曾 瑶，肖若舟，伍 颖

（国网湖南省电力有限公司 娄底供电分公司，湖南 娄底 417000 ）

0 引 言

随着城市化进程的大力推进，城市配电网与输电网络的建设不断加快，其中高压电缆采用地下敷设方式所占比例逐渐增加[1,2]。地下电力管道运维的主要难点包括缺乏有效的监测手段（温度、烟雾等）、实时监测覆盖范围有限以及存在监测盲区等[3-5]。为了提升电力配网管廊的运维工作质量和效率，有必要对配网管廊的传统监测系统进行监测与研判能力的进一步升级。

面向配网管廊的监控系统逐渐向数字化、精益化以及智能化的方向发展，通信处理能力不足是制约配网管廊监控系统安全管理水平提升的关键瓶颈之一[6,7]。本文针对地下电力管廊的结构与配置特点，结合现阶段配网生产实际需要，基于超窄带（Utral Narrow Band，UNB）无线通信技术和IoT-G 230 MHz电力无线专网通信技术设计了一套智能管廊及低压线缆智能监测系统。管廊内部监控数据主要包括温度、烟雾、有害气体、液体溢满以及水位等，同时也可实现对配电房和环网柜中电缆局放、接地环流、线缆测温及基础环境的实时监测。

1 电力管廊智能监控系统设计

1.1 通信关键技术选取

本文设计的管廊监测系统所采取的无线通信技术为新型超窄带无线通信技术，融合了扩频、前向纠错编码以及数字信号处理等多项新型技术，主要优势体现在：（1）采用扩频通信，可利用高扩频因子扩大链路预算，提高覆盖范围；（2）超低功耗使电池寿命大于10年，接收电流为12 mA，待机电流仅为0.2 μA；（3）UNB的测距及定位不采用接收信号强度，而基于信号在空中传输时间来定位准确度高；（4）终端节点成本低，其产业链发展更加迅速，商业化推广较快。

1.2 系统架构设计

本电缆管廊监控系统设计综合考虑管廊的建筑结构特点，并针对多单位管理维护的特性，采用统一的规划设计，总体上分为4个层次设计，分别为感知层、网络层、平台层以及应用层，如图1所示。其中，感知层由各类采集传感器、智能管廊终端、UNB智能基站组成，负责采集电缆沟道温度、湿度、液位以及有害气体等各类数据。网络层是指UNB无线基站至平台层远程通信部分，该部分采用IoT-G 230 MHz电力无线专网，数据经过UNB智能网关消息队列遥测传 输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议转230 MHz空口传至就近无线专网基站，通过电力同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）传输网络进入电力无线专网核心网，通过光传送网（Optical Transport Network，OTN）+分组传送网（Packet Transport Network，PTN）专线通道后进入省公司云平台层。平台层包含省统一物联管理平台、数据中台、业务中台，物联平台通过订阅、发布的方式与UNB智能网关进行数据交互和控制，低压智能管廊监测系统的数据库、前置应用分别部署在数据中台机业务中台，系统通过约束应用协议（Constrained Application Protoco，CoAP）与物联管理平台进行数据交换。平台层实现系统的数据显示、统计分析、事故告警、故障预警、终端管理、UNB智能网关管理与控制、电力管廊状态信息的监控与告警等。

图1 地下电力管廊职能监控管理系统模型

1.3 系统硬件设计

该系统的硬件设计包括智能传感器、智能管廊终端（UNB终端）以及UNB智能基站。对于UNB终端节点，优先考虑低功耗需求特点，本系统选取技象科技的TP580X作为主控芯片，具备超低功耗、高灵敏度、支持物理层重传、支持CC信道以及高安全性等特点，满足UNB终端节点超低功耗的要求。对于UNB基站而言，相较于能耗要求，边缘计算能力需求则更重要[8]。因此，UNB智能基站选取技象科技的TP1107作为通信芯片，工作频率为127～1 020 MHz，最大发射功率为20 dBm。此外，为实现设备的远程通信，对其进行了二次开发，设计了用于IoT-G 230 MHz电力无线专网直流取电的接口、天线接口、固定位置。智能传感器包含红外智能传感器、烟雾智能传感器、液位智能传感器以及线缆温度智能传感器，均为自供电型，具备UNB无线通信能力。

1.4 系统软件设计

1.4.1 UNB智能基站软件设计

UNB基站是本系统UNB网络的核心设备，其通过230 MHz电力无线专网的方式与主站云平台通信，同时又通过UNB无线网络与终端节点通信。主要工作原理为基站在接收到台站云平台下发的指令时，由于不能确定相应的终端节点是否处于休眠状态，因此基站先把命令以短地址为索引的方式放到缓存队列中，而不是直接下发命令。基站在接收到终端节点信号包时，若为数据包，则将数据打包上传到台站云平台，同时查询命令缓存队列。如果队列中有下发到该节点的命令，则将该命令加到确认字符（Acknowledgement，ACK）包相应字段中，回复的ACK包还需要添加基准时间，终端节点通过这个基准时间来校准休眠时间，以达到时间同步。若为入网信号JOIN包，则提取该帧中的设备号，连同分配的短地址一起存放到E2PROM中，并给节点发送一个ACCEPT包。

1.4.2 应用平台设计

本项目监测应用主要收集传感器数据，传感器间隔一定时间采集一次数据，数据通过超窄带无线通信UNB上报至网关，网关收集设备数据后上报到物管平台。数据展示分析平台从物管平台获取传感器数据进行展示与分析，其中获取的传感器数据会分类存储并归属到绑定的监测点或配电房下，用来展示监测点或配电房的监测数据，同时可以在监测点详情和配电房详情中看到绑定传感器当前值和历史记录趋势。对于原始上报数据，系统会存储日志记录，分表分库存储数据，并每小时、每天按传感器归档数据。其各部分功能设计如下：（1）统计当前系统绑定传感器的状态，包含离线、在线和故障，用于实时监测传感器的状态；（2）根据线缆智能传感器上报的线缆电流数据，在依据设置的线缆载流量计算出负载数据，借以判断线缆运行情况[9]；（3）根据温湿度传感器上报的温湿度统计分析，实时展示当前系统绑定的传感器环境温湿度分布范围；（4）根据电缆智能传感器和烟感传感器上报的数据分析结果，实时展示当前系统监测点的气体数据；（5）根据用户自行设置的告警规则，对各传感器上报数据进行告警匹配；（6）展示项目设置的监测点和配电房在地图中的位置以及当前含有告警的状态，可直观观察到整体监测点和配电房的运行情况。监测点的详细信息主要包含环境温湿度、氧气、硫化氢、一氧化碳、烷类以及臭氧等气体含量。

1.4.3 通信协议设计

本系统云平台与UNB基站之间采用MQTT通信协议，数据封包为标准的对象表示法（JavaScript Object Notation，JSON）格式。UNB基站收到基站云平台下发的数据包时，先将JSON数据包进行解包，提取其中的短地址、指令等，然后再封包成自定义的UNB通信协议数据包，经过UNB网络传输到对应的终端节点[10]。基站收到终端节点上传的数据包，将其按照自定义的协议解包，提取其中的数据，再封包成JSON格式包，接着上传到基站云平台进行处理。UNB基站与UNB终端节点之间采用自定义通信协议的方式进行通信。

2 系统实施

该区域的基站及终端安装部署实施图如图2所示。根据区域地形和建筑结构特性，共安装UNB智能基站两个，智能传感器和UNB终端的具体安装位置为整个线缆沟道末端。选取位于自有物业的供电所及变电站作为UNB基站天线和基站处理单元的安装地点，安装高度均大于15 m。

图2 基站及终端安装部署

本系统共在吉星路电缆沟建设两个UNB智能基站、72个线缆温度传感器、12个线缆监测终端、9个烟雾传感器以及3个液位传感器。经过半年的测试，实践证明该项系统运行稳定，采集数据准确及时，较好地实现了设计需求。该系统能实时采集电缆沟及配电房各类传感器的数据，实现数据的可视化、图形化展示，并通过分析进行故障预警等。

3 结 论

面向地下电力系统配电管廊总的综合监测需求，开展地下电力管廊的智能监控系统设计和工程实践应用。本文对智能监控系统架构、软件、硬件进行了详细设计，通过UNB、IoT-G 230 MHz无线专网的选取应用，实现了电力系统配电网地下沟管内的综合监测，系统的数据传送网络可以满足业务需求。通过各类新型传感器降低系统中各设备的运行功耗，提高了设备的运行寿命，降低了部署成本，实现了配电网电力沟道与配电房的智能化全景监测，为配网线路的经验运维提供了有效支撑。