛盾，低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這一技術(shù)在保證較長距離通信的基礎(chǔ)上，保持了較低的設(shè)備功耗，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)廣域網(wǎng)通信和局域網(wǎng)通信的不足，非常適于小數(shù)據(jù)量長距離通信的應(yīng)用場(chǎng)景[2]。

在低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)中，又存在多種技術(shù)方案。遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）技術(shù)就是其中具有代表性的一種。這是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，其采用線性調(diào)整擴(kuò)頻（Chirp Spread Spectrum，CSS）技術(shù)的調(diào)制方式，特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，接收信號(hào)的靈敏度最低可以到-142 dBm，信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）可以達(dá)到-20 dB[3]。相對(duì)目前常用的頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK）通信方式，LoRa技術(shù)在鏈路預(yù)算上提高了10 dB以上，同時(shí)抗干擾能力大大增強(qiáng)。此外，由于采用擴(kuò)展調(diào)制，LoRa技術(shù)在終端模組的時(shí)鐘精度要求大大降低。

除了基礎(chǔ)的物理層技術(shù)外，LoRa網(wǎng)絡(luò)規(guī)范還包含了LoRaWAN開放層協(xié)議。LoRaWAN是為LoRa遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一套通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。

典型的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通常由3部分組成，分別是終端、網(wǎng)關(guān)以及服務(wù)器，架構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)關(guān)在LoRa系統(tǒng)中起中繼作用，連接終端節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器。終端通過星型網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接，將數(shù)據(jù)上送，網(wǎng)關(guān)將收到的數(shù)據(jù)通過傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）向服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)。在該系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)傳輸距離的需要進(jìn)行多級(jí)配置，當(dāng)與終端之間的距離滿足LoRa技術(shù)的傳輸要求時(shí)，可以通過LoRa射頻進(jìn)行單跳通信。而當(dāng)終端和網(wǎng)關(guān)之間距離過長時(shí)，可采用多級(jí)網(wǎng)關(guān)中繼的方式，將下級(jí)網(wǎng)關(guān)的信號(hào)傳輸?shù)缴霞?jí)網(wǎng)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸。

圖1 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

相比較傳統(tǒng)通信技術(shù)和其他低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，LoRa技術(shù)有以下兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是通信距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)成本低。與以窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）為代表的其他低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)相比，在發(fā)射功率相同的前提下，LoRa網(wǎng)關(guān)與終端節(jié)點(diǎn)之間具有更長的通信距離。由于LoRa技術(shù)是在免費(fèi)的非授權(quán)頻譜上工作，其LoRaWAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)支持的應(yīng)用程序成本相對(duì)低很多，終端節(jié)點(diǎn)和基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)的成本也更低[4]。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是設(shè)備功耗低、靈敏度高。為了降低設(shè)備功耗，LoRa技術(shù)采用了數(shù)據(jù)速率自適應(yīng)的策略，針對(duì)數(shù)據(jù)量傳輸較少的應(yīng)用場(chǎng)景，適當(dāng)降低數(shù)據(jù)傳輸速率[5]。同時(shí)，LoRa通過提高接收機(jī)靈敏度的方式降低發(fā)射功率，從而有效地降低了功耗。據(jù)測(cè)試，其接收電流低至10 mA，休眠電流小于200 μA，這對(duì)延長電池的使用壽命起到了重要作用[6]。

LoRa技術(shù)在需要長距離、低功耗傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)領(lǐng)域，特別是對(duì)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量和頻度要求較低的場(chǎng)合具有突出的優(yōu)勢(shì)，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的前景。

2 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是在物理世界中部署具有感知、計(jì)算能力的傳感設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的獲取、傳輸以及處理，從而實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)信息交互需求的互聯(lián)[7]。物聯(lián)網(wǎng)可分為網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層與感知層，其中感知層由傳感器和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，是物理網(wǎng)的基礎(chǔ)。

傳感器是一種感知器件，能通過自身特性感受被測(cè)物體的物理量，并通過一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的信號(hào)輸出。按照其工作原理，傳感器可分為電阻式、電容式以及磁電式等[8]。一般的傳感器需要有電源供電，通過數(shù)據(jù)線將信號(hào)傳輸?shù)教幚砥鳎履茉措娬局写嬖谠O(shè)備布置空間狹小、需要感知的數(shù)據(jù)眾多等特點(diǎn)。因此，需要在一定的空間范圍內(nèi)布置數(shù)量較多的傳感器，但這增加了傳感器的布線及安裝難度。

采用LoRa技術(shù)的傳感器將數(shù)據(jù)通過LoRaWAN/LinkWAN協(xié)議發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)，再傳送到服務(wù)器，通過無線傳輸數(shù)據(jù)節(jié)省了數(shù)據(jù)線。傳感器內(nèi)置電池，無需外接電源線，大大簡(jiǎn)化了傳感器布點(diǎn)的難度。與采用WiFi技術(shù)的傳感器相比，基于LoRa技術(shù)的傳感器功耗更低，傳輸距離更遠(yuǎn)。WiFi的常見傳輸距離只有幾十米，無法覆蓋變電站全域，需要配置大量的路由器。而LoRa的傳輸距離可達(dá)數(shù)千米，完全滿足新能源電站全站監(jiān)測(cè)的需求，大大減少了需要布置的網(wǎng)關(guān)數(shù)量，有效地降低了成本。

以某款超聲波局部放電傳感器為例，開關(guān)柜內(nèi)部出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象時(shí)放電區(qū)域中產(chǎn)生了聲波，此時(shí)用安裝在柜外的非接觸式超聲波傳感器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過放大器放大后傳到采集系統(tǒng)。采用非接觸式全向電磁波空間定位檢測(cè)技術(shù)，可無需接觸設(shè)備360°無線監(jiān)測(cè)設(shè)備局放。由于無源無線，可以無需接觸設(shè)備安裝在任意位置，與人工檢測(cè)方式形成互補(bǔ)，減少設(shè)備運(yùn)行中人力資源的消耗。與采用WiFi技術(shù)的同功能傳感器相比，其電池待機(jī)壽命提升超過10倍，有效使用時(shí)間可達(dá)5年。

3 電力設(shè)備狀態(tài)感知應(yīng)用案例

本文以新能源電站中儲(chǔ)能設(shè)備預(yù)制艙的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)為例，對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)感知的技術(shù)方案進(jìn)行分析介紹。

為了保障新能源電站的穩(wěn)定并網(wǎng)，部分地區(qū)出臺(tái)政策，在實(shí)際工程中需要按總?cè)萘康?0%～20%配置儲(chǔ)能系統(tǒng)[9]。儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備通常安裝于預(yù)制艙內(nèi)，預(yù)制艙尺寸與40尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱（1 219 mm×2 438 mm×2 896 mm）接近，內(nèi)部安裝儲(chǔ)能電池、匯流控制設(shè)備、變流設(shè)備、環(huán)境控制設(shè)備以及輔控設(shè)備等。根據(jù)電池工作原理及特性的要求，需要為儲(chǔ)能電池提供穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境、溫度與濕度，并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池及其他相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常波動(dòng)時(shí)，采用相應(yīng)的控制措施，必要時(shí)可將電池退出運(yùn)行。

一臺(tái)儲(chǔ)能預(yù)制艙內(nèi)可集成超過2 MWh的電池，電池模組數(shù)量可達(dá)200臺(tái)，電芯數(shù)千個(gè)。如果采用傳統(tǒng)的有線有源傳感器模式監(jiān)測(cè)如此多的設(shè)備，將會(huì)對(duì)布線造成很大的困難。因此，在工程應(yīng)用中采用將物聯(lián)網(wǎng)傳感器和LoRa技術(shù)相結(jié)合的方式。傳感器和輔助設(shè)備利用LoRa通信技術(shù)功耗低的特點(diǎn)，使用電池供電，不拉市電，具有續(xù)航時(shí)間長的優(yōu)點(diǎn)。在工程布點(diǎn)中，可實(shí)現(xiàn)施工不拉線，大幅降低了實(shí)施成本，提升了監(jiān)測(cè)探頭布點(diǎn)的密度。無線組網(wǎng)采用先進(jìn)的LPWAN技術(shù)與現(xiàn)有成熟商用的WiFi、藍(lán)牙等無線通信技術(shù)相比，具有功耗低、遠(yuǎn)距離、成本低以及覆蓋面廣等優(yōu)點(diǎn)，適合于在小數(shù)據(jù)量長距離傳輸、采用電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備[10]。

艙內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器布置如圖2所示，針對(duì)儲(chǔ)能電站預(yù)制艙體及電池模組，在艙內(nèi)及電池組內(nèi)布置溫度、濕度、煙感、氣體、震動(dòng)以及電氣量等無線傳感器，在預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置LoRa無線網(wǎng)關(guān)，用于接入各種類型物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器。

圖2 艙內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器布置

通過傳感器采集到的數(shù)據(jù)還可以通過5G上傳到云端核心網(wǎng)，運(yùn)維人員可利用手持式運(yùn)維終端或移動(dòng)終端通過TCP/IP訪問云端萬維網(wǎng)（World Wide Web，Web）頁面和Web服務(wù)，查看LoRa數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)運(yùn)維。

4 結(jié) 論

本文研究了低功耗廣域網(wǎng)的基本原理及特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了基于loRa技術(shù)的無線組網(wǎng)方案，同時(shí)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。最后結(jié)合工程應(yīng)用案例，介紹了物聯(lián)網(wǎng)傳感和無線組網(wǎng)技術(shù)在電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)感知中的應(yīng)用。該方案最大的技術(shù)特點(diǎn)是泛在、物聯(lián)。感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層結(jié)構(gòu)清晰，易于工程部署和實(shí)現(xiàn)，易于維護(hù)。通過物聯(lián)網(wǎng)傳感和無線組網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，可以有效解決目前新能源電站運(yùn)維智能化程度不高、數(shù)據(jù)種類局限以及無法支撐狀態(tài)檢修等問題，全面提升新能源及儲(chǔ)能電站的智能化水平與運(yùn)維便利性，對(duì)提升新能源電站中電力設(shè)備狀態(tài)感知與監(jiān)測(cè)的智能化水平有積極的示范作用。