王 洋，許 陽，劉 陽，薛亦峰，高 坤，王紀(jì)紅

（國網(wǎng)陜西省電力有限公司西安供電公司，陜西 西安 710032）

0 引言

隨著電力行業(yè)的高速發(fā)展，電網(wǎng)覆蓋的范圍和規(guī)模也越來越大。高壓輸電電網(wǎng)作為保證整個電網(wǎng)穩(wěn)定安全工作的重要基礎(chǔ)之一，一旦出現(xiàn)故障，不僅會給個人生活帶來不便，對企業(yè)的經(jīng)濟效益帶來較大影響，有時甚至?xí)＜叭藗兊纳踩?。而高壓輸電裝備中如高壓線與輸電桿塔等一般位于偏遠的山野地區(qū)，可能會受到周圍生長樹木的侵入干擾；另外，輸電線路較長，分布范圍廣，長期受到雨雪、高溫、臺風(fēng)等氣候因素影響，再加上輸電設(shè)備的不斷老化，這些都會嚴(yán)重干擾高壓輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定工作［1］。因此，對高壓輸電設(shè)備的監(jiān)測和維護工作顯得越發(fā)重要。

長期以來，運維人員多采用人工巡檢或者自動巡檢的方式對輸電線路進行監(jiān)測［2-3］。人工巡檢需要有專業(yè)員工在場才能開展工作，不僅監(jiān)測周期長、工作效率低，還存在監(jiān)測結(jié)果受主觀影響大、無法實時做出大數(shù)據(jù)分析等缺點，在及時預(yù)警方面的效果較差。對于自動巡檢方式，目前主要的實現(xiàn)手段是利用傳感器和視頻圖像相結(jié)合的方式對輸電線路的各項指標(biāo)進行采集并將數(shù)據(jù)通過公共無線網(wǎng)絡(luò)回傳到運維中心［4］，這一方法在通信網(wǎng)絡(luò)良好的情況下是十分有效的；然而，由于許多的高壓輸電設(shè)備位于沒有網(wǎng)絡(luò)的偏遠地區(qū)，數(shù)據(jù)回傳成為自動巡檢工作的一大難題［5］。文獻［6］提出構(gòu)建電力無線專網(wǎng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，但該方案的成本很高，只適用于少數(shù)重要場景。文獻［7］提出采用北斗短報文機制來傳輸輸電線路的覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)，但由于北斗短報文所利用的衛(wèi)星信道資源十分有限，只有很小的數(shù)據(jù)帶寬，而普通的輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)已經(jīng)大大超出北斗短報文的傳輸能力，因此，這一方案也只適合個別特殊的場合。文獻［8］提出采用 ZigBee 通信技術(shù)，將輸電線舞動幅值、頻率等特征參數(shù)回傳到監(jiān)控中心。ZigBee技術(shù)具有很高的信道容量，足夠傳輸輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)，然而高速傳輸導(dǎo)致ZigBee 的功耗較大，傳輸距離也較短，通常在100 m 左右。因此，如何建立一套有效可靠的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，仍然是高壓輸電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵問 題。

近些年發(fā)展的遠距離無線電（long range radio，LoRa）通信［9］是一種新型的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其功耗極低，傳輸距離可達幾公里，十分適合在偏遠地區(qū)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；而且LoRa的信道容量為數(shù)十千比特，足夠輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)使用。因此，基于LoRa技術(shù)來構(gòu)建偏遠地區(qū)的輸電線路在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點問題［10-11］。本文基于LoRa通信技術(shù)和泛在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，設(shè)計了一套輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)，從軟件和硬件兩個層面研究了高壓輸電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。所設(shè)計的系統(tǒng)能夠檢測溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向以及振動等主要參數(shù)和輸電設(shè)備的運行狀態(tài)，當(dāng)有異常情況發(fā)生時，可及時將異常信息反饋到后端運維中心，對保證電網(wǎng)的整體穩(wěn)定運行具有重要的工程意義。

1 相關(guān)概念

1.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

泛在物聯(lián)是指任何時間、任何地點、任何人、任何物之間的信息連接和交互。由泛在物聯(lián)技術(shù)在電力方面應(yīng)用而產(chǎn)生的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，就是圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應(yīng)用“大、云、物、移、智”（大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能）等現(xiàn)代信息技術(shù)和先進通信技術(shù)［12］，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層4層結(jié)構(gòu)。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of pervasive electric power internet of things

感知層通過傳感器設(shè)備組成的統(tǒng)一感知接口和邊緣智能處理模塊，完成前端數(shù)據(jù)的采集與處理；網(wǎng)絡(luò)層利用電力無線專網(wǎng)、以太網(wǎng)等各種技術(shù)完成電力設(shè)備間的鏈接；平臺層集成了數(shù)據(jù)中心和物聯(lián)網(wǎng)管理中心等系統(tǒng)，可加強數(shù)據(jù)的采集和使用；應(yīng)用層是服務(wù)業(yè)務(wù)及其他綜合互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)和智慧化的新平臺。

全業(yè)務(wù)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)“六全愿景”之一的“全環(huán)節(jié)物物互聯(lián)”涵蓋了電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)度和經(jīng)營管理等各個環(huán)節(jié)［13］。其中，輸電線路狀態(tài)的在線監(jiān)測在全業(yè)務(wù)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)中處于重要的地位。如何構(gòu)建一套高效、可靠的傳輸鏈路來解決監(jiān)測和管理等問題以適應(yīng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的海量終端連接需求是現(xiàn)在亟須研究的熱點問題之一。

1.2 LoRa無線通信技術(shù)

LoRa 是一種采用1 GHz 以下非授權(quán)無線電頻段進行低功耗、超長距離通信的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具有自組織網(wǎng)絡(luò)特性，可以實現(xiàn)15～30 km 的傳輸距離，最大可達到百萬級的接入節(jié)點個數(shù)，是現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中建設(shè)成本最低的，被廣泛應(yīng)用在智慧建筑，智慧農(nóng)業(yè)和智慧電表等領(lǐng)域［14-15］。

LoRa 無線技術(shù)區(qū)別于頻移鍵控（frequency-shift keying，F(xiàn)SK）、二 進制相移鍵控（binary phase shift keying，BPSK）和高斯最小頻移鍵控（Gaussian filtered minimum shift keying，GMSK）等調(diào)制方式，其采用了線性擴頻調(diào)制，在與FSK功耗相當(dāng)?shù)耐瑫r，通信距離約為FSK的3倍。目前基于LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要是LoRaWAN協(xié)議。LoRaWAN網(wǎng)關(guān)可以對多個結(jié)點的信息進行并行的接收和處理，并且由于其通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用了星狀網(wǎng)絡(luò)，與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)相比，其結(jié)構(gòu)簡單、易于擴展且延遲更低。另外，LoRa技術(shù)采用了自適應(yīng)的數(shù)據(jù)速率策略，通過大范圍的無線電頻譜并利用高擴頻因子將小容量數(shù)據(jù)進行發(fā)送，能夠有效降低傳輸噪聲干擾和系統(tǒng)功耗。LoRa的另一大優(yōu)勢還在于其工作在無需授權(quán)的免費開放頻段，基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)和終端節(jié)點部署成本低，使其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［16-17］。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于泛在物聯(lián)網(wǎng)LoRa 的高壓輸電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)通過LoRa 終端實現(xiàn)感知層的前端信息采集和傳遞，在網(wǎng)絡(luò)層利用5G 無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖耍趹?yīng)用層上可通過PC 端和APP 端兩種方式對數(shù)據(jù)進行操作，從而實現(xiàn)高壓輸電設(shè)備的在線監(jiān)測。其整體的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括以下3個部分：

圖2 在線監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計Fig.2 Overall design of online monitoring system

（1）前端采集部分。作為整個系統(tǒng)的最底層，前端采集部分的主要功能是信息采集與傳遞。使用如溫濕度、角度、振動、風(fēng)向和風(fēng)速等傳感器對輸電設(shè)備及周圍環(huán)境信息進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)全部傳遞到微控制單元（microcontroller unit，MCU）和邊緣計算模塊進行預(yù)處理，然后保留有效數(shù)據(jù)繼續(xù)向后傳遞。

（2）通信部分。該部分包含LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)和5G通信兩大模塊，將前端采集到的數(shù)據(jù)通過LoRa技術(shù)傳遞到LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)中，并通過5G 技術(shù)將LoRaWAN網(wǎng)關(guān)中的數(shù)據(jù)包向上傳遞到服務(wù)器平臺端。其中應(yīng)用層選擇MQTT 協(xié)議［18-19］進行傳輸。該協(xié)議是一種基于TCP/IP 的長連接，具有高效并發(fā)雙向通信的特點；同時該協(xié)議開銷比HTTP 協(xié)議的小很多，對不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)有著更高的容忍效率和更低的功耗。

（3）后端智能運檢部分。該部分主要包括處理協(xié)議數(shù)據(jù)包的處理平臺和顯示UI的人機交互界面。處理平臺利用人工智能以及大數(shù)據(jù)等相關(guān)的技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)進行處理。Fusion 平臺為一個使用基于Redis 和MySQL 技術(shù)共同開發(fā)的既可以實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)庫功能又可以實現(xiàn)緩存分布的混合型數(shù)據(jù)平臺。后期，隨著一體化“國網(wǎng)云”平臺的建設(shè)，可以直接將后端智能運檢數(shù)據(jù)移入Fusion平臺。

3 前端硬件設(shè)計

在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要集中在前端采集部分，如圖3 所示。該部分包括傳感器組、電源模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、邊緣計算模塊、MCU 單元、狀態(tài)解析模塊和LoRa 通信模塊。傳感器組中，溫度與濕度傳感器用于對環(huán)境溫度、濕度進行采集，角度傳感器對輸電桿塔傾斜度進行測量，振動傳感器對導(dǎo)線舞動進行監(jiān)測；另外，風(fēng)向、風(fēng)速傳感器用于測量風(fēng)的方向與大小。電源模塊負責(zé)給整個系統(tǒng)供電，其采用太陽能電磁和蓄電池組合供電的模式，使系統(tǒng)在惡劣天氣下也能正常續(xù)航。A/D 轉(zhuǎn)換模塊的作用是將傳感器中模擬信號量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號量以供MCU使用。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)硬件功能框圖Fig.3 Hardware function block diagram of monitoring system

MCU模塊是整個硬件電路的核心，為了滿足計算的需要，本文選擇意法半導(dǎo)體公司的STM32F205 芯片。該芯片是一款基于ARM Cortex-M3架構(gòu)的高性能MCU，具有先進連接功能和加密功能的Flash存儲器，其整合了1 MiB Flash存儲器、128 KiB SRAM、以太網(wǎng)MAC、USB 2.0 HS OTG、照相機接口、硬件加密支持和外部存儲器接口。邊緣計算模塊對MCU模塊的數(shù)據(jù)進行初步加工，通過拉取在線緩存中的最近一次數(shù)據(jù)，不僅保留有效數(shù)據(jù)打包上傳，還可以利用人工智能中相關(guān)線性預(yù)測技術(shù)預(yù)測數(shù)據(jù)走向，在降低線路傳輸?shù)拈_銷的同時還緩解了處理平臺處理海量數(shù)據(jù)的壓力。最終，通過LoRa 通信模塊組成終端節(jié)點，實現(xiàn)無線傳感器之間的通信。

4 軟件設(shè)計

在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計對整個系統(tǒng)具體功能的實現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。因為應(yīng)用在高壓輸電設(shè)備這一特殊的場景，周圍外環(huán)境的變化和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的波動都會對系統(tǒng)的健壯性提出嚴(yán)格的要求，因此系統(tǒng)軟件設(shè)計的合理性和穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。下面主要對數(shù)據(jù)采集和傳輸軟件以及終端控制件進行說明。

4.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸

前端采集部分的軟件工作流程如圖4所示，具體如下：

圖4 前端采集部分軟件工作流程Fig.4 Software workflow diagram for front end collection

（1）初始化前端采集部分，即讓傳感器組、MCU模塊和LoRa 模塊上電，確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和LoRa模塊建立有效的數(shù)據(jù)鏈路。

（2）判斷初始化工作是否成功執(zhí)行，初始化成功完成后開始定時任務(wù)的計時和APP端請求的監(jiān)聽，失敗就重新發(fā)起指令。

（3）循環(huán)等待定時任務(wù)時間到達或者APP端傳來請求。請求到達時，傳感器開始采集數(shù)據(jù)，并阻塞另一個任務(wù)。這種方式能降低節(jié)點的開銷，使得整個系統(tǒng)的工作時間延長。

（4）判斷數(shù)據(jù)是否采集完成，采集完成之后就交給A/D 轉(zhuǎn)化模塊以進一步將模擬信號處理為MCU 可執(zhí)行的數(shù)字信號，沒有則繼續(xù)進行采集。

（5）將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳入邊緣計算模塊，在該模塊中完成對數(shù)據(jù)的初步加工處理，丟棄無用的字段，進一步降低傳輸過程中鏈路消耗。

（6）將數(shù)據(jù)傳入LoRa模塊中，準(zhǔn)備通過網(wǎng)關(guān)進行遠距離無線通信傳輸。

前端采集部分中有一個重要的降低開銷的環(huán)節(jié)是使用邊緣計算模塊來對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理（圖5），具體步驟如下：

圖5 邊緣計算部分工作流程Fig.5 Workflow diagram of edge computing

（1）判斷傳入的數(shù)據(jù)值是否為有效值。如果是無效值，如空值，則可能是傳感器組或者A/D轉(zhuǎn)換模塊存在異常，此時打印出異常報告。

（2）從服務(wù)端的緩存中獲取最近的緩存數(shù)據(jù)，判斷值是否發(fā)生變化。如果沒有發(fā)生變化，就將傳入的數(shù)據(jù)丟棄，只保留一個更新時間即可；如果傳入的值發(fā)生了變化，就將傳入的數(shù)據(jù)保存，這樣的值才是真正需要傳遞的有效值。

（3）將上述的結(jié)果寫入LoRa模塊，在網(wǎng)關(guān)中傳輸。

同時，邊緣計算部分也可以結(jié)合人工智能技術(shù)，利用算子對結(jié)果進行預(yù)測，分析其在此環(huán)境下可能的變化趨勢。該模塊能夠提高傳輸數(shù)據(jù)的有效性，降低平臺的數(shù)據(jù)量。

4.2 終端控制

LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)與后端服務(wù)器之間通過當(dāng)前最先進的5G 公共無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。5G 通信技術(shù)傳輸時延小、帶寬高，在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中具有最廣闊的應(yīng)用前景［20］。本系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議族中的消息隊列遙測傳輸（message queuing telemetry transport，MQTT）協(xié)議，這是一種基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱的協(xié)議［21］，能夠在硬件性能低下或網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況下正常地工作。本文設(shè)計的通過MQTT 來實現(xiàn)對LoRa 終端設(shè)備遠程控制的方案如圖6所示。

圖6 MQTT 控制LoRa 終端工作流程Fig.6 Workflow diagram for MQTT to control LoRa terminal

首先，設(shè)置數(shù)據(jù)包過濾，如果是發(fā)送采集傳感器的報文，就加載生成對應(yīng)的數(shù)據(jù)封裝（payload）；否則，進入休眠狀態(tài)。接著，通過串行外設(shè)接口將組裝好的發(fā)送報文寫入FIFO接口。為了避免直接發(fā)送存在丟包的問題，先執(zhí)行信道監(jiān)聽退避算法。如果信道空閑則執(zhí)行發(fā)送，信道繁忙就執(zhí)行退避，再隨機選擇一段時間進行嘗試；嘗試成功時發(fā)送報文，失敗時記錄失敗次數(shù)，當(dāng)失敗次數(shù)達到閾值時進入休眠狀態(tài)。對于發(fā)送出來的數(shù)據(jù)報文，只要下端的采集終端訂閱了相同的payload，那么就能接受并解析到相應(yīng)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)的指令。

5 系統(tǒng)測試

為了評估系統(tǒng)整體設(shè)計思路的可行性，通過現(xiàn)場實驗進行驗證。將10套前端采集系統(tǒng)部署在某條高壓輸電線路的多個輸電設(shè)備上，采集溫度、濕度、振動等多項指標(biāo)數(shù)據(jù)，并在運行一個月后統(tǒng)計各項指標(biāo)數(shù)據(jù)被成功傳輸?shù)母怕剩Y(jié)果如表1 所示。可以看出，系統(tǒng)對大部分設(shè)備的指標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸成功率保持在90%以上，各項指標(biāo)平均傳輸成功率高于95%，有9套設(shè)備的在線率指標(biāo)傳輸成功率高于90%。

表1 LoRa 模塊各項指標(biāo)的傳輸成功率統(tǒng)計Table 1 Statistics on the transmission success rate of various indicators in the LoRa module

將本文方案與現(xiàn)有技術(shù)方案進行對比，結(jié)果如表2所示。可以看出，本文方案的傳輸速度在20～100 kbit/s之間，在所有方案中達到了最快的傳輸速度，且丟包率、傳輸時延和平均耗時分別為1.60%、0.27 s和60 s，均為最低值。另外，本文方案的待機功耗為0.000 3 mA，只比LoRa 方案高0.000 1 mA，比NB-IOT 和ZigBee 方案要低兩個數(shù)量級。這證明了本文方案的性能優(yōu)于目前現(xiàn)有的其他技術(shù)方案。

表2 本文方案和現(xiàn)有技術(shù)方案的性能對比Table 2 Comparison between the proposed solution and existing technology in this article

6 結(jié)束語

高壓輸電設(shè)備的穩(wěn)定工作是電網(wǎng)正常運行的重要基礎(chǔ)。本文設(shè)計了一種基于泛在物聯(lián)網(wǎng)LoRa技術(shù)的高壓輸電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)。其通過傳感器采集數(shù)據(jù)、邊緣計算模塊預(yù)處理、LoRa 技術(shù)對數(shù)據(jù)進行傳輸，并通過5G 技術(shù)將數(shù)據(jù)包傳遞至服務(wù)器端來實現(xiàn)在線監(jiān)測功能。實驗結(jié)果表明，采用本文設(shè)計方案，高壓輸電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的傳輸性能，同時平臺的平均耗時和功耗等指標(biāo)也表現(xiàn)良好，能夠?qū)崿F(xiàn)對地理位置偏遠、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差條件下的高壓輸電設(shè)備進行遠距離、低功耗、高可靠的在線監(jiān)控。對于前端有多個LoRa 終端、需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，下一步將通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)編碼等方法研究網(wǎng)絡(luò)傳輸模型，進一步提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率、降低網(wǎng)絡(luò)的功耗。