基于窄带物联网技术的电力井感知网络构建

2018-10-30张晓宇宋志成

江西电力 2018年10期

喻旻，何峰，徐俊，张晓宇，宋志成

（国网江西省电力有限公司鹰潭供电分公司，江西鹰潭 335000）

0 引言

随着国家城市化进程的深入，配电网电缆化率也节节攀升。而近年来，关于电力井的安全事故屡有发生，主要集中在行人误坠、井下起火、井内电缆被盗[2]等几方面，造成了难以估量的经济损失和恶劣的社会影响。

面对日趋严峻的安全形势，加强电力井运维的重要性日益凸显[3-4]。然而现阶段面临以下几点问题：一是运维人员不足。以江西省内某地市公司城网为例，10 kV电力井近1500座，运维人员人均运维量超200座；二是巡检效率低下。面对星罗密布的电力井，运维人员只有通过季度巡视或群众反映才可得知其异常工况，无法及时发现处理隐患；三是巡检质量脱管。运维人员在对电力井进行下井巡视、更换井盖、抽水清淤等运维工作后，管理人员无从得知现场运维效果。因此有必要设计一套智能化感知系统，实现对电力井各项指标的动态捕捉、告警和预判。

目前国内已有基于GPRS通讯，通过温度探针、加速度传感器、超声波等传感装置进行井下监测的系统[5]，但均存在井下3G/4G信号差、传感器可靠性低、功耗较大、安装困难、成本偏高等缺点。且多数为独立的动力环境系统，未实现与配电网电气量数据的联动，也未考虑与智能化供电服务指挥系统业务融合。为了解决上述问题，本文设计了一套基于NB-IoT技术的电力井感知网络。

1 NB-IoT技术优势

本文构建的感知网络选用近年来新兴的NB-IoT技术进行信息传输组网，充分发挥其覆盖强、连接大、功耗低、架构优、成本小的技术优势，与井下各类传感器数据传输需求高度契合，是电力井感知网络得以实现的关键。其优势总结如下（见图1）。

1.1 深度覆盖

相比传统全球移动通信系统（GSM）网络，NB-IoT可以提供20 dB的覆盖增益，覆盖面积扩大4倍，信号可穿透几面墙直达地下5 m，可解决井下传感器信号回传问题。

1.2 超低功耗

NB-IoT由于聚焦小数据量、小速率应用，功耗非常小，正常通信和待机电流是mA和μA级别，相当于传统通信系统功耗的十分之一。这使得传感器整体功耗进一步下降，摆脱外接电源（如互感器、光伏板等）的束缚，使用一次性锂电池即可实现待机时间5~8年。

1.3 优良架构

NB-IoT可直接在原4G FDD基站上升级实现部署，且终端无需网关支持，可实现单个传感器数据的独立上传，这一举打破了传感器终端（Zig-Bee）与汇聚单元（GPRS通信）的传统组合模式，压缩了信息传输层级，大幅提高回传速率。

1.4 安全质量

相较同为LPWAN（低功耗广域物联网）的LoRa，NB-IoT由3GPP标准定义，于主流运行商授权频段部署，具有安全性高、传输质量佳的优点，更适用于电力行业监测数据的高安全性、高保真性的要求。

1.5 成本低廉

目前NB-IoT模组成本单价在35元左右，相比3G/4G模组已有显著的成本优势，随着芯片产业链的形成，未来有可能进一步降低到7元，且通讯资费每月仅需1元，综合成本低廉，非常适合规模扩大。

图1 NB-IoT技术优势

2 系统总体架构

本文构建的感知网络由感知采集层、信息传输层、综合分析层、前端应用层构成（见图2），各层组成及功能如下：

2.1 感知采集层

由安装于电力井中的各类传感单元组成，以一座电缆中间接头检修井为例，井口位置装设有井盖开合传感器、井壁装设环境温湿度传感器、井底布设水位及有害气体传感器、电缆中间接头表皮装设温度传感器，实现对电力井各类非电气量全方位监测[6]。传感器设计遵循耐用可靠、低功耗、低成本的原则，具备异常数据（如井盖异常开启、井内温度越限等）实时报警、普通数据（井内日常温湿度等）定点收集的功能。

2.2 信息传输层

基于NB-IoT进行组网，每个底层传感器都配有NB-IoT通讯模块，充分利用NB-IoT强大的连接能力（单小区5万接入）和信号覆盖能力（较4G网络20dB增益，地下5 m信号覆盖），实现感知采集层数据独立上传运营商物联网云端服务器，再通过VPN传输至综合分析层。

2.3 综合分析层

在配电自动化主站的Ⅲ区搭建物联网接入分析平台，实现感知采集层数据的接入、解码与分类，异常数据报警直接推送至前端应用层，普通数据由配电自动化主站进行大数据积累和对比分析，分析结果推送至前端应用层。

2.4 前端应用层

由智能供电服务指挥系统和运维人员掌上APP构成，负责将综合分析层推送的电力井工况数据进行地理图全景展示与监控，针对异常数据智能制定巡检路线，自动派发工单至运维人员APP，运维人员按规划路线进行电力井工况检查与消缺处理，结束后在APP端回单，系统可根据井盖开合情况及井内异常状态量是否消除对运维质量进行评价，形成电力井运维数据链闭环。

图2 系统架构拓扑图

3 数据应用与功能实现

通过将井内综合运行工况数据分为异常和普通数据两大类，执行差异化处理逻辑，实现以下功能：

3.1 针对异常类数据快速报警

电力井感知网络在感知层部署了井盖开合和井内温度传感装置（见图3），其中井盖监测装置每10 S检测一次井盖位置信息，且采用多级防误触算法，消除车辆碾压导致井盖震动的误报，确保井盖开启事件的准确判断报警；井内温度监测装置设置有温度越限和温升过快双重报警阈值，温度上限设置为70℃，温度突升设置为20℃/5 min，确保井内火灾隐患不遗漏。该两类报警信号将在1 min内传至系统后台，分析处理后以地理图报警定位的形式推送至运维人员掌上APP，做到实时响应、准确定位。

图3 电缆测温和井盖分合传感器实装图

3.2 针对普通类数据积累分析

电力井感知网络对井内温度[7]、井内水位、电缆中间接头表皮温度等日常数据进行每24 h数据包采样，在综合分析层进行该类非电气量数据的存储积累和挖掘分析，一方面在时间维度和地区维度进行大数据比对分析，实现隐患预判，如同一区域内A、B、C三座电力井，井内温度均在过温限值以内，但B井近一个月内每日平均温升远大于A、C两座井，可推测B井内电缆存在发热隐患[8]；另一方面与电缆线路的负荷、电流等电气量数据交叉验证，运用贝叶斯算法（通过大数据训练更新事件发生的条件概率）逐步推算井下温湿度与电缆中间接头放电隐患之间的相关性，为电缆中间接头故障查找提供数据支撑[9]。

3.3 实现周期巡视到状态巡视的转变

依托对电力井综合工况的在线监测，运维人员不再需要进行电力井周期性巡视，系统将综合分析辖区内各井数据，结合地理图制定巡视策略和规划巡视路径，运维人员可根据掌上APP中工单引导进行状态巡视（见图4），省时省力。

图4 APP使用效果图

3.4 实现运维质量的管控闭环

在运维人员普遍使用掌上APP进行状态巡视后，管理人员可根据APP巡视轨迹和井盖开合时间评定运维人员巡视到位率，再根据电力井异常状态量消除情况或APP工单重复出现率考评现场运维质量，有理有据。

4 效益与前景

4.1 经济效益预估

一是有效防范人身设备安全事故。电力井感知网络部署完成后可基本杜绝人员误坠井、井内电缆被盗、井内火灾蔓延等安全隐患，有效避免人身、设备损失。以江西省内某地市公司为例，据不完全统计，每年因人员、车辆误坠井发生的经济赔偿达数万元，因电缆盗窃造成的经济损失达十余万元，因井下电力火灾（如中间接头发热爆炸）造成经济损失达五万元。按此估算每年可避免10 kV电缆网经济损失4.3万/百公里，折算至全省每年可避免损失135万元左右。

二是大幅节省人力成本。项目实施后，电力井由周期性巡视转为状态巡视，初步计算每百公里电缆通道每季度可节约巡视人员36人次，另一方面可节约未投运电缆的防盗看守费用每座电力井每天近300元。

三是综合造价优势明显。随着国际物联网浪潮的到来，各类传感器、MCU、NB-IoT通信芯片出货量暴增，其价格走势基本遵循摩尔定律（约每隔18-24个月同性能的集成电路价格将下降一倍），如本项目已研发成功的电缆中间接头测温装置和智能井盖监测装置综合造价均在千元之内，规模化生产摊销研发费用后可低至300~500元，且免维护运行周期在5年以上，具有很大的推广潜力。

4.2 市场推广前景

随着国家城市化进程的大步迈进，电力井等基础设施的日益增加与运维人员结构性缺员之间的矛盾将长期存在。在“万物互联”的大趋势下，电力井感知网络具有架构清晰、部署快捷、效用明显、投入合理等优点，着力于解决电力井运维的核心安全问题，消除隐患盲区，适合在全国范围内电缆覆盖率30%以上的城镇等区域推广，还可应用于地下开闭所、配电室等场所，为配网电缆精益化管理提供了新的技术手段。