基于LoRa技术及NB-IoT技术的电缆防破坏智能预警系统研究

康鸿飞，周 欣，杨廷志，杨友耕，周良浩，谭 悦

（1.国网重庆市电力公司 綦南供电分公司，重庆 401420；2.重庆理工大学 电气与电子工程学院，重庆 400054）

0 引 言

随着我国城市电网的快速持续发展，为了保持城市形象，同时缓解用地压力，城市配网开始由高架线逐步过渡到地下电缆。在城市化进程中，各种违章施工行动导致的电缆沟道外力破坏事故屡见不鲜。而经电网部门统计也可知，外力破坏导致的电缆沟道事故长期居于首位。地下供电网络的电缆分布错综复杂，且复杂性随城市发展程度提高而迅速增加，进一步要求电力电缆的运行安全及故障预防迈向更高的标准。对于电缆沟道运维安全的管理，要考虑其广阔的分布范围以及复杂的地面环境状况，尽量做到全面、实时地监测整个通道，以确保城市电力供应和居民生活、生产安全[1,2]。

目前，国内大部分电缆线路的安全检查仍然是靠巡检人员定期进行的人工巡检来完成，这不仅会受天气影响，也会受到人员素质的影响，从而无法完全保障巡检的质量和结果。所以，在传统巡检管理方式下，因巡检不到位而导致的电缆线路故障时常发生。另外，上述方法也无法及时获取电缆运行线路状态及环境状态等信息的反馈，不能及时发现沟道中电力电缆运行时的隐患。特别是当电缆受到外力破坏时无法得到及时修复，就有可能导致大区域的停电事故，甚至影响人员安全[3]。

为了保障沟道中电缆的运行环境安全，尽量防止其遭受外力破坏，当前国内外许多学者都对电缆沟道的保护及预警技术进行了研究。文献[4]在有限元仿真软件中对电缆温度场进行了建模仿真分析，通过对电缆沟道敷设以及电缆接头的热分析，在仿真中确定了电缆接头及电缆群的过热点，进一步设计了相应的电缆沟道温度在线监测系统。文献[5]针对35 kV变电站，围绕地下电缆通道的温湿度数据等，通过无线传感器建成的网络系统，实时远程监测地下电缆沟道的温湿度等环境情况，并在云端采用相关算法模型处理实时数据，最终评估其安全性并进行预警。文献[6]设计了一套高压电缆通道的多状态综合监测系统，其中使用了大量独立的监测子系统并将其集成统一化，以收集多维监视数据。以上研究均为基于LoRa技术及NB-IoT技术的电缆防破坏智能预警系统提供了一定的理论依据与参考。

在上述文献的研究基础上，本文设计了一套针对有潜在风险的电缆线路的防破坏智能预警系统。应用该系统可以更加精确地监测某一段电缆的实时运行环境状态，达到更加经济与降低成本的目的。系统整体包括基于LoRa的分布式无线传感网络、NB-IoT通信技术以及云服务器的电缆防破坏智能预警软件等。

1 整体系统设计

整套系统采用模块化设计，硬件部分由分布式无线传感网络构成的数据采集模块、无线网络通信模块以及结合了微型太阳取能和磁感应取能的供电模块组成。软件部分主要由云服务器的电缆防破坏智能预警软件组成，整体结构如图1所示。根据电缆沟道内部环境构造及电缆群的分布，将各类低功耗传感器按一定间距合理分布于电缆沟道内，监测温度、湿度、可燃气体浓度以及振动等相关物理量。利用LoRa无线通信技术将底层数据传输到网关，打包后通过主流运营商的NB-IoT通信模块将数据上传到云端进行存储并分析。进行数据清洗、阈值比较及数据特征提取等步骤后，当监测到异常数据时，发送到PC及移动端实现实时在线监测及预警，同时现场配备的报警器进行蜂鸣警示。

图1 电缆防破坏智能预警系统结构

2 系统硬件设计

2.1 数据采集模块

由于地下电缆的运行状态以及运行环境相对复杂，采集电缆沟道中单一物理量并不能准确地表征其运行环境。因此需要同时监测温度、湿度、可燃气体浓度以及振动等多维数据，并进行综合分析，才能针对地下电缆环境状态进行精准评估。所以，有必要在沟道内按一定间距合理布设各类传感器。其中，温湿度采用DHT11传感器，而对于振动的采集最为关键。为提高采集精度同时减少误报率，在满足整体低功耗的前提下，拟采用ADXL345高精度三轴加速度传感器，在准确采集到对应信息后还能辨识出电缆该处的空间位置，可进一步感知由持续外力作用造成的位移。数据采集模块如图2所示。

图2 数据采集模块

在确定传感器具体型号之后，通过STM32L151C8T6单片机收集电缆沟道内各类传感器感测到的实际信息，逐级往上一层进行传输，并设计相应的硬件电路如图3所示。

图3 采集模块主硬件电路图

2.2 无线网络通信模块

电缆防破坏智能预警系统通过LPWAN进行数据传输，其中较为成熟的有LoRa无线通信技术以及NB-IoT无线通信技术。前者是通过线性扩频调制技术延长通信距离的一种远距离无线通信技术，在国内更为通用的使用频段在500 MHz上下波动。

一般情况下，在城市环境内，LoRa的传输范围为1～2 km，为了精准评估地下电缆环境状态，沟道内需按一定间距合理布设传感节点，因此每个网关都将在对应的范围内与所有传感节点相连。通过E22-400T22D型号的LoRa无线模块将MCU中收集的各类传感器感测到的大量数据经由串口传输到网关，在网关中对相应的数据进行打包，再利用目前运营商的主流NB-IoT通信模块将数据上传到云端服务器进行分析计算，最终在PC端及移动端进行可视化并预警[7]。无线网络通信模块如图4所示。

图4 无线网络通信模块

2.3 电源供给模块

为给电缆防破坏智能预警系统提供可靠的供电，采用微型太阳能板和磁感应取能的设计模式，同时配备锂电池作为储能后备，确保电源全天候不间断的稳定供应，更有利于确保后台了解和判断电缆沟道中线路的实时情况。电源供给模块如图5所示。

图5 电源供给模块

通过如图5所示的复合供电模式，电缆防破坏智能预警系统可以进行全天候24 h不间断的实时监控，减少了维护周期，大大缓解了一线运维人员的巡线压力，同时也提高了沟道内电缆的运行安全水平。

3 电缆防破坏智能预警软件设计

电缆防破坏智能预警系统中，对于电缆运行环境的实时在线监测和预警软件主要由数据库、数据分析模块以及用户界面组成，其中数据库及数据分析模块部分均存储在云端服务器[8]。当距离铺设传感器节点较近的地方出现异常时，该节点的各类信号幅值都更高，即信号过零率比较高，因此需要在算法中更深一步地分析故障点定位[9]。其中对复合物理信号的识别分析采用SVM的分类算法进行模式区分，在数据特征提取之后可以确定更精确的阈值，然后返回到之前的步骤替换之前的阈值，提高整体算法的精确度。算法流程如图6所示。

图6 数据分析算法流程图

在云端进行数据分析之后，将相应结果保留并汇总于数据库中，同时在数据库中可以对相应监测数据进行增加、删除、改动、查询以及访问等操作。最后实时发送到PC端及移动端进行可视化并预警信息反馈，现场根据反馈信息进行蜂鸣预警。

4 结 论

基于LoRa技术及NB-IoT技术的电缆防破坏智能预警系统的硬件部分主要从面向电缆沟道内电缆群分布式的无线传感网络采集模块入手，同时设计了数据传输模块及相应的电源供应模块。其软件部分主要研究设计了结合云计算、云存储的电缆防破坏智能预警软件。通过对沟道中电缆运行环境及分布情况进行了深入研究，可以从实际工况出发，来确定主要电缆测试长度、传感器节点布设距离。并可以深入分析不同地面环境对采用不同数据的影响，最终实现面向巡检人员的PC及移动端的可视化及故障预警，为城市地下电缆的安全运行提供了一种切实可行的解决方案。