基于LPWAN的架空输电线路覆冰监测系统

高奇慧，陈路易

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，淮南232001）

架空输电线路在电力系统中扮演着重要的输电角色，输电线路的稳定运行直接影响着人民的生活稳定及发展。由于输电线路分布的地理区域广泛，环境恶劣、地形复杂等问题影响着输电线路的稳定运行，尤其输电线路的覆冰现象，有可能出现跳闸、舞动，甚至造成断线、倒塔等严重危害。关于输电线路的防冰减灾已经成为目前电力系统行业的重要任务之一[1-3]。文献[2]提出利用低功耗广域网LPWAN（low-power wide area net-work）上行多跳通信方式，对输电线路进行监测，提高信号传输范围，同时降低节点能耗，但该系统未能考虑网络延时方面的要求；文献[3]基于无线传感器网络WSN（wireless sensor network）的输电线路覆冰在线监测系统，采用ZigBee技术的无线网络提高网络信号覆盖范围，但是该系统单一的网络技术并不能可靠地解决输电线路复杂的地理环境因素所造成信号中断等问题，因而达不到实时在线监测的要求。

随着LPWAN技术的不断发展，物联网技术应用于无线数据传输、远程实时监控成为可能[4]，其中以LoRa和NB-IoT技术的应用尤为突出。基于此，结合LPWAN技术，设计了架空输电线路覆冰监测系统，实现了对输电线路覆冰状况的实时监测及运行状态的集中统一管理，不仅大大提高了对输电线路系统的管理效率，而且减少了资源浪费。

1 监测系统的整体设计

基于LPWAN架空输电线路覆冰监测系统为信息感知层、网络传输层和平台应用层3部分组成[5]。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of overall structure of the system

信息感知层主要由感测终端节点，包括数据采集模块、中央处理单元、无线传输模块和电源系统。

网络传输层通过NB-IoT或LoRa技术，将采集到的数据传输至LPWAN基站。LoRa是一种采用1 GHz以下非授权无线电频段进行低功耗、超长距离通信的数据传输技术，最远传输距离可高达3300 m，具有功耗低、穿透性强的特点，适用于短时间发送和接收少量数据的应用情况[6]。NB-IoT是工作在授权频谱下的无线通信技术，具有低功耗、低成本、覆盖广、多连接等优点，且采用SC-FDMA技术，包含单子、多子载波可对其传输速率调节为超低或超高[7]。NB-IoT基站由各运营商建立，LoRa基站也为汇聚网关，从而将传输线路的数据传送至物联网监控中心。

平台应用层即物联网监控中心，在此采用中移公司OneNet物联网云平台，根据需求设计出数据管理和人交互界面2部分[8]。

2 系统设计及实现

2.1 监测终端的结构设计

架空输电线路覆冰监测终端的硬件设计主要由数据采集模块、中央处理单元、无线传输模块以及供电电源模块组成。系统监测终端结构如图2所示。

图2 系统监测终端结构Fig.2 System monitoring terminal structure

数据采集模块主要有绝缘子拉力传感器、电缆倾斜传感器和温度传感器以及微型气象站。其中电缆温度传感器使用接触数字式，微型气象站中包括环境温湿度传感器、风向风速传感器、气压传感器和雨量传感器；中央处理单元的设计应注意系统工作在野外高空等恶劣的环境下，因而选用的主控芯片应具有模拟量处理、抗干扰能力强、低功耗控制电路等特点；系统的无线传输模块以NB-IoT为主要通信技术，配合使用LoRa无线技术针对NB-IoT信号无法覆盖的地区（峡谷偏僻山区等），利用多个LoRa模块构建LoRa自主网络（MESH），通过多跳方式进行有效的数据传输；采用太阳能电池和蓄电池组合电源供电，蓄电池作为备用电源，当遇到连续阴雨天气或太阳能供电不足等意外状况使用。

2.2 监测终端硬件设计

监测终端部分硬件设计如图3所示。

监测节点硬件设计依据系统监测终端结构，主要设计原理是将各传感器与MCU内置A/D转换器连接，将监测物理量信息转换成数字信息输出，通过总线通信方式传输至MCU模块，MCU模块对传感器采集的信息完成读写，并完成数据存取[9]。无线传输模块通过UART串口连接在MCU处理器上进行通信。

图3 监测终端部分硬件接线图Fig.3 Monitoring terminal part hardware wiring diagram

2.3 监测终端软件设计

监测终端软件设计对整个系统具体功能实现起着至关重要的作用，主要对架空输电线路覆冰状态数据进行采集和传输。监测终端软件设计流程如图4所示。

图4 监测终端软件设计流程Fig.4 Monitoring terminal software design flow chart

监测终端软件设计流程如下：

步骤1系统初始化，多组传感器及微型气象站和无线收发模块与MCU开启工作，无线传输网络与建立有效的通讯链路；

步骤2定时时间到后，唤醒模块进入工作，进行各多数据采集和传输，采用中断唤醒的方式来接收节点数据，降低无线传输节点的功耗，延长使用寿命，提高监测的实时性；

步骤3判断NB-IoT和LoRa网络信号强弱，选择一种进行传输，保证数据传输的有效性。

2.4 监测终端安装设计

高压架空输电线路的工作环境在复杂露天高空中，系统监测装置采用阻燃、防爆、防腐、防潮等设计；外壳的防护性能符合GB/T 4208[10]规定的IP65级要求，采用不锈钢材料；电源和信号插口使用防水航空插头，具有防误插设计，应达到整体的平均无故障时间MTBF（mean time between failures）≮25000 h，保障系统使用的安全可靠性。系统监测终端安装如图5所示。

图5 监测终端各模块安装示意图Fig.5 Installation schematic diagram of each module of monitoring terminal

密封倾斜（角）传感器和温度传感器附着固定于电缆上，由于覆冰重力导致电缆倾斜，可测出其倾斜角度，贴附于电缆上的温度传感器可直接测出电缆温度[11]。倾斜（角）传感器放置时在水平面调节好，放置时应注意参考面水平放置。拉力传感器安装于铁塔和绝缘子之间，当电缆覆冰后重力增加，使绝缘子与铁塔之间拉力增加，故可判断出电缆是否覆冰。

安装时应注意：严禁安装时，少装紧固螺栓，将传感器垂直放置，防止偏载或受力不均匀，损坏传感器；使用封闭式铁箱放置中央处理单元和系统电源控制模块及蓄电池，在箱上部采光点较好的部位稳固定放置太阳能板；将由风速风向传感器、温湿度传感器、雨量传感器和气压传感器组成的微型气象站安装于铁塔上端，选择相对稳定的位置安装，可预判是否有覆冰迹象。其中，风向风速传感器放置于气象箱的顶部紧固，气压传感器和温湿度传感器放置于气象站内部。在架空A，B，C三相导线上各有一组含有拉力、温度和倾斜传感器将采集数据进行分析对比，保证采集数据的可靠性。

3 模拟运行情况分析

为了评估该系统方案数据传输的可行性，采取模拟试验，对监测终端的获取的信息进行传输，设置系统参数，在空旷的条件下对数据的丢包率进行测试，获取的丢包率见表1。

表1 数据丢包率测试结果Tab.1 Data packet loss rate test results

测试1空旷条件下，进行节点间隔2 km采用LoRa传输技术通信。

测试2相同条件下采用NB-IoT传输技术通信。

测试3相同条件下采用LoRa和NB-IoT结合的传输技术通信。

由表可见，使用LoRa和NB-IoT结合的无线通信方式，在数据传输的丢包率性能指标上，要优于单一LoRa或NB-IoT进行通信方式，实现对输电线路的覆冰特征信息的实时监测。所提出的高压架空输电线路监测系统方案，不一定是最优的方案，但可以肯定这种方案一定优于现有方案。

4 结语

根据监测系统数据传输的高效性要求，提出多元无线传输技术结合的方案，实现了架空输电线路覆冰监测的信息化和智能化，保障了系统的安全实时可靠性性。模拟试验结果分析表明，该系统方案明显降低了数据传输的丢包率。后续的工作是尽可能地降低监测的能耗和数据传输延时问题，以便更好地满足架空输电线路覆冰监测系统对实时性、可靠性要求高的特点。