张 鹏

(江苏泽宇电力设计有限公司，江苏 南京 210018)

0 引言

传统站房部署有源传感器、视频监控设施和站房动环主机，传感器需外接电源线、信号线，部署极不方便，视频监控仅作为事后回看等作用而不能充分发挥价值，动环主机采集汇聚协议未完全统一。数据之间相互割裂没有有效融合，且未能发挥数据一次采集、多次利用的目标。

随着输、变、配电物联网无线传感技术相关标准的制定和智能巡视系统的推广应用，通过无源传感器、高清视频和导轨机器人等联合监测，边缘可视化网关统一汇聚传感数据，利用人工智能技术实时分析视频图像，能够及时告警和联动，实现区域自治。同时，通过无线公网或专网，数据安全加密传输到平台应用层，云边协作发挥了数据的共享利用和融合管理。此套系统实现了环境监测、环境联动、安防监测、安防联动、设备状态监测和视频巡检的功能目标。

采取物联网的层次架构，感知层通过末端无线传感和视频监控数字化实时采集，边端智能化治理。网络层视频数据承载在无线公网5G/4G，传感数据通过硬加密，业务数据承载在电力无线专网，保证了数据传输实时性和安全性。平台应用层包括可视化平台、物联网管理平台和智能辅助应用平台，采用标准的通信协议。

1 建设方案

系统总体架构由配电站房智辅平台、站内外网络传输系统、站端系统等部分构成。配电站房智辅平台面向运维人员，实现配电站房整体运行状态的远程监测和巡视，通过信息内网的物联网数字化平台和可视化平台获取传感数据和视频图像信息。网络传输系统通过站内低功耗无线采集传感和有线以太网采集视频，站外无线5G和电力专网实现窄带和宽带业务需求。站端系统由传感器、汇聚节点、视频设备、巡检机器人、边缘网关组成，共计22类，其中：(1)传感器分为：环境监测和联动实现对站房内温度、湿度、水位或水浸信息、SF6气体浓度、烟雾浓度等环境信息的采集，根据设定规则联动控制空调、风机、水泵等调节站房环境；安防监测和联动实现对站房内安防状态的实时监测，在发生非法入侵的情况下产生告警，联动控制灯光和门锁；设备状态监测实现对站房内配电变压器运行噪声、蓄电池状态、中压开关柜局放等电力设备信息的采集和告警。(2)汇聚节点实现无线传感器的南向接入和北向传输，解决信号覆盖盲区问题。(3)视频监控和巡检机器人实现对配电站房内运行情况的实时监控和指定设备点位、区域的图像分析，远程核查告警信息的准确性并及时做出合理的检修方案。(4)边缘网关接收站内设备状态、环境信息、安防信息、视频监控等监测数据，通过区域自治能力实现预警处理和告警联动控制等，同时通过双无线上行分别上送传感数据到物联网管理平台，将视频监控信息通上送到可视化平台[1]。

根据配电站类型可以选择不同配置方案。以基础型为例，环境传感器配置温湿度传感器4个、水浸传感器3个、烟雾传感器2个、SF6气体监测传感器4个，环境联动设备配置风机联动装备2个、空调/除湿联动装置2个，安防监测终端配置智能门锁1个，安防联动设备配置灯光联动装置1个，设备状态监测配置蓄电池监测1个、特高频局放探测器1个、变压器噪声传感器1个，视频监控设备配置球形摄像头2个、枪型摄像头2个、NVR视频录像机1个，无线汇聚节点1个，站房网关1个。

2 关键技术

2.1 LoRa

LoRa(Long Range)作为LPWAN(Low Power Wide Area，低功耗广域技术)中较为成熟的一种技术，具备接收灵敏度高(可达-140dBm)、抗干扰能力强、功耗低等特点，实现了供电“无源”和通信接口“无线”。LoRa是基于线性调制扩频(CSS)的一种物理层调制技术，可构建Mesh、星型、点对点等网络架构。几种LPWAN协议对比如表1所示。

表1 LPWAN协议对比

LoRa低功耗通过速率自适应ADR (Adaptive Data Rate)和信道活动监测CAD(channel active device)实现。ADR是一种算法，通过自适应网络路径来改变通信速率和功率以保障可靠的传输，从而提高总体资源的利用率。此外，传统接收信号强度指示RSSI (Received Signal Strength Indicator)不能有效区分噪声还是数据信号，而CAD通过探测扩频序列存在的码元数据，能够把LoRa信号从噪声中区分出来。例如，在一个采样处理周期内，通过扩频因子(SF)和扩频带宽(BW)计算出码元的持续时长，接收端进行周期的唤醒和休眠循环模式，发射端通过持续发射该周期时长的唤醒码以让接收端在唤醒时可以探测到扩频码元。

2.2 5G和1 800 MHz

配用电信息实时采集和视频监控业务对网络的大带宽、低时延和安全性有着较高要求，无线宽带网络不仅适用于快速建站，同时还满足接入要求，实现了配用电多业务的综合接入[2]。

5G的增强移动带宽(eMBB)、超高可靠低时延通信(uRLLC)、大规模连接通信(mMTC)等特点满足了数据传输多样性的要求，推动了产业转型升级。大规模天线技术是提高系统容量和频谱利用率的关键技术，采用Mini Slot和免授权调度传输满足空口传输低时延的要求，无线网络的PSM/eDRX技术实现了大连接和低功耗。

电力无线专网承载在1 785～1 805 MHz专用频段，由电力公司建设运营，采取双向鉴权认证、安全性激活等安全措施。接入方案在物理上与无线公网隔离保证了电力特定业务的需求，同时TD-LTE技术满足接入性能要求。

2.3 通信协议

传感器分为单向上报的微功率传感器和双向传输的低功耗节点传感器，分别与汇聚节点或站房网关之间采取国网标准的输变电设备物联网微功率无线网通信协议和输变电设备物联网节点设备无线组网协议。其中，微功率无线协议仅支持短报文传输，CSS物理层工作在470～510 MHz频段，网络结构为星型网络拓扑，协议栈结构分为物理层和数据链路层；低功耗节点无线协议支持长报文传输和业务数据分片重传，CSS物理层工作在2 400～2 483.5 MHz频段，网络架构分为树状网络拓扑和多跳网络拓扑，协议栈结构为顶层网络层用于端到端的包传输交换、中间层为数据链路层支持从设备的接入和调度、底层为物理层负责处理比特流的物理传输，具有调制与解调、发送状态和接收状态的切换等功能。

视频监控设备与站房网关之间通信使用国标GB/T28181—2016公共安全视频监控联网系统协议，完成信息采集、传输、交换、控制、显示、存储、处理等功能。

站房网关与可视化平台之间通信协议使用国网标准Q/GDW1517.1—2014电网视频监控系统及接口中的B接口(SIP-B)，规定了注册、资源信息上报和获取、历史查询、录像检索和回看、实时视频调阅、语音对讲和广播、云镜控制、事件订阅和通知等。

站房网关与物联网管理平台之间通信协议使用MQTT(消息队列遥测传输)进行各类业务报文的接收与发送、设备管理和容器管理。设备管理包括端设备的接入、删除、状态更新、事件主动上报。容器的管理包括容器和应用的创建、删除、升级、启动、停止，容器资源如CPU核数、内存、存储、接口等查询和配置。MQTT是ISO 标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的轻量级字节流消息协议，广泛应用于物联网通信连接。

物联网管理平台对外提供API接口，采用HTTPS协议，接口使用遵循RESTful风格API和MQ API。

2.4 容器虚拟化

边缘网关采取软硬件解耦设计，硬件平台化、功能软件化。容器技术是实现的关键，容器运行于操作系统之上，提供软件应用运行所需的环境，一个容器内可以部署多个应用程序及依赖的组件，实现在不同硬件环境运行同样的应用程序的目的，达到了功能软件动态增删按需安装的要求。且各容器享有的资源权限可动态配置，运行相互隔离、互不影响。采取开源的应用容器引擎Docker，使用C/S架构，客户端和服务端可以运行在一个机器上，也可通过网络进行通信。

2.5 智能巡检

通过嵌入边端人工智能芯片，利用深度学习模型提取特征，依据现场速度要求进行并发识别。通过图片标注环境训练测试，模型检出率、误检率和平均检出时间满足要求。支持4个场景的识别功能：对安全帽佩戴和摘帽行为、区域入侵、小动物入侵的生物识别，以及作业人员倒地识别；支持告警事件、图片及视频流截取上送[3]。

3 结语

系统已广泛应用于国网江苏的智慧配电站房可视化项目，数字可视化技术实现了远程集中运维管理，能够替代人工不间断监测各站点运行情况，发生故障自动预警联动控制，远程巡视指挥现场消缺，同时系统可扩展升级，避免重复投资。系统投入使用以来降低了运维成本，提升了运维效率，提高了突发故障处理能力，为配电设备稳定运行提供了坚强的保障。在今后的发展中，引入数字孪生技术，更加有效实现数据的融合再生产价值，实现精准巡视和检修。