基于NB-IoT技术的变电站电缆沟综合环境实时动态监测系统 技术研究应用

陶然兵，周 慧，李佩玉，李莉萍，范怡琛

（国网界首市供电公司，安徽 阜阳 236000）

0 引 言

目前，全国大多数电力公司对城市内电缆井的管理还处于计划检修阶段，一般采用定期巡视的方法对电缆的运行状况进行检查。从经济角度和技术角度来说，计划检修都有很大的局限性，定期试验和检修需要投入大量人力，许多绝缘缺陷和潜在的故障无法及时发现，故障发生时，人员无法第一时间得知，对已经造成的经济损失无法挽回。本系统基于最新推出的NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）窄带传输通信技术及采用LoRa（Long Range）标准的LPWAN技术，建立起配网设备运行管理网络，监测用的传感器采用电池自持的微功耗传感器，并采用2.4G频段带宽自组网技术进行监控，无需人工干预形成小的区域监测管理网络，可以有效地降低管理成本。

1 基于NB-IoT技术建立实时检测系统原理概述

本系统针对变电站内电缆沟环境复杂、监控数据量大等问题，基于窄带宽通信技术、RFID自组网技术和微功耗传感器等技术，开发了一套动态实时监控系统。该系统能够实时快速的监控变电站内电缆沟多项数据指标[1]，具体流程如图1所示。

2 基于NB-IoT的综合环境监测系统技术方案设计

2.1 多维传感器系统与预警装置

系统的检测系统由多维传感器组成，其中电缆测温传感器、水浸传感器、有毒害气体监测传感器，都使用自组网2.4G频段带宽。经测试，传输效率优于目前已经较为先进433M频段方案。传感器采用专门技术极大地降低RFID的功耗，超微功耗设计，平均工作电流低于10 μA，实现自供电，电池可用5年以上。

（1）电缆温度传感器：实时探测电缆表皮温度（设置故障报警值），上位机接收到传感器相应数据后，将根据采集数据的变化值做出相应的逻辑判断，并将相应故障状态的定点监测数据和告警数据通过NB-IoT网络上传至监控主站。

（2）环境温湿度传感器：定时采集环境中温湿度值及定时发送定点数据到通信终端，当温湿度大于告警门限时即时将温湿度告警突发数据发送到通信终端，当温湿度小于湿度告警门限时即时将温湿度复归突发数据发送到通信终端。传感器使用2.4 GHz无线网络与通信终端进行数据通信。

（3）水浸传感器：是由水浸探头与变传器合为一体，其水浸探头的电极浸水后阻值变大，由专用集成芯片进行信号放大、整形、比较；产品中线路设计采用光电隔离、线圈隔离、继电器隔离等多种安全措施，结构采用全封闭设计，保证了漏水水浸传感器的高精度及高可靠性[2]。

（4）有害气体（烟雾）报警探测器：可以检测所处环境中存在可燃或有害气体；传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，一旦检测气体的浓度达警戒值，探测器会通过NB-IOT网络向监控主站上传定点监测数据和告警数据。

2.2 组网与通信终端

2.2.1 NB-IoT通信终端

NB-IoT通信终端的各类传感器，监控的数据和各类状态包括电缆井的环境温湿度、电缆温度、井盖位移、水浸状态，接地环流电流、电缆局部放电等；传感器根据采集数据的变化值，做出相应的逻辑判断，并把故障状态通过2.4 GHz无线通信发送到监控主站（传感器与终端基于双向低功耗通信原理）。通信终端通过NBIoT网络上传定点监测数据和告警数据到监控后台[4]。

2.2.2 视频监控联动功能

为保障系统的视频监控功能稳定与较低延迟，对于数据传输提出了较高要求，必须能将视频监测摄像机的录像码流（4 Mb/s）实时传输回监测中心，传输延迟不大于300 ms。相关的视频码流数据的传输采用TCP/IP协议上载至后台数据库内，使用的NB-IoT通信技术能最大限度的保证通信链路可靠性及通信效率。图2为视频流通路的示意图。

图2 视频传输通路示意图

2.2.3 手机APP系统软件

本系统基于NB-IoT电缆井综合环境监测系统通过传感器采集数据，数据通过移动蜂窝网络传至云端服务器。RFID传感器通过2.4G无线自组网技术，以10 min一次的频率将传感器采集到的数据传输到NB-IoT通信终端上，通信终端4 h一次传输数据到专用云端，后台主站对云端数据进行解析及显示，有突发数据（告警数据，突变数据）实时上传。在有报警触发的情况下，通过语音、短信、手机APP系统软件的形式实时报警[5]。

3 安装与调试

本系统在布置时，现场无需主机，实现了天然的隔离，同有线方案相比，有效确保了监控室设备的安全运行和值班人员的人身安全。通过建立的NB-IoT通信终端可以有效地将实时监控的数据汇集到后台数据库中，方便后期对大数据进行分析和处理。利用网页、手机APP等手段可以为相关部门提供了多方位、可视化的便捷服务。例如，自上而下的权限划分管理：由监控室统一设置各现场数据的访问权限。各现场操作员可以查看所辖现场的监测数据，但不具有操控权限，由监控室操控派单操控权限。设备将运行时数据通过无线网络发送到平台，平台解析并保存数据，平台解析数据的同时对数据进行校验，如果数据达到某个预设的越限值则会触发告警并通知（可语音、短信、APP）方式到相关人员。

4 结 论

本文基于最新推出的NB-IoT窄带传输通信技术，提出了一套适用于变电站电缆沟综合环境实时检测的系统。该系统应用在配网监测管理上，在覆盖、功耗、成本、链接数据等方面都优于已有的技术系统，能最大限度地保证通信链路可靠性及通信效率。同时，整个工程不需要布线和网络调试，所有通信设备做到即装即用。所有数据均传输到云后台维护，不需现场投资专门的数据监测平台，并能通过手持终端或手机APP就近或随时随地掌握配网实施信息，提高了技术管理能力。