基于泛在电力物联网NB-IOT 无线通讯技术SF6 压力远传系统的研发与应用

颜晓东，李雪妍，刘传永，孙建明

（国网哈密供电公司，新疆 哈密 839000）

1 现状分析

SF6 密度继电器的气体的运行压力、温度及密度，必须到达相关标准规定，使设备长期处于良好的工作状态。但90%以上的SF6 电气设备监测手段是指针式，这种表计不具备数据远传功能，无法远程监测气体压力及温度，只显示密度值（如图1）。

目前，电网常用方式存在以下问题：人工现场巡视，需要人力、物力存在资源浪费、容易遗漏、费时费力，而且后台管理机存在安全漏洞，常升级；现场数据和后台数据有偏差，只显示状态，无密度值；电缆作为载体传输告警、闭锁指令信号。事后告警，只有在低气压达到警告、闭锁门值时，才能发出信号。事后处理，只有接收到信号后，检修人员才能到现场进行处理。变电站距离遥远，接收信号到现场研判再到缺陷处理，耽误的时间非常长，导致断路器低气压闭锁，拒动，造成事故扩大。

2 泛在电力物联网NB-IOT 无线通讯技术的SF6 压力远传系统

基于NB-IOT 无线通讯技术的SF6 气体动态监测技术在无外接电源的情况下，同时实现对温度、压力、密度3 个量的在线采集、数据处理无线传输（NB-IOT 技术），后台数据实时分析，根据设定的报警和闭锁限值自动报警，为用户定期检测设备提供参考数据，减少停电次数和时间，获取最大经济效益。

该项目采用的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）通讯技术是万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT 是IoT 领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)，NBIoT 支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接，同时还能提供非常全面的蜂窝数据连接覆盖，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，具有覆盖广、连接多、速率快、功耗低、架构优等特点，可具备具备支撑海量连接的能力，NB-IoT 一个扇区能够支持10 万个连接。系统示意图如图2。

图1 密度继电器

图2 系统示意图

3 项目主要研究内容

（1）符合国网安全标准的NB-IOT 无线通讯模块的研究开发。该模块的研发主要解决SF6 气体监测数据的低功耗无线传输，并解决通讯模块的数据传输稳定性及可靠性，模块采用高性能低功耗数据处理CPU，可在低功耗情况下的瞬时增大脉冲信号，提高天线增益率，并采用符合国网标准的安全加密芯片进行数据加密。

（2）微型SF6 气体传感器的研究开发。该传感器的研发主要解决SF6 气体压力、温度及密度的数据采集。温压一体芯体是基于硅压阻微机械加工系统(MEMS)技术和硅应变片（Microfused、Krystal Bond）技术将压力信号进行处理，并集成了高稳定性温度芯片，并利用Beattie-Bridgman 公式进行换算得出密度值（P20）。

（3）微型大容量高性能电池组。该电池组主要解决SF6传感器及无线通讯模块的供电，采用高密度大容量锂离子可充电电池，该电池采用松下电池单体，自主研发保护电路，在电池欠压式，太阳能将自行对电池进行充电，充至额定电压停止充电。

（4）基于云平台的SF6 气体监测数据分析软件的开发。该软件主要解决回传数据的监测、分析并存储，实时绘制数据曲线，可设定报警阀值、年漏气率等功能，做电网大数据的先行者。

4 技术难点及创新点分析

（1）技术难点。第一，抗干扰NB-IOT 无线安全通讯模块的研发，NB-IOT 无线通讯模块微功耗芯片是2016 年刚刚面世，在电力行业的应用少之又少，在电网大磁场环境中的可靠应用将是项目中的难点之一；第二，安全芯片的可靠应用，一般安全加密芯片都应用在输电监测中，在变电监测中采用符合国网标准的安全加密芯片进行数据加密编程及调试工作量比较大；第三，通讯链路的梳理，NB-IOT 通讯方式已依据移动运行商，加密数据怎样可靠地在公网转入专网也是项目组要进行多方协调梳理才能畅通。

（2）创新点。该项目主要以硅压阻微机械加工系统(MEMS)技术和硅应变片（Microfused、Krystal Bond）技术的温压一体微型传感器作为采集前端，太阳能取能，NB-IOT无线通讯技术传输，后台分析软件为一体的在线监测新模式、新方法。对当前在线监测技术的发展和不足，以及在线监测规范的滞后问题，进行深入调研和总结，结合状态检修理论研究和无线通信技术的验证，从管理角度和技术角度提出解决当前带电检测实际应用过程中突出问题的解决方案。

创新点一：无线智能感知传感器，具有尺寸小，双模供电寿命长，微功耗元件及内置加密（如图3）。

创新点二：无线监测显示器，显示参数全面，工整，多模选择，自检功能（如图4）。

图3 传感器示优势

图4 无线监测显示器

5 结语

在国网哈密公司2019 年6 月完成试点验证工作，全年实现哈密地区重要变电站的推广应用。2020 年，计划向北疆各地州推广应用，同时以新疆地区为试点，后期向东北、西北及高寒区域客户推广。2025 年，实现甘肃、西藏、青海、内蒙、黑龙江、吉林、辽宁等地电力行业的大规模应用。