基于低功耗广域传感器网络的变电站关键设备温度在线监测系统研究

杨博 金佳奔 张煦 顾晓峰

摘要：变电站作为电力系统的重要组成部分，其关键设备的温度关系着系统是否正常运行，一般情况下采用人工巡检测量的方法监测温度，费时费力，而且有些内部设备不能进行测量。现通过研究低功耗广域网通信技术在变电站关键设备温度监测、管理、运行、维护等方面的应用，提出了一种基于低功耗广域传感器网络的变电站关键设备温度监测系统，其目的是实现变电站内高压进线、变压器、高压断路器柜、隔离开关、电缆搭头和电容器室等设备的在线温度监测、报警等功能。

关键词：低功耗广域通信;物联网;变电站;温度监测;智能化管理

0    引言

物联网是涉及多学科、知识高度集成的前沿热点研究领域，其快速发展对无线通信技术提出了更高的要求，专为远距离、低功耗、密集终端通信而设计的低功耗广域网也快速兴起[1]。本文在变电站高压断路器柜等关键设备温度监测领域，采用低功耗广域网通信技术进行温度监测系统的构建，充分利用其覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗小等特点，提高电力测温系统性能，并降低运维成本。

本系统采用低功耗广域物联网技术（LoRa）[2]对变电站的高压进线、变压器、高压断路器柜、隔离开关、电缆搭头和电容器室等关键设备的温度实现智能化管理，实现温度信息的在线监测、实时显示、预警报警等综合智能化信息管理，更加智能、无漏警、无虚警地实现告警信号采集与处理，满足智能变电站的设备运行管理要求。

目前电力无线测温通常采用ZigBee通信技术[3]，其特点是通信距离短、功耗低，通过MESH多跳组网，实现终端数据到通信中继或通信基站的数据传输。ZigBee通信技术采用2.4 GHz工作频段，会对Wi-Fi信号产生干扰，目前电力系统在推广专用Wi-Fi通信网络，所以采用ZigBee技术的无线测温设备会导致其与其他采用Wi-Fi网络通信的电力设备产生通信干扰，不仅影响测温数据的正常传输，还会影响到其他设备的正常通信[4]。

本系统首次将长距离、低功耗（LoRa）物联网技术在智能变电温度监测领域进行规模应用和实践研究，通过研究长距离、低功耗传感器网络的结构、传输协议和路由算法，填补长距离、低功耗物联网络技术在智能变电监测领域大规模集成应用的空白，验证其网络传输可靠性和数据安全性。

1    低功耗广域无线测温系统架构

本系统由无线温度传感器、传感网络通信基站、温度管理平台等组成，可以实时监测高压设备工作温度。系统测量的设备温度数据可在温度管理平台进行综合比较分析，如当前数据与历史数据、当前设备温度数据与环境温度数据、同类设备相间温度数据的实时比较。通过多数据的融合分析，可有效提高数据的准确性和可靠性。系统结构如图1所示。

该系统中，无线温度传感器采用低功耗MCU控制和处理技术，抗干扰能力强。设备天线采用特殊定制的平板天线，避免了普通鞭状天线在高压环境下容易尖端放电的缺陷，适宜在高压环境下运行;传感网络通信基站，负责自动接收无线温度传感器所发送的温度数据，并可通过以太网/3G/4G上传到监测管理中心。基站收到温度管理平台的召唤数据指令后，可上传监测点温度数据。通信基站采用单跳星型网络与温度传感器通信，实现对传感器的温度数据采集和命令发布。单基站的传感器管理容量大（可管理上万个无线传感器）[5-6]，系统扩展性强。温度管理平台具有在线采集并分析现场温度的功能，保障了电力设备稳定运行。

2    系统技术特点

系统中的无线测温终端与通信基站采用星型网络结构，终端与基站间采用低功耗广域通信技术，该技术以低功耗和长距离通信为特点，实现终端大容量、广域无线通信覆盖。本文主要介绍无线测温传感器的低功耗技术、低功耗广域网络的抗干扰技术以及系统的无线通信安全技术。

2.1    低功耗设计

无线传感器网络的节点数量大、电池小、能量有限，而传感器网络覆盖区域大，如何设计合适的通信机制并实现能源高效利用是无线传感器网络设计面临的难题[7]。

首先终端传感器的功耗需要降低，在硬件和软件协同方面系统地研究无线传感器的低功耗设计策略。在硬件方面主要是对低功耗射频唤醒机制、动态功率管理和动态电压调节技术以及射频器件、微处理器等器件的选择和电源管理策略等方面进行研究，在软件方面主要是对低功耗传感网络协议、节点级低功耗数据融合算法等方面进行研究。通过软硬件低功耗设计，实现节点休眠功耗1 μAh，平均功耗低于5 μAh，如果供电电池为500 mAh，则节点寿命可达10年以上，即可满足大多数工业应用需求。无线测温传感器功能框架如图2所示。

我们针对变电站高压带电设備无线温度传感器的低功耗设计技术进行了大量研究。由于高压带电设备的无线温度传感器具有无法随意更换电池以及电力检修周期较长等特点，本设计在长寿命一次性电池供电和环境获取能源技术、超低功耗路由算法、动态心跳占空比等方面进行了深入研究，设计的低功耗传感节点满足电力无线传感器网络对监测周期的要求和节点功耗最低化的要求。

2.1.1    低功耗射频唤醒机制研究

传感器节点主要包括传感器模块、无线通信模块和处理器。处理器和传感器模块的功耗由于工艺进步变得很低，无线通信模块功耗还是很高的，因此需要重点研究通信模块的节能。本设计提出了一种低功耗唤醒机制，通过采用低功耗的射频唤醒电路，感知其他节点唤醒请求，从而唤醒通信模块和MCU来响应其他节点的请求，满足无线传感器网络的低功耗与实时性要求。

2.1.2    动态功率管理和动态电压调节技术研究

系统的技术指标包括驱动能力、稳定性、处理速度、线性度等，如果是非关键指标，可以根据传感器需求，降低技术指标来减少系统功耗。

[3] 张颖超，吴嘉伦，李俊.基于Zigbee电力电缆接头远程温度监测系统研究[J].电测与仪表，2014（16）：103-107.

[4] 吴江一.变电站设备无线温度监测系统的研究与应用[D].保定：华北电力大学，2014.

[5] PETAJAJARVI J，MIKHAYLOV K，ROIVAINEN A，et al.On the coverage of LPWANs：range evaluation and channel attenuation model for LoRa technology[C]// 2015 14th International Conference on ITS Telecommunications （ITST），2015：55-59.

[6] MIKHAYLOV K，PETAEJAEJAERVI J，HAENNINEN T.Analysis of Capacity and Scalability of the LoRa Low Power Wide Area Network Technology[C]// European Wireless 2016， 22th European Wireless Conference，2016：119-124.

[7] COSTA M，FARRELL T，DOYLE L.On energy efficiency and lifetime in low power wide area network for the Internet of Things[C]//2017 IEEE Conference on Standards for Communications and Networking （CSCN）， 2017：258-263.

[8] 張万生，万稳战.数据融合在厂用变电站智能辅助系统管控平台中的研究与应用[J].电气技术，2014（2）：48-52.

[9] 陈治国，袁雪莲，张文杰.基于Chirp信号跳频调制的超宽带通信系统设计[J].通信技术，2007，40（9）：15-17.

[10] 孙嘉.Chirp超宽带通信的调制和时间同步技术研究[D].成都：电子科技大学，2009.

[11] Internet of Things：Privacy and Security in a Conn-ected World[Z].Federal Trade Commission，2015.

[12] LoRaWANTM 1.1 Specification 2[Z].LoRa Alliance，Inc.， 2017.

收稿日期：2020-04-16

作者简介：杨博（1991—），男，河南新郑人，硕士，工程师，研究方向：电力物联网。

金佳奔（1991—），男，江苏无锡人，工程师，研究方向：变电设备智能运检。

张煦（1986—），男，湖南隆回人，硕士，工程师，研究方向：电力系统规划。