一種微功耗電纜通道智慧物聯終端的設計

孫媛媛，耿芳遠，薛欣科，徐明磊

1.山東大學，山東濟南，250101；2.山東科華電力技術有限公司，山東濟南，250101

0 引言

從20世紀70年代開始，部分國家已開展電力電纜監控系統的試驗研發工作，傳統架空線路逐步被電纜隧道所替代。日本和一些西方國家已在遠距離、高電壓等技術開發上取得一定成績，還對中、大型城市電纜隧道的監控技術有深入研究，例如英法的多弗海峽隧道、日本的東京灣隧道等，在增強隧道預警監控效率的同時，憑借實時在線測量電纜溫度，達到了測量電纜實時載流能力的目的[1]。

國內方面，20世紀90年代以后逐步進入對電力電纜監控系統的探索，與西方發達國家相比起步較晚，在一定程度上存在落后性。目前，我國電纜隧道監控技術的發展還處于起步階段，未形成系統化的電力隧道網絡，各個城市的電力隧道建設，只是按照本身的需求和特性去裝備功能不一的觀測或操控設備。各類設備之間缺少聯系，無法做到高度集成，未實現理想狀態的資源共享，電纜隧道監控系統的開發還未達成一致的規范[2]。

基于此，本文以電纜通道智慧物聯終端為核心，應用標準物聯網協議與統一邊緣計算框架，下行通過無線ZigBee、WIFI構成低功耗無線傳感網，匯聚各監測單元數據，經邊緣計算APP初步分析后，感知數據與分析結果，通過電力無線VPN專網上送至電纜精益化管控平臺，實現電纜通道的智能化管控。本系統的建設和落地，會著力推進物聯網在電纜中的應用，將傳統監控與物聯網技術進行深度融合，實現電纜通道內環境與安防監控系統的一體化監控，實現“全面感知、數據融合、智能應用”，為大數據應用提供有力支撐，為推動“兩網”深度融合與數據融通、提升自動化應用及管控水平、全面支撐輸電網精益管理提供堅實的物聯基礎。下文將對電纜通道智慧物聯終端系統的設計和實現進行深入研究。

1 電纜通道監控管理現狀評價

隨著城市化的高速發展，促使人們對賴以生存的能源供應提出了更高的要求，尤其是電網線路等基礎設施成為影響電能供應的主要因素，電網線路呈現高密度、高電壓、大容量的特點，采用高電壓、大截面的電纜線路可以有效提升電能輸送的容量，滿足城市用電需求。高密度、大負荷的電纜線路目前都采用隧道方式進行敷設，改善城市環江的同時，也有效提升了電纜敷設的安全性。由此可見，電纜隧道的普及應用，是滿足城市高密度、大負荷供電要求，有效保障電纜通道的輸送容量和提升電纜通道資源利用率的重要舉措。

電纜隧道在某種程度上改善了城市電力輸送的環境，但是由于隧道內長期處于密閉狀態，電纜線路的敷設方式以及隧道內部的空間結構會直接影響電纜線路的運行壽命和電力輸送質量。為了能夠加強對電纜線路的管理工作，需要對電纜線路的運行狀態和運行溫度進行在線監控，通過隧道內的輔助設置和預警系統防止電纜事故和火災的發生，確保電網安全、有效地運行。我國關于電纜隧道監控管理的研究起步較晚，傳統的電纜隧道檢修方式主要依賴于人工完成，通過進入電纜隧道內部檢查隧道內的環境以及電纜運行的狀態，包括隧道內是否存在積水、防火通風設施是否正常運行、電纜線路接頭是否破損、電纜絕緣是否完好、電纜線路是否接地、電纜線路是否按照標準敷設等。目前，我國智能電網發展程度的區域化差別較為明顯，一些城市化發展較為成熟的地區，電網用電負荷不斷提升，對于電網智能化管理的需求更為迫切。配合城市發展的特點，各類電氣設備在電網智能化管理發展過程中雖然能夠實現獨特的管理功能，但是設備之間缺少有效的聯系，不能進行集成化管理，也無法實現電網狀態的資源共享，不利于國家智能電網的建設。國內電纜隧道及監控方面處于不斷完善的階段，由于缺乏統一的國家標準及規范，南北方氣候及環境存在差異，不同的地理位置導致電纜隧道施工水準參差不齊，電纜隧道內的敷設情況和監控線路也存在較大差異，關于電纜隧道監控系統的開發缺少統一的執行規范。

2 電纜通道智能監控關鍵技術應用

智能監控管理系統采用多源異構深度融合技術、微功耗設計與高效電源管理技術、物聯網通信技術、邊緣計算技術等，在全方位信息化管理的基礎上實現數據實時采集、并通過智慧終端實現數據的分析處理，最終實現對電纜隧道運行狀態、運行環境的監控管理[3]。

2.1 多源異構深度融合技術

多源異構深度融合技術是將電纜通道內的各項數據信息進行綜合，利用四級融合模型分析不同數據源的特點，然后使用優化資源和融合方法管理，反饋更加豐富的數據信息，多源異構深度融合技術可以將多種數據信息在同一界面的展示，提升了電纜通道管理的效率。

2.2 微功耗設計與高效電源管理技術

使用微功耗和高效的電源管理技術對電纜通道管理進行優化升級。電源損耗大部分來自開關器件MOSFET、二極管以及磁芯損耗，負載電阻的消耗是不變的，因此，外接負載越小，損耗率越高，輕載效率越低；在軟件系統方面，采用中斷驅動的方式，在低功耗的狀態下完成數據處理[4]。

2.3 物聯網通信技術

制定智慧物聯終端上行MQTT與下行COAP物聯網協議，并以此為標準研制相關的硬件設備，滿足國網公司構建輸電設備物聯網管理體系、推動感知設備物聯網化的要求，實現高壓電纜在線監測的不同場景、不同廠家與不同感知設備的統一接入。

2.4 邊緣計算技術

開展邊緣計算技術研究，基于國網電力公司統一的邊緣計算框架，研究面向設備管理業務的邊緣算法APP就地搭載和算法遠程配置機制，實現數據就地計算、算法遠程配置與接口標準統一，實現趨勢分析、自主預警與智能處置等高級應用功能，是完成事故性處置向預測型分析轉變的重要技術手段。

3 電纜通道智慧物聯終端的設計與實現

本系統以輸電電纜現狀為基礎，著力推進物聯網在電纜中的應用。隨著科學技術的不斷進步，使得智能化技術不斷成熟，并且逐漸深入到各個領域，給社會的發展提供了諸多便利，尤其是在電網管理方面，智能化的管理技術不但可以有效提升電網服務質量，而且還能幫助電力企業優化管理效率[5]。結合我國的國情，電網智能化管理的發展水平區域性差異較大，在能源危機的影響下，清潔能源、可再生能源的使用頻率逐漸提升，對電網的綜合性管理提出了更高的要求，如何利用當前有限的資源實現并網管理是電網工作者面臨的首要問題。

3.1 數據分析模型設計

基于微功耗理論的電纜通道智慧物聯終端的設計應用，主要是在靠近物或數據源頭的邊緣側就近提供計算和智能服務，解決了把計算放在云端而引起的網絡延時、網絡擁塞和服務質量下降等問題，也極大緩解了終端的算力壓力，為物聯網的進一步發展提供了可能性。搭載邊緣物聯終端的電網通道管理模型，實現數據的智能化決策管理，具體分析模型如表1所示。

3.2 系統架構設計

電纜通道智慧物聯終端系統采用云邊協同的設計理念和分布式結構設計，整體架構包括應用層、平臺層、網絡層和感知層。其中應用層包括在線監測管理模塊、生產準備及驗收模塊、狀態評價管理模塊、檢驗與試驗管理模塊、電纜及通道管理模塊、帶電檢測管理模塊、缺陷管理模塊、保電管理模塊、故障管理模塊、應急管理模塊等；平臺層包括電力企業的各項業務系統，即業務中控和數據中控管理；網絡層主要負責電力企業的數據傳輸[6]；感知層包括視頻監控、設備監測、消防監測、環境監測等?；谠七厖f同的電纜通道智慧終端架構如圖1所示。

圖1 電纜通道智慧終端架構圖

3.3 通信架構設計

電纜通道智慧終端的通信架構設計，按照全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化的基本要求，隧道內各監測子系統采用分區域監控、就近接入的方式，通過系統集成實現電纜隧道系統終端的集中監控，并通過電力專用通信通道與管理平臺互聯互通[7]。主干通信網絡應采用環網架構，同時遵循集中監控管理、分層分布式控制的原則。過程層設備通過硬接線或串口通信的方式，上傳過程層的傳感信息至間隔層設備，間隔層設備通過標準電力規約再上送至站控層。物聯終端網絡結構如圖2所示。

圖2 物聯終端網絡通信架構圖

3.4 平臺功能設計

邊緣物聯終端采用高速微處理器運行Linux操作系統，支持docker容器、4G/8G/16G/32GFlash硬盤擴展、智芯加密芯片和中國電科院開發的物聯網組件，可安全接入物聯管理平臺，搭載國網統一邊緣框架，實現docker容器及APP遠程升級、安裝、卸載、簽名驗證等管理，具備多源數據融合、邊緣計算、AI圖像識別、本地通信及遠程管理等功能，為高壓電纜及通道監測系統提供一套統一技術框架的邊緣物聯代理[8]。此外，平臺具備海量數據采集存儲能力，可實現對電纜通道內安裝的區域控制單元等采集數據的匯集、處理與轉發，對隧道現場區域控制單元的通信故障以及傳感器等設備故障進行監視，實時監測電纜護層電流、局放量等；支持對各設備的控制，包括通風、排水照明、電子井蓋、攝像機等，并實現各子系統并上報運管平臺。平臺能顯示所有隧道內區域控制單元的采集數據，且系統具備數據分析、預警、處理功能，可根據不同管理人員設置不同操作權限及角色規則。平臺能記錄測量數據和故障記錄，故障恢復記錄等相關參數，應提供曲線圖、柱狀圖等直觀圖表，應能對數據庫進行查詢、刪除、備份以及打印報表等操作[9]。

4 結語

綜上所述，我國在電纜隧道的監管上雖然有一定的成績，但總體上還處在快速發展期，還未形成系統化的電力隧道網絡；配置的各種監控設備雖然能夠實現獨特的功能，但各類設備之間缺少聯系，不能集成化管理，無法實現理想狀態的資源共享。本文設計的基于云邊協同的電纜通道智慧物聯終端及運管平臺實現了電纜通道的分布式管理、在線實時監測、全面感知以及智能化故障預警，有效提高了電纜運行管理的質量和效率，保障電纜通道及設備的安全，提高輸電線路的主動防護水平，為城市輸電搶修維修作業提供新的技術手段，增強輸電網的輸電穩定性，減少輸電網故障時間，保障電網的安全運行。