物联网传感和无线组网技术在电力设备状态感知中的应用

袁涤非

（南京国电南自电网自动化有限公司，江苏 南京 211153）

0 引 言

为了实现“碳达峰、碳中和”，构建以新能源为主体的新型电力系统成为电力行业落实“双碳”目标的具体部署，储能是支持新型电力系统建设的核心[1]。未来以光伏和风电为代表的新能源发电与装机占比将会大幅提升。同时，为了提升新能源的消纳能力，配置一定比例的储能系统已成为行业趋势。

为保障电力设备的运行安全，需要及时掌握设备的运行状态。新能源电站大部分位于我国“三北”地区与沿海地区，地理位置相对偏远，设备运行环境比较恶劣，运维人员日常值守及运检不方便。为此，需要研究新型运维技术，提升对电力设备状态监测的效率。本文探讨物联网（Internet of Things，IoT）传感和无线组网技术在电力设备状态感知中的应用技术，并介绍了实际工程案例。

1 低功耗广域网技术

在物联网中，无线通信技术得到了越来越广泛的应用。根据技术特点的不同，可以将无线通信技术划分为两种主要类型，一种是以4G、5G技术为代表的广域网通信技术，另一种是以蓝牙、无线网络通信技术（Wireless Fidelity，WiFi）等为代表的局域网通信技术。上述两种技术各有优缺点，其中广域网通信技术输送距离远，效率高，但对设备的功耗要求高，同时产生的费用也较高。而局域网通信技术功耗低，但传输距离短，在很多应用场合不能满足使用要求。为了解决传输距离与功耗之间的矛盾，低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技术应运而生。这一技术在保证较长距离通信的基础上，保持了较低的设备功耗，弥补了传统广域网通信和局域网通信的不足，非常适于小数据量长距离通信的应用场景[2]。

在低功耗广域网络中，又存在多种技术方案。远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）技术就是其中具有代表性的一种。这是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，其采用线性调整扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）技术的调制方式，特点是抗干扰能力强，接收信号的灵敏度最低可以到-142 dBm，信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）可以达到-20 dB[3]。相对目前常用的频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）通信方式，LoRa技术在链路预算上提高了10 dB以上，同时抗干扰能力大大增强。此外，由于采用扩展调制，LoRa技术在终端模组的时钟精度要求大大降低。

除了基础的物理层技术外，LoRa网络规范还包含了LoRaWAN开放层协议。LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通信协议和系统架构。

典型的LoRaWAN网络架构通常由3部分组成，分别是终端、网关以及服务器，架构如图1所示。网关在LoRa系统中起中继作用，连接终端节点和服务器。终端通过星型网络与网关节点连接，将数据上送，网关将收到的数据通过传输控制协议/互联协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）向服务器转发。在该系统中，网关可以根据传输距离的需要进行多级配置，当与终端之间的距离满足LoRa技术的传输要求时，可以通过LoRa射频进行单跳通信。而当终端和网关之间距离过长时，可采用多级网关中继的方式，将下级网关的信号传输到上级网关，从而实现更远距离的信号传输。

图1 LoRaWAN网络架构

相比较传统通信技术和其他低功耗广域网技术，LoRa技术有以下两个主要优势。第一个优势是通信距离远、组网成本低。与以窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）为代表的其他低功耗广域网技术相比，在发射功率相同的前提下，LoRa网关与终端节点之间具有更长的通信距离。由于LoRa技术是在免费的非授权频谱上工作，其LoRaWAN协议标准支持的应用程序成本相对低很多，终端节点和基础设备建设的成本也更低[4]。第二个优势是设备功耗低、灵敏度高。为了降低设备功耗，LoRa技术采用了数据速率自适应的策略，针对数据量传输较少的应用场景，适当降低数据传输速率[5]。同时，LoRa通过提高接收机灵敏度的方式降低发射功率，从而有效地降低了功耗。据测试，其接收电流低至10 mA，休眠电流小于200 μA，这对延长电池的使用寿命起到了重要作用[6]。

LoRa技术在需要长距离、低功耗传输的物联网领域，特别是对数据传输数量和频度要求较低的场合具有突出的优势，具备大规模推广应用的前景。

2 物联网感知技术

物联网是在物理世界中部署具有感知、计算能力的传感设备，通过网络实现信息的获取、传输以及处理，从而实现广域范围内信息交互需求的互联[7]。物联网可分为网络层、应用层与感知层，其中感知层由传感器和网关构成，是物理网的基础。

传感器是一种感知器件，能通过自身特性感受被测物体的物理量，并通过一定的规律转换成可测量的信号输出。按照其工作原理，传感器可分为电阻式、电容式以及磁电式等[8]。一般的传感器需要有电源供电，通过数据线将信号传输到处理器，而新能源电站中存在设备布置空间狭小、需要感知的数据众多等特点。因此，需要在一定的空间范围内布置数量较多的传感器，但这增加了传感器的布线及安装难度。

采用LoRa技术的传感器将数据通过LoRaWAN/LinkWAN协议发送到LoRa网关，再传送到服务器，通过无线传输数据节省了数据线。传感器内置电池，无需外接电源线，大大简化了传感器布点的难度。与采用WiFi技术的传感器相比，基于LoRa技术的传感器功耗更低，传输距离更远。WiFi的常见传输距离只有几十米，无法覆盖变电站全域，需要配置大量的路由器。而LoRa的传输距离可达数千米，完全满足新能源电站全站监测的需求，大大减少了需要布置的网关数量，有效地降低了成本。

以某款超声波局部放电传感器为例，开关柜内部出现局部放电现象时放电区域中产生了声波，此时用安装在柜外的非接触式超声波传感器对其进行检测，将声波信号转换为电信号，通过放大器放大后传到采集系统。采用非接触式全向电磁波空间定位检测技术，可无需接触设备360°无线监测设备局放。由于无源无线，可以无需接触设备安装在任意位置，与人工检测方式形成互补，减少设备运行中人力资源的消耗。与采用WiFi技术的同功能传感器相比，其电池待机寿命提升超过10倍，有效使用时间可达5年。

3 电力设备状态感知应用案例

本文以新能源电站中储能设备预制舱的运转状态监测为例，对电力设备状态感知的技术方案进行分析介绍。

为了保障新能源电站的稳定并网，部分地区出台政策，在实际工程中需要按总容量的10%～20%配置储能系统[9]。储能系统设备通常安装于预制舱内，预制舱尺寸与40尺标准集装箱（1 219 mm×2 438 mm×2 896 mm）接近，内部安装储能电池、汇流控制设备、变流设备、环境控制设备以及辅控设备等。根据电池工作原理及特性的要求，需要为储能电池提供稳定的运行环境、温度与湿度，并且实时监测电池及其他相关设备的运行状态，当发现数据异常波动时，采用相应的控制措施，必要时可将电池退出运行。

一台储能预制舱内可集成超过2 MWh的电池，电池模组数量可达200台，电芯数千个。如果采用传统的有线有源传感器模式监测如此多的设备，将会对布线造成很大的困难。因此，在工程应用中采用将物联网传感器和LoRa技术相结合的方式。传感器和辅助设备利用LoRa通信技术功耗低的特点，使用电池供电，不拉市电，具有续航时间长的优点。在工程布点中，可实现施工不拉线，大幅降低了实施成本，提升了监测探头布点的密度。无线组网采用先进的LPWAN技术与现有成熟商用的WiFi、蓝牙等无线通信技术相比，具有功耗低、远距离、成本低以及覆盖面广等优点，适合于在小数据量长距离传输、采用电池供电的物联网终端设备[10]。

舱内物联网无线传感器布置如图2所示，针对储能电站预制舱体及电池模组，在舱内及电池组内布置温度、湿度、烟感、气体、震动以及电气量等无线传感器，在预制舱内设置LoRa无线网关，用于接入各种类型物联网无线传感器。

图2 舱内物联网无线传感器布置

通过传感器采集到的数据还可以通过5G上传到云端核心网，运维人员可利用手持式运维终端或移动终端通过TCP/IP访问云端万维网（World Wide Web，Web）页面和Web服务，查看LoRa数据，实现远程监控、实时运维。

4 结 论

本文研究了低功耗广域网的基本原理及特点，重点分析了基于loRa技术的无线组网方案，同时对物联网传感技术在电力行业的应用进行了介绍。最后结合工程应用案例，介绍了物联网传感和无线组网技术在电力设备运行状态感知中的应用。该方案最大的技术特点是泛在、物联。感知层、网络层以及应用层结构清晰，易于工程部署和实现，易于维护。通过物联网传感和无线组网技术的结合，可以有效解决目前新能源电站运维智能化程度不高、数据种类局限以及无法支撑状态检修等问题，全面提升新能源及储能电站的智能化水平与运维便利性，对提升新能源电站中电力设备状态感知与监测的智能化水平有积极的示范作用。