基于物联网技术的电缆状态全...感知与报警系统的设计与实现_周小艺.pdf

中国电工网基于物联网技术的电缆状态全息感知与报警系统的设计与实现周小艺，李惠鸿（广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 ）摘要：提出并设计一种基于物联网技术的电缆状态全息感知与报警系统，集成了无线传感器网络技术、自供电技术、多源感知技术、火灾联动控制技术。该系统可根据实际需要，采集并监测电缆沟井内的温度、烟雾、有害气体、液体溢满、设备倾斜等传感数据，旨在解决电力电缆监测系统部署困难、电缆沟环境复杂、安全隐患大等问题。通过多感知单元实现了数据的前端汇集，构建强边缘计算终端，实现预警前移，大幅降低电缆的运行风险。通过试验测试证明该系统方案可行，部署便捷，数据准确。关键词：电力电缆；物联网；状态全息感知；主动预警防护；通信中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：周小艺（），高级工程师，研究方向为数字电子技术；李惠鸿（），研究方向为电力系统。引言近年来，伴随着电力行业的迅速发展，电力系统的构建也越来越完善，相关电力设备在城市的覆盖率也越来越高。电力系统的输电线路主要分为地上高压线及城市地下传输线。地上输电塔线的监测主要采用光纤传感和无人机巡检的方式；地下电力传输主要是城市综合管廊和电缆沟井两种模式。当前综合管廊在整个地下输电系统占比较小，大部分地下输电系统仍采用电缆沟井。然而，电缆沟井分布广、位置不清晰、环境复杂，对井内的服役电缆监测十分困难，导致监测工作受到限制，电网停电事故逐渐增多。现有的监测系统大多采用有线方式，适用于城市化较高或新建的电力电缆沟井，但对于一些分布广、环境复杂、布线困难的地区难以部署。无论是监测系统数据的传输或供电，都存在着一定的困难。为此，本文提出并设计了基于物联网技术的电力电缆状态全息感知与报警系统，可满足采集数据传输的可靠性及速率要求，实现预警前移，保证电网的稳定运行。系统方案设计 系统架构设计系统体系架构有个层次，从下到上依次是感知层、传输层和应用层，如图所示。其中，感知层主要用于位置信息、身份信息、环境信息的感知和采集，是系统的核心设施，结合 、等无线通信技术，在自组网技术的基础上实现感知、采集、上传等功能，进而在传输层融合 网络、专用网络等多种网络协议，实现电工技术智能信通技术2023 1期信息的安全、可靠传输。应用支撑平台和应用服务系统属于应用层，主要是提供位置信息、身份信息、主动预警、主动防护。图 1 系统架构图 系统主动报警防护功能设计 报警功能设计系统主要包括种报警功能，即入侵报警、外力破坏报警、积水报警、火灾报警和有害气体报警。其分别依托不同的监测传感器协同工作，智能判断当前状态，如图所示。图 2 主动预警功能结构图主动预警系统入侵报警外力破坏报警积水报警火灾报警 有害气体报警可燃气体监测有害气体监测烟雾监测温湿度监测水位监测视频监测振动监测盖板位移监测 防护功能设计系统主要包括种主动防护功能，即灭火装置联动、水泵联动和声光报警器联动。系统采用现场实时报警信息与人工确认相结合的方式，提高自动防护能力，大幅度提升危险排除的及时性，最大限度地保障运维工人、电缆设备的运行安全，如图所示。图 3 主动防护功能结构图主动防护功能人工确认灭火装置联动水泵联动声光报警器联动有害气体报警外力破坏报警入侵报警积水报警火灾报警系统模块设计及实现 监测终端的设计与实现监测终端的功能包括采集周围传感器单元的数据，显示并发送，主要包括数据采集模块、微处理器模块、模块、通信模块、电 源 管 理 模 块 和 显 示 模块，如图所示。图 4 监测终端结构示意图I/O 设备控制信号4G/5G 通信模块LED 显示微处理器(STM8L05C6)电源管理LoRa(SX1278)系统的监测终端负责采集周围传感器单元的数据，将数据发送到 模块，模块通过串行外设通信接口（，）和微处理器实现通信；微处理器接收并解析传感器数据，通过异步串行通信接口（，）与 显示模块通信；数据经处理后显示在 显示模块上，并通过 通信模块发送至远程终端。监测终端设置了数据采集接口，可接入其他设备的控制信号，如风机控制信号、灭火器控制信号等。监测终端的 通信模块将 模块收集到的数据发送到远程数据服务器；电源管理模块主要实现互感取电装置的管理。为满足低功耗的要求，数据采集接口采用定时采集、发送的方式，通常情况下是一分钟采集一次数据，一个小时发送一次数据，一旦传感器数据超出阈值就立即触发发送机制。模块的设计与实现 模块中调制解调器的工作模式有种，可通过设置 寄存器的值，实现不同 工 作 模 式 的 切换。系 统 的 工 作 模 式 包 括 模 式、待 机 工 作 模 式（模式）、模式、连续模式、单一模式、模式。其中，模式，可访问寄存器，不能访问 缓存区，允许 模式切换到 模式；模式，基础模块开启，属于就绪状态；模式，开启发送模块的数据包，发送完成后切换回 模式；连续模式，接收工作数据并处理，直到用户变更工作模式；单一模式，接收工作数据并处理，随后变更回 模式；模式，芯片定时检测信道中是否有 前导码。芯 片 发 送 数 据 的 流 程 如 图所 示。进 入 模式，配置中断寄存器打开发送模式所需中断，向有效数据长度寄存器写入待发送数据的长度；初始化数据指针为对应的基地址，将需要发送的数据写入数据缓存区域中，切换发送模式；等待发送完成并产生中断通知微处理器，然后清除中断寄存器中所有中断标志位，至此完成一次数据发送。智能信通技术电工技术中国电工网图 5 数据发送流程图开始设置 Standby 模式打开发送完成中断设置发送数据长短设置RegFifoBaseAddr 发送基地址，初始化RegFifoAddrPtr 指针结束清除所有中断等待发送完成切换至发送模式将待发送数据写入 FIFO如图所示，本设计选择 连续模式，芯片进入 模式，配置中断寄存器打开接收模式所需中断，并配置为连续接收模式，初始化数据接收寄存器地址为 。若数据包的 校验有误，则不解析数据；若 校验正确，则将数据接收指针的基地址的值赋给数据接收指针，读取接收数据字节长度寄存器得到有效数据长度，通过 通信接口微处理器得到有效数据，清除中断寄存器所有中断标志位，至此完成一次数据接收。图 6 数据接收流程图开始设置 Standby 模式打开接收完成中断设置连续接收模式等待接收完成判断数据包 CRC 正确?不读取数据结束清除所有数据通过 SPI 读取 FIFO 数据获取数据长短设置 RegFifoAddrPtr 指针YN 模块会定时进入 模式。模式下，检测所选信道内是否含有 前导码，检测结束后调制解调器进入工作模式，将获得的实际前导码与理想的波形进行比 较，然 后 产 生 中 断 信 号，如 果 匹 配 成 功 就 产 生 中 断 信 号，通 过 中 断 通 知，否则进入 模式。电源管理模块的设计与实现电缆正常工作时，电流互感器取电线圈可通过整流滤波、稳压调压电路给设备供电。考虑到一次侧电流过小难以达到设备的用电要求，本设计添加了超级电容的储能电路与备用电池；考虑到取电装置的电压过大引起电能过剩的现 象，添 加 泄 能 电 路。取 电 装 置 整 体 框 架 如 图 所示。取电装置的工作流程：正常情况下，取电线圈得到的二次侧电压，通过整流滤波、稳压调压可输出稳定的 直流电压，供给用电设备，其中 控制监测设备供电，控制锂电池供电。设备正常工作时，接图 7 电流互感器取电装置整体框架图控制开关过压保护泄能电路继电器COM2继电器锂电池COM1监控设备DC-DC，接，取电装置给监测设备供电，给锂电池充电；当锂电池充电完成，接，一次侧电流过小，不能满足监测设备用电要求时，接，锂电池给监测设备供电。泄能电路由超级电容两端电压控制，当电能过剩时，触发泄能电路控制开关，实现泄能；当一次电流出现异常时，会触发过压保护电路，保护后续电路。系统试验结果试验采用云平台作为数据展示终端，主要通过温度、湿度、一氧化碳、氧气、硫化氢、甲烷、液位传感器采集试验室不同环境指标的含量，并通过 模块发送至云平台显示。正常测试结果如图所示。图 8 云平台结果显示(计算机截图)为模拟电缆沟井内的异常情况，用高温物体靠近温湿度传感器，模拟电缆沟井内温度升高的试验，同时在传感器终端制造大量二氧化碳，降低周围的氧气含量以模拟电缆沟井内氧气不足的情况，并将数据传输到云平台。显示界面如图所示。图 9 模拟报警试验与显示(计算机截图)设置温度的报警阈值为 ，高出阈值则触发报警；氧气的报警阈值为，低于阈值则触发报警。报警方式选择该平台 的 微 信 公 众 号。报 警 通 知 界 面 如 图 电工技术智能信通技术2023 1期所示。图 10 设备报警通知微信公众号显示(移动终端截图)结语围绕电力系统中地下电缆沟井的环境监测与电缆服役的安全问题，本文设计一种基于物联网技术的电力电缆状态全息感知与报警系统，主要结论如下。（）提出并设计电缆沟井内电缆状态全息感知与主动报警防护系统，对系统报警功能和主动预警功能逻辑进行了梳理。（）提出并实现电缆沟井前端感知单元的全无线连接，实现电缆监测系统的快捷部署，大幅提高了系统实施的灵活性。（）监测终端融合了多种无线通信模式，结合模块化设计，可实现功能模块的高效整合。（）搭建系统并进行试验，监测终端采集不同传感器数据并通过 发送到云平台显示，当传感器数据超出阈值 时 发 送 报 警 信 息，表 明 系 统 方 案 可 靠，数 据 传 输准确。参考文献 朱恒敏，侯志升，李国柱电缆绝缘在线监测技术的研究山东煤炭科技，（）：，（）：，李强基于 的电力电缆在线监测系统开发北京：中国石油大学，张洪伟，刘俊方输电电缆综合在线监测预警系统硅谷，（）：刘凯大连地区电缆隧道在线监测系统的设计与实现大连：大连理工大学，（上接第 页）界、亚临界等各种参数机组。充热蒸汽可引自主蒸汽、热再蒸汽以快速降低发电负荷，放热蒸汽接入低压缸进汽，以快速提升发电负荷。调峰能力与储热量、充放热时间有关，合理选型可实现任何调峰能力的要求。建议新技术的发展，除了理论体系、系统架构的完善，还需核心设备的跟进。该技术核心设备主要有蓄热闪蒸罐、蒸汽混热器等，基于运行工况分析，在设备方面可采用蓄热闪蒸罐和蒸汽混热器。另外，由于蓄热发电系统与机组本体热力系统联系紧密，涉及主蒸汽、热再蒸汽、低压缸进汽、凝结水、主给水等重要介质的流动，为确保充放热过程机组运行安全，系统架构需重点核算在充放热工况下机组汽水量平衡和相关容器的液位控制。为实现充热放热过程自动调节功能，充热、放热侧均设有自动压力调节阀及旁路阀，以实现充热升压、放热降压的过程自动控制。参考文献 赵长颖，闫君，赵耀如何实现媲美化石能源的大规模储能技术上海交通大学学报，（）：程祖虞蒸汽蓄热器的应用和设计北京：机械工业出版社，丁玉龙，来小康，陈海生，等 储能技术及应用 北京：化学工业出版社，黄强，郭怿，江建华，等“双碳”目标下中国清洁电力发展路径 上海交通大学学报，（）：舒印彪 坚持“两线”“两化”发展战略 助力构建清洁低碳、安全高效能源体系电力设备管理，（）：，智能信通技术电工技术