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設施的重要組成部分，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)絡覆蓋深度不夠、溝管內(nèi)環(huán)境監(jiān)測不完善以及安全管理手段缺乏等幾個方面[1-3]。無線傳感網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡，可感知外部傳感器，在電力行業(yè)中應用較為廣泛。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡及傳感器相比，WSN 具有組建方式靈活、控制集中、安全性高等特點[4-5]。國外的配網(wǎng)溝管組建模式與我國有所差異，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]。而國內(nèi)通常未采用低功耗的無線通信技術(shù)，監(jiān)控方式還是以人工巡檢為主，監(jiān)測裝置一般基于GPRS 信號傳輸，但該方法容易被屏蔽，且無法與其他設備互聯(lián)[7-8]。在20 世紀90 年代，由美國高校為主導的無線集成網(wǎng)絡傳感器項目，設計了通信協(xié)議的基礎檢測理論，研發(fā)了低功耗的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)[9]。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡逐漸應用于電力系統(tǒng)領域，為電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制奠定了基礎[10-11]。

該文基于系統(tǒng)工程理論，對電網(wǎng)地下溝管監(jiān)測系統(tǒng)的WSN 進行整體設計，包括系統(tǒng)構(gòu)架設計、傳感器系統(tǒng)設計、無線傳輸設計，進而實現(xiàn)了多維環(huán)境監(jiān)測。該文針對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行智能分析及處理，通過結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實現(xiàn)了多維數(shù)據(jù)融合，并對所述方法進行測試與驗證。

1 WSN整體設計

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WSN系統(tǒng)設計，實現(xiàn)電網(wǎng)地下溝管環(huán)境監(jiān)測、發(fā)現(xiàn)周圍安全隱患、進行數(shù)據(jù)傳輸與智能分析等業(yè)務[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)存在無法取電以及無法接入光纖等限制，因此需要采用先進的低功耗無線技術(shù)來組建內(nèi)部局域網(wǎng)，滿足電纜管道全面監(jiān)控[15-16]。網(wǎng)關型地下溝管監(jiān)測裝置能夠接入內(nèi)部無線網(wǎng)，同時將內(nèi)部邊側(cè)設備所有數(shù)據(jù)經(jīng)邊緣計算后，通過NB-IoT、低功耗廣域網(wǎng)無線技術(shù)上報給主站。由于溝管內(nèi)環(huán)境多樣且復雜，因此設計的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、運維人員組成，設備與人員之間形成了上行、下行的業(yè)務流向，終端傳感器設置簡單，地下溝管監(jiān)測裝置為該系統(tǒng)的核心。

圖1 WSN系統(tǒng)構(gòu)架

1.2 傳感器系統(tǒng)設計

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

溫度傳感器通過I/O 口與MCU 關聯(lián)，當裝置內(nèi)部以及周邊溫度達到指定數(shù)值后，觸發(fā)系統(tǒng)中斷，同時產(chǎn)生告警。

煙霧傳感器通過I/O 口與MCU 關聯(lián)，其采用紅外漫反射原理和光敏傳感器組合，對煙霧濃度進行監(jiān)測，當達到一定濃度后產(chǎn)生告警。

超聲波測距模塊，該模塊通過串口和MCU 關聯(lián)，系統(tǒng)內(nèi)部定時使用超聲測距進行水位測試。當發(fā)現(xiàn)水位上升至預警或告警閾值時，系統(tǒng)產(chǎn)生告警。

溢滿傳感器通過I/O 口與MCU 進行關聯(lián)，新型井蓋監(jiān)測裝置表面內(nèi)置不銹鋼正負接頭。當水位漫淹至正負接頭位置時，就會形成電流導通，從而觸發(fā)中斷。

有害氣體監(jiān)測模塊在設計上與煙霧傳感器模塊共用一個槽位。當需要檢測氣體時，則關閉相應的煙霧探測頭，有害氣體檢測模塊通過I/O 口與MCU關聯(lián)，其可以檢測氧氣、一氧化碳、甲烷、二氧化硫等氣體，當達到系統(tǒng)標定濃度時即觸發(fā)告警。

1.3 無線傳輸設計

管道內(nèi)的無線局域網(wǎng)采用Lora、BLE、ZigBee 無線技術(shù)進行組網(wǎng)或自組網(wǎng)，構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡。網(wǎng)關型井蓋監(jiān)測裝置能夠接入內(nèi)部無線網(wǎng)，同時將內(nèi)部邊側(cè)設備所有數(shù)據(jù)經(jīng)邊緣計算后，通過低功耗廣域網(wǎng)無線技術(shù)上報給主站。管道內(nèi)環(huán)境多樣且復雜，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，在不增加功耗的情況下，盡可能地拓展管道內(nèi)無線覆蓋范圍，增強無線信號，具體的低功耗無線傳輸方案設計，如圖2 所示。

圖2 低功耗無線傳輸方案

圖3 為低功耗網(wǎng)絡設計架構(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。同時保留大部分現(xiàn)有外設，并保持準引腳兼容。

圖3 低功耗網(wǎng)絡設計架構(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，庫侖計持續(xù)監(jiān)控耗能情況，保證系統(tǒng)能夠及時進行設備電量運維。無線傳輸方案中廣域網(wǎng)采用NB-IoT 無線傳輸方案，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

溝管一體化設備集成Lora、ZigBee、BLE 之一的無線通信單元，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)測終端的數(shù)據(jù)匯總至網(wǎng)關型井蓋監(jiān)測裝置。此處充分利用了邊緣計算方法，在該裝置內(nèi)完成數(shù)據(jù)計算與處理，從而保證網(wǎng)絡傳輸?shù)恼w數(shù)據(jù)帶寬與功耗。裝置集成了NB-IoT無線通信單元，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡?。網(wǎng)關式的電網(wǎng)地下溝管多維環(huán)境監(jiān)測設計如圖4 所示。

圖4 電網(wǎng)地下溝管多維環(huán)境監(jiān)測設計

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)融合

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)流向單一，越是靠近地下溝管的節(jié)點能量消耗越嚴重，且CPU 承擔的任務量越重。處于同一子網(wǎng)的節(jié)點，由于其地理位置的原因，監(jiān)測到的數(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)測到的數(shù)據(jù)融合通常匯聚于一點，并按照現(xiàn)實情況發(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)絡的使用次數(shù)。

監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸通常分兩種情形：一種是每隔半個小時進行采樣，向中心節(jié)點匯聚；另一種是通過網(wǎng)關接收命令，查詢溫度信息并傳輸數(shù)據(jù)信息。對于第二種情形，無需進行數(shù)據(jù)融合處理，直接匯聚節(jié)點并傳送到基站。該文采用簡單的數(shù)據(jù)融合算法，即通過多個傳感器采集數(shù)據(jù)進行平均值計算，同時保存數(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，則整個系統(tǒng)將非常復雜且參數(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，通過關聯(lián)分析，分析出檢測數(shù)據(jù)與各個指標參數(shù)之間的聯(lián)系，從而實現(xiàn)綜合的在線監(jiān)測。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

對于監(jiān)測到的文本序列數(shù)據(jù)，Softmax 層的輸出即為屬于L1-L3數(shù)據(jù)等級的概率函數(shù)p1(L1)、p2(L2)、p3(L3)，系統(tǒng)自動進行記錄并輸出；對于監(jiān)測到的定量數(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 驗證與測試

3.1 實驗環(huán)境配置

因?qū)嶒灄l件和環(huán)境限制，在室內(nèi)搭建監(jiān)測環(huán)境條件對該文所述技術(shù)進行測試與驗證。整個系統(tǒng)包括傳感器部分、網(wǎng)關節(jié)點、微型電網(wǎng)地下溝管、監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)處理中臺，以上述實驗條件為基礎，搭建硬件環(huán)境。在測試驗證過程中，選取STM32 系列STM32L152RE 為主控單元，采用ZigBee 模塊和CC2520 組成網(wǎng)關節(jié)點。傳感器在采集溫度信息時，通過單片機將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓，傳輸至網(wǎng)關；在發(fā)送/接收命令時，首先判斷命令。然后，根據(jù)信息內(nèi)容回傳至網(wǎng)關節(jié)點。使用通信接口與上位機進行通信，將PC 機與USB 連接，實現(xiàn)傳感器與網(wǎng)絡節(jié)點之間的正常通信。在軟件配置方面，選擇ZigBee 協(xié)議棧進行各個節(jié)點的軟件配置，采用EW 作為集成開發(fā)平臺。

3.2 測試結(jié)果

針對電網(wǎng)地下溝管的實時環(huán)境狀況，對各個傳感器進行功能測試，主要包括實時溫度監(jiān)測、實時濕度監(jiān)測、實時可燃氣體濃度監(jiān)測等。智能終端匯集各個傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能感知，當被監(jiān)測的數(shù)據(jù)指標超出預定范圍時，智能感知系統(tǒng)發(fā)出報警提醒，運維工作人員進行現(xiàn)場處理。表1 所示為應用WSN 技術(shù)監(jiān)測到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

從表1 可以看出，設置了三組實驗分別監(jiān)測電網(wǎng)地下溝管的溫度、濕度、可燃氣體濃度，將WSN 監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與實際測量的數(shù)據(jù)進行對照分析。其中溫度與濕度的監(jiān)測誤差均在1%以內(nèi)，可燃氣體濃度的監(jiān)測誤差均在設計要求范圍以內(nèi)，因此具有一定的工程應用價值，可為管理人員根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進行遠程交互。

表1 電網(wǎng)地下溝管監(jiān)測數(shù)據(jù)對照

為了進一步測試系統(tǒng)的硬件參數(shù)，對終端傳感設備的運行指標參數(shù)進行記錄，如表2 所示。從表中可以看出，三個溝管的設備工作壽命相差較小，但通信時間的增大對每日功耗與工作壽命均會產(chǎn)生影響。

表2 終端傳感設備運行參數(shù)

4 結(jié)束語

該文方法實現(xiàn)了電網(wǎng)地下溝管內(nèi)的多維環(huán)境監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能感知與分析處理。結(jié)合實際的功能需求設計了WSN 系統(tǒng)，實現(xiàn)了溝管環(huán)境監(jiān)測；基于結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實現(xiàn)了多維環(huán)境檢測數(shù)據(jù)的融合與分析處理。實驗結(jié)果表明，所述方法可實時監(jiān)測溝管內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，測量誤差在可控范圍之內(nèi)，具有一定的工程應用價值。下一步將研究WSN 的低功耗無線傳輸技術(shù)，以降低監(jiān)測過程的成本。