談生磊 侯天錄 姜永宏 張首旺 楊霄 國(guó)網(wǎng)青海省電力公司海東供電公司 馬璽堯 青海大學(xué)水利電力學(xué)院

一、我國(guó)城市輸電線路電纜入地的優(yōu)勢(shì)及存在的危險(xiǎn)因素

在我國(guó)，電纜入地已成為電力建設(shè)的一種趨勢(shì)。電纜入地對(duì)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(duì)美化市容市貌，推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展發(fā)揮促進(jìn)作用。

隨著電纜轉(zhuǎn)入地下隱藏，針對(duì)于地下電纜附近的土方開挖施工，就成了導(dǎo)致電纜損傷、影響安全運(yùn)行的危險(xiǎn)因素。因外部施工開挖造成的電纜破壞時(shí)有發(fā)生，影響供電安全運(yùn)行，影響生產(chǎn)，造成國(guó)民經(jīng)濟(jì)巨大的損失。

（一）避免地埋電纜被外力破壞的技術(shù)監(jiān)控方案

如何保障地埋電纜不被外力挖掘破壞，是一項(xiàng)重要的課題。最直觀的方案是埋設(shè)標(biāo)示樁進(jìn)行提示但因現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)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(lái)監(jiān)測(cè)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(shè)傳感光纖。同時(shí)要配備OTDR分析系統(tǒng)，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析是否存在異常。

這種方案，投資大，設(shè)備昂貴，施工費(fèi)用高昂，無(wú)法大量推廣應(yīng)用。而且，分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其對(duì)異常點(diǎn)的定位參數(shù)為距離監(jiān)測(cè)裝置的距離數(shù)據(jù)，管理人員無(wú)法通過(guò)異常點(diǎn)距離數(shù)據(jù)迅速找到異常點(diǎn)位置，無(wú)法對(duì)異常做出快速反應(yīng)。

（二）采用全新思路設(shè)計(jì)地埋電纜的防外力開挖破壞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)前對(duì)于現(xiàn)有地埋電纜的防外力開挖破壞監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，其難點(diǎn)在于傳感器形式和采用了線纜方式的數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)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(cè)的數(shù)據(jù)特征，其在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，如無(wú)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(shí)需要向管理方發(fā)送數(shù)據(jù)。以此特征為思路重新設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，尋找不需要大量布線的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)形式。

在本設(shè)計(jì)中，計(jì)劃采用無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)，可以避開敷設(shè)大量數(shù)據(jù)線纜的弊端。因傳感器需要布設(shè)在地域廣闊的室外電纜路徑上方，無(wú)法取得外部電源供電，因此必須采用高能長(zhǎng)效電池供電。在此情況下，常規(guī)的無(wú)線傳輸方式如GPRS、4G等，因其耗電量大，一組電池工作只能堅(jiān)持幾個(gè)小時(shí)，均無(wú)法保證長(zhǎng)期工作，這個(gè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們需要的設(shè)計(jì)是要長(zhǎng)期工作，時(shí)間范圍在數(shù)年的續(xù)航時(shí)間。其他方式如藍(lán)牙、LORA無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，其耗電也無(wú)法支持?jǐn)?shù)年的工作，因此，必須尋找更加低耗的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式。

在數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸方式的選擇過(guò)程中，我們需要根據(jù)本設(shè)計(jì)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(diǎn)。

2.要求數(shù)據(jù)傳輸范圍廣，本設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)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(gè)單位，某個(gè)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(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，篩選當(dāng)前的無(wú)線傳輸技術(shù)，排除掉藍(lán)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(wú)法保證信號(hào)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(gè)新興技術(shù)，支持低功耗設(shè)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(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。我國(guó)的NB-IOT基站部署也較為完善，大部分地區(qū)都有信號(hào)覆蓋，能夠提供NB-IOT技術(shù)在本設(shè)計(jì)中應(yīng)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(yīng)用，如：共享單車、智能家居設(shè)備、智能市政設(shè)施、定位產(chǎn)品等，符合本設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)線傳輸技術(shù)的基本要求。

二、選擇NB-IOT方式的影響因素及應(yīng)用重點(diǎn)技術(shù)

相對(duì)于傳統(tǒng)的藍(lán)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(shì)。

1.NB-IOT在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

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(wú)線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。本設(shè)計(jì)需要大量獨(dú)立傳感器搭載獨(dú)立傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線連接，NB-IOT這種大接入量特性正是本項(xiàng)目需要的特性。

2）信號(hào)覆蓋能力強(qiáng)：NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強(qiáng)，比LTE提升20dB增益，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力，對(duì)于地下設(shè)備的信號(hào)覆蓋有較大的提升。以井蓋監(jiān)測(cè)為例，過(guò)去GPRS的方式需要伸出一根天線，車輛來(lái)往極易損壞，而NB-IoT只要部署得當(dāng)，就可以很好地解決這一難題。本設(shè)計(jì)中的監(jiān)測(cè)傳感器，需要埋設(shè)于電纜路徑的地面內(nèi)，對(duì)信號(hào)覆蓋能力要求較高，因此需要選擇信號(hào)覆蓋能力強(qiáng)的NB-IOT方式。

3）低功耗：低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一項(xiàng)重要指標(biāo)，特別對(duì)于一些不能經(jīng)常更換電池的設(shè)備和場(chǎng)合，如安置于高山荒野偏遠(yuǎn)地區(qū)中的各類傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備，它們不可能像智能手機(jī)一天一充電，長(zhǎng)達(dá)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(yīng)用，因此NB-IoT設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時(shí)間可以從過(guò)去的幾個(gè)月大幅提升到幾年；此種特性，正是本設(shè)計(jì)需要的低功耗性能。

綜上所述幾種特性，是本設(shè)計(jì)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(cè)裝置設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(wú)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(shè)備對(duì)小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，同時(shí)模塊在封裝設(shè)計(jì)上兼容移遠(yuǎn)通信GSM/GPRS系列M26模塊以及NBIoT系列BC26/BC25/BC28模塊，方便在測(cè)試過(guò)程中靈活地進(jìn)行替換、升級(jí)等操作。

BC260Y提供豐富的外部接口和協(xié)議棧，同時(shí)可支持中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)、中國(guó)移動(dòng)Andlink平臺(tái)、中國(guó)電信AEP平臺(tái)和中國(guó)電信IoT平臺(tái)等物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，為應(yīng)用設(shè)計(jì)提供極大的便利。

BC260Y模塊采用易于焊接的LCC封裝，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SMT設(shè)備實(shí)現(xiàn)模塊的快速生產(chǎn)，滿足復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)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(yīng)用于煙感、無(wú)線抄表、智慧物流、智能停車等諸多應(yīng)用中，其應(yīng)用案例多，性能已被廣泛驗(yàn)證，因此本設(shè)計(jì)擬采用此型號(hào)模塊。

3.低功耗的實(shí)現(xiàn)

在本設(shè)計(jì)中，監(jiān)測(cè)傳感器會(huì)被安裝于室外，采用電池供電，鑒于需要長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航監(jiān)測(cè)，進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)是十分必要的。而本設(shè)計(jì)擬選擇的BC260Y，通過(guò)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(dān)負(fù)著連接網(wǎng)絡(luò)，傳輸數(shù)據(jù)的重任，是耗電最大的組件，也是整個(gè)傳感器耗電最大的部分。因此，設(shè)計(jì)不同情景下Modem的不同工作方式，是降低功耗的一個(gè)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(gè)DRX周期監(jiān)聽一次尋呼信道，以檢查是否有下行業(yè)務(wù)到達(dá)。

DRX模式下，模塊在每個(gè)DRX周期監(jiān)聽一次尋呼信道，功耗相對(duì)eDRX和PSM來(lái)說(shuō)較高，在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)景下，建議使用DRX方案。

2.eDRX模式

eDRX：extended DRX（擴(kuò)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(zhǎng)的尋呼周期，使得終端能夠更好地節(jié)省功耗，但是也會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的下行數(shù)據(jù)延時(shí)。模塊只能在PTW（Paging Time Window，尋呼時(shí)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(wù)；PTW外的時(shí)間處于睡眠態(tài)，不監(jiān)聽尋呼信道、不能接收下行業(yè)務(wù)。

eDRX就是模塊不斷地打開、關(guān)閉接收機(jī)。打開接收機(jī)時(shí)能夠接收數(shù)據(jù)，關(guān)閉接收機(jī)時(shí)則無(wú)法接收數(shù)據(jù)；eDRX周期即由關(guān)閉接收機(jī)和打開接收機(jī)這兩個(gè)完整的時(shí)段組成，以BC26模組為例，支持配置的時(shí)長(zhǎng)為20.48s～2.92h，eDRX功耗較DRX低。

eDRX在兼顧低功耗的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速響應(yīng)；比如可通過(guò)配置使模塊實(shí)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(wú)須頻繁發(fā)送數(shù)據(jù)、但需要實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。模塊還可通過(guò)設(shè)置不同的eDRX參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景下的應(yīng)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(shí)間（T3324）后，關(guān)閉信號(hào)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(luò)尋呼，包括搜尋小區(qū)消息、小區(qū)重選等，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)側(cè)來(lái)說(shuō)，模塊此時(shí)是不可達(dá)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(cè)在網(wǎng)絡(luò)中；因此，要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不需要重新連接或建立PDN連接。在模塊Modem進(jìn)入PSM模式后，仍然可以主動(dòng)發(fā)送上行數(shù)據(jù)到平臺(tái)。

與eDRX相比，PSM打開、關(guān)閉接收機(jī)的頻率更低，可低至幾天打開一次接收機(jī)。PSM周期內(nèi)，模塊僅在接收機(jī)打開的時(shí)間內(nèi)能夠接收到數(shù)據(jù)，接收機(jī)關(guān)閉的時(shí)間內(nèi)將無(wú)法接收下行數(shù)據(jù)。PSM模式下，功耗只有微安級(jí)，終端在此工作模式下才可能實(shí)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(shè)計(jì)中，采用多種功耗控制方案聯(lián)合應(yīng)用的方案：

1）在傳感器監(jiān)測(cè)到異常的期間，設(shè)置模塊工作在Active狀態(tài)，連接服務(wù)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(yīng)，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(shí)保持對(duì)下行數(shù)據(jù)的響應(yīng)。

3）在傳感器的正常待機(jī)監(jiān)測(cè)期間，模塊工作在PSM模式，此時(shí)傳感器未檢測(cè)到異常信息，不需要實(shí)時(shí)發(fā)送異常數(shù)據(jù)，只需要定期向服務(wù)器報(bào)告一下自身狀態(tài)。因此功耗被最大限度地降低，實(shí)現(xiàn)電池供電長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航。

本設(shè)計(jì)中地埋電纜的防外力開挖破壞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其系統(tǒng)組成原理示意圖如下：

監(jiān)測(cè)傳感器通過(guò)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)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(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，其采用微功耗設(shè)計(jì)，高能電池供電，采用全密封外殼，沿電纜路徑裝設(shè)于電纜上方的地面內(nèi)。

傳感器內(nèi)部設(shè)計(jì)了檢測(cè)傳感器組件和信號(hào)處理組件，采用微功耗器件，配合NB-IOT實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將異常信息通過(guò)公共物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器，傳送到管理者的接收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)異常信息的及時(shí)接收。其每個(gè)傳感器，都在服務(wù)器中注冊(cè)時(shí)，注冊(cè)自身的電子地圖信息，因此可以實(shí)現(xiàn)管理者迅速定位到異常位置附近。

此種設(shè)計(jì)方案，解決了常規(guī)標(biāo)示樁無(wú)法主動(dòng)監(jiān)測(cè)的弊端，解決了光纖傳感器需要開挖敷設(shè)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(wú)法快速定位異常點(diǎn)地理位置的弊端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常信息的快速反應(yīng)。

以上設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。因此，使用NB-IOT網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)應(yīng)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。