基于LoRa技术的电缆无线连续测温方法

焦莉平+庞成鑫

摘 要：提出了基于LoRa技术的无线连续测温方法，应用于电缆的表面测温。利用数字温度传感器与LoRa射频模块相结合来测量电缆表面温度并且发送与接收信号。利用LoRa网关将终端的数据上传，利用3G/4G技术传输到客户服务端。将数据进行处理，判断并预测电缆接头以及电缆本体的状态，从而达到实时连续的监测电缆温度，为运行维护提供依据。

关键词：LoRa；长距离；低功耗；电缆；无线测温

中图分类号：TM855 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0104-02

引言

随着电压等级的不断提高和电力系统中电力电缆使用的增多，电缆线路运行状态的监测就显得越来越重要。而电缆线路的运行维护存在着检修安装人员数量不足以及检修工程量大的问题[1]，电力电缆的状态监测亟需技术支持，以实时得到电缆的运行状态来得出相应的运行维护策略。

电缆运行状态监测的重要参数是导体温度，这也是决定电缆寿命和载流量的重要依据[2]。实验研究表明，電缆温度能够较为准确的反映出电缆的绝缘状况并确定其载流量[3]，因

此，快速、准确确定电缆温度分布具有重要意义。

目前电缆测温技术主要有无线测温、红外、光纤光缆、线性测温电缆，其中红外分为红外线性温度测试仪、红外热成像仪[4-6]。红外线温度测试仪与红外热成像仪技术均需要人为的使用仪器到现场测量电缆某一局部的温度分布，成本高需要大量人力、且不能实时监测。光纤光缆测温技术对于目前已经敷设的电缆来说价格较高，且只能使用在被测电缆敷设完好的情况下，电缆断裂或故障起火导致光纤断裂后，则该线路无法继续监测。线性测温电缆所检测的温度是区域性的，无法确定是电缆哪个部位出现问题，且需要较多的通讯电缆。无线测温技术具有良好的绝缘性和抗电磁干扰的性能，机动性强，灵活性好因此实用性较强，正在逐渐被认可使用。

LoRa全称是“Long Rang”，是基于扩频技术的，在1GHz以下的超长距离低功耗的数据传输技术[8]。其工作在非授权频段，利于组建私有网络，不需额外付费[9]。传输速率较低，一般为0.3～50kb/s，这有利于延长电池寿命。信号穿透能力强，且采用Chirp扩频调制，具有很好的抗干扰性能与长距离传输性能，地面上的传输距离超过15km被广泛应用于军事和航天通信。LoRaWAN网络服务器采用速率自适应（ADR）方案来控制服务器与终端的通信。LoRa技术的这些特点使得其特别适用于低成本大规模的物联网部署。目前，已在世界56个国家开始试点或部署[9]。因此，将该技术应用于电缆无线测温将会使得检测系统更先进、更简单。

本文提出一种基于LoRa技术的电缆无线连续测温的方法，该方法总结并利用了电缆以往的运行管理经验，通过传感器实时监测电缆接头、电缆本体的温度，进而判断电缆的运行状况，在大数据的基础上建立基于不同数学模型的预测报警体系，及时发现问题，降低经济损失。

1 系统方案设计

基于LoRa的电缆无线连续测温系统的设计如图1所示。

本系统由以下几部分组成：第一部分，终端节点。这部分由温度传感器与LoRa终端模块组成。主要完成测量电缆表面温度以及将温度数据上传、以及接受任意时刻测量温度下行命令的作用。其中，温度传感器选用TSYS01， LoRa终端模块中射频模块选用SX1276，MCU模块选用STM32L073模块。第二部分为LoRa网关。LoRa网关需要遵循LoRaWAN协议，并且要有以太网口、WIFI模块以及4G/3G模块，以便于按照实际情况，自由选择网关与网络服务器或云端服务器之间的通信方式。电缆敷设距离长、范围广，因此可以在需要的地方设置小网关，增加系统的灵活性与可靠性。第三部分，网络服务器或者云端服务器。在这里将电缆温度信息汇聚以及处理。第四部分，客户端服务中心。web页面以及手机APP，以利于监控中心的人员试试了解电缆状况。将电缆的温度数据进行分析，得出电缆的运行状态，并且录入预测模型，预测电缆的运行状态以达到快速准确反映电缆状态以及为运行维护提供预测建议的目的。

2 终端节点设计

终端节点是系统的基础单元，负责测量电缆温度，并且进行预处理后将数据传输到网关。本系统的终端节点设计如图2所示。

3 监控系统设计

监控系统的主要作用是对传感器节点数据进行管理，并且给出电缆的状态分析。同时，监控系统还可以实时查看某一电缆线路的运行状态，进行远程实时监测。在数据经过分析处理后，对电缆状态进行评价与预测，并且对危险状态报警，对预警状态提出警报，让运维人员可以方便、高效、准确的对电缆进行维护。

国家电网运维规程及国际大电网多个专题报告中，针对电缆线路的健康状况，在进行量化分析时常用1、2、3、4来衡量，国网电缆线路状态导则中将状态分为正常、注意、异常和严重这四个等级[5]。监控系统依据对传感器节点采集到的数据的分析，得出电缆运行状态，并且对电缆运行非正常状态提出警报，引起运维人员注意。

4 预警数学模型

电缆表面温度无法直接反应电缆的运行状态，必须知道导体温度，才可以进行判断。电力电缆运行中导体的温度是确定电缆是否达到载流量的依据[10]。根据电缆实时表面温度结合数学模型，可以判断电缆是否达到甚至超过载流量，从而得到电缆暂态的数学模型，从而满足工程与实际需要。

本文通过电缆热路简化模型推导出电缆表面温度与导体温度的关系，依据系统监测到的数据，得出理论计算下电缆导体暂态温度。

本文以110kV XLPE电缆为例，给出简化的暂态热路模型，如图3所示。

其中，Qi为电缆各层损耗，Ci为电缆各层热热容，Ti为电缆各层温度，Ri为电缆各层热阻。

针对图3模型列写节点电压方程，得：

对式（1）-（5）进行积分得：

其中，T1（t）为导体实时温度，g（Ti0）为暂态时电缆各层初始温度，σ（T6）为电缆表面温度。

5 结束语

本文设计了一套基于LoRa技术的无线电缆表面测温系统。该系统应用了LoRa长距离低功耗的传输技术，结合低功耗出数字传感器设计了监测终端，并且利用LoRa网关以及3G/4G技术与客户服务端通信从而达到检测的目的。结合电缆的热路模型，利用测得的电缆表面温度得到电缆导体温度，进而得知电缆的暂态温度，达到实时监控的目的。

参考文献：

[1]周承科，李明贞，王航，等.电力电缆资产的状态评估与运维决策综述[J].高电压技术，2016（08）：2353-2362.

[2]吕安强，寇欣，尹成群，等.三芯海底电缆中复合光纤与导体温度关系建模[J].电工技术学报，2016（18）.

[3]王有元，陈仁刚，陈伟根，等.有限元法计算地下电缆稳态温度场及其影响因素[J].高电压技术，2009（12）.

[4]徐元哲，王乐天，刘雪冬，等.电力电缆接头测温系统的设计[J].高电压技术，2009（12）：2977-2982.

[5]江超.基于LoRa的物联网技术分析[M].清华出版社，2013，5.

[6]顾志铭.基于Zigbee的高压电力电缆温度监测系统的设计与实现[D].上海交通大学，2012.

[7]王慧.电力电缆光纤拉曼测温系统数据处理方法的研究[D].辽宁工业大学，2017.

[8]吴方亮，吴加伦，陈宇.线性测温电缆的应用[J].仪器仪表用户，2017（01）：73-75.

[9]王阳，温向明，路兆铭，等.新兴物联网技术——LoRa[J].信息通信技术，2017（01）：55-59+72.

[10]刘刚，雷成华，刘毅刚.根据电缆表面温度推算导体温度的热路简化模型暂态误差分析[J].电网技术，2011（04）：212-217.endprint