基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力井感知網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

喻 旻，何 峰，徐 俊，張曉宇，宋志成

（國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司鷹潭供電分公司，江西 鷹潭 335000）

0 引言

隨著國(guó)家城市化進(jìn)程的深入，配電網(wǎng)電纜化率也節(jié)節(jié)攀升。而近年來，關(guān)于電力井的安全事故屢有發(fā)生，主要集中在行人誤墜、井下起火、井內(nèi)電纜被盜[2]等幾方面，造成了難以估量的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。

面對(duì)日趨嚴(yán)峻的安全形勢(shì)，加強(qiáng)電力井運(yùn)維的重要性日益凸顯[3-4]。然而現(xiàn)階段面臨以下幾點(diǎn)問題：一是運(yùn)維人員不足。以江西省內(nèi)某地市公司城網(wǎng)為例，10 kV電力井近1500座，運(yùn)維人員人均運(yùn)維量超200座；二是巡檢效率低下。面對(duì)星羅密布的電力井，運(yùn)維人員只有通過季度巡視或群眾反映才可得知其異常工況，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理隱患；三是巡檢質(zhì)量脫管。運(yùn)維人員在對(duì)電力井進(jìn)行下井巡視、更換井蓋、抽水清淤等運(yùn)維工作后，管理人員無從得知現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維效果。因此有必要設(shè)計(jì)一套智能化感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力井各項(xiàng)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)捕捉、告警和預(yù)判。

目前國(guó)內(nèi)已有基于GPRS通訊，通過溫度探針、加速度傳感器、超聲波等傳感裝置進(jìn)行井下監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)[5]，但均存在井下3G/4G信號(hào)差、傳感器可靠性低、功耗較大、安裝困難、成本偏高等缺點(diǎn)。且多數(shù)為獨(dú)立的動(dòng)力環(huán)境系統(tǒng)，未實(shí)現(xiàn)與配電網(wǎng)電氣量數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)，也未考慮與智能化供電服務(wù)指揮系統(tǒng)業(yè)務(wù)融合。為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一套基于NB-IoT技術(shù)的電力井感知網(wǎng)絡(luò)。

1 NB-IoT技術(shù)優(yōu)勢(shì)

本文構(gòu)建的感知網(wǎng)絡(luò)選用近年來新興的NB-IoT技術(shù)進(jìn)行信息傳輸組網(wǎng)，充分發(fā)揮其覆蓋強(qiáng)、連接大、功耗低、架構(gòu)優(yōu)、成本小的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，與井下各類傳感器數(shù)據(jù)傳輸需求高度契合，是電力井感知網(wǎng)絡(luò)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。其優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下（見圖1）。

1.1 深度覆蓋

相比傳統(tǒng)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT可以提供20 dB的覆蓋增益，覆蓋面積擴(kuò)大4倍，信號(hào)可穿透幾面墻直達(dá)地下5 m，可解決井下傳感器信號(hào)回傳問題。

1.2 超低功耗

NB-IoT由于聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，功耗非常小，正常通信和待機(jī)電流是mA和μA級(jí)別，相當(dāng)于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)功耗的十分之一。這使得傳感器整體功耗進(jìn)一步下降，擺脫外接電源（如互感器、光伏板等）的束縛，使用一次性鋰電池即可實(shí)現(xiàn)待機(jī)時(shí)間5~8年。

1.3 優(yōu)良架構(gòu)

NB-IoT可直接在原4G FDD基站上升級(jí)實(shí)現(xiàn)部署，且終端無需網(wǎng)關(guān)支持，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的獨(dú)立上傳，這一舉打破了傳感器終端（Zig-Bee）與匯聚單元（GPRS通信）的傳統(tǒng)組合模式，壓縮了信息傳輸層級(jí)，大幅提高回傳速率。

1.4 安全質(zhì)量

相較同為L(zhǎng)PWAN（低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)）的LoRa，NB-IoT由3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義，于主流運(yùn)行商授權(quán)頻段部署，具有安全性高、傳輸質(zhì)量佳的優(yōu)點(diǎn)，更適用于電力行業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高安全性、高保真性的要求。

1.5 成本低廉

目前NB-IoT模組成本單價(jià)在35元左右，相比3G/4G模組已有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，隨著芯片產(chǎn)業(yè)鏈的形成，未來有可能進(jìn)一步降低到7元，且通訊資費(fèi)每月僅需1元，綜合成本低廉，非常適合規(guī)模擴(kuò)大。

圖1 NB-IoT技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文構(gòu)建的感知網(wǎng)絡(luò)由感知采集層、信息傳輸層、綜合分析層、前端應(yīng)用層構(gòu)成（見圖2），各層組成及功能如下：

2.1 感知采集層

由安裝于電力井中的各類傳感單元組成，以一座電纜中間接頭檢修井為例，井口位置裝設(shè)有井蓋開合傳感器、井壁裝設(shè)環(huán)境溫濕度傳感器、井底布設(shè)水位及有害氣體傳感器、電纜中間接頭表皮裝設(shè)溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力井各類非電氣量全方位監(jiān)測(cè)[6]。傳感器設(shè)計(jì)遵循耐用可靠、低功耗、低成本的原則，具備異常數(shù)據(jù)（如井蓋異常開啟、井內(nèi)溫度越限等）實(shí)時(shí)報(bào)警、普通數(shù)據(jù)（井內(nèi)日常溫濕度等）定點(diǎn)收集的功能。

2.2 信息傳輸層

基于NB-IoT進(jìn)行組網(wǎng)，每個(gè)底層傳感器都配有NB-IoT通訊模塊，充分利用NB-IoT強(qiáng)大的連接能力（單小區(qū)5萬接入）和信號(hào)覆蓋能力（較4G網(wǎng)絡(luò)20dB增益，地下5 m信號(hào)覆蓋），實(shí)現(xiàn)感知采集層數(shù)據(jù)獨(dú)立上傳運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器，再通過VPN傳輸至綜合分析層。

2.3 綜合分析層

在配電自動(dòng)化主站的Ⅲ區(qū)搭建物聯(lián)網(wǎng)接入分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)感知采集層數(shù)據(jù)的接入、解碼與分類，異常數(shù)據(jù)報(bào)警直接推送至前端應(yīng)用層，普通數(shù)據(jù)由配電自動(dòng)化主站進(jìn)行大數(shù)據(jù)積累和對(duì)比分析，分析結(jié)果推送至前端應(yīng)用層。

2.4 前端應(yīng)用層

由智能供電服務(wù)指揮系統(tǒng)和運(yùn)維人員掌上APP構(gòu)成，負(fù)責(zé)將綜合分析層推送的電力井工況數(shù)據(jù)進(jìn)行地理圖全景展示與監(jiān)控，針對(duì)異常數(shù)據(jù)智能制定巡檢路線，自動(dòng)派發(fā)工單至運(yùn)維人員APP，運(yùn)維人員按規(guī)劃路線進(jìn)行電力井工況檢查與消缺處理，結(jié)束后在APP端回單，系統(tǒng)可根據(jù)井蓋開合情況及井內(nèi)異常狀態(tài)量是否消除對(duì)運(yùn)維質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成電力井運(yùn)維數(shù)據(jù)鏈閉環(huán)。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)拓?fù)鋱D

3 數(shù)據(jù)應(yīng)用與功能實(shí)現(xiàn)

通過將井內(nèi)綜合運(yùn)行工況數(shù)據(jù)分為異常和普通數(shù)據(jù)兩大類，執(zhí)行差異化處理邏輯，實(shí)現(xiàn)以下功能：

3.1 針對(duì)異常類數(shù)據(jù)快速報(bào)警

電力井感知網(wǎng)絡(luò)在感知層部署了井蓋開合和井內(nèi)溫度傳感裝置（見圖3），其中井蓋監(jiān)測(cè)裝置每10 S檢測(cè)一次井蓋位置信息，且采用多級(jí)防誤觸算法，消除車輛碾壓導(dǎo)致井蓋震動(dòng)的誤報(bào)，確保井蓋開啟事件的準(zhǔn)確判斷報(bào)警；井內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)裝置設(shè)置有溫度越限和溫升過快雙重報(bào)警閾值，溫度上限設(shè)置為70℃，溫度突升設(shè)置為20℃/5 min，確保井內(nèi)火災(zāi)隱患不遺漏。該兩類報(bào)警信號(hào)將在1 min內(nèi)傳至系統(tǒng)后臺(tái)，分析處理后以地理圖報(bào)警定位的形式推送至運(yùn)維人員掌上APP，做到實(shí)時(shí)響應(yīng)、準(zhǔn)確定位。

圖3 電纜測(cè)溫和井蓋分合傳感器實(shí)裝圖

3.2 針對(duì)普通類數(shù)據(jù)積累分析

電力井感知網(wǎng)絡(luò)對(duì)井內(nèi)溫度[7]、井內(nèi)水位、電纜中間接頭表皮溫度等日常數(shù)據(jù)進(jìn)行每24 h數(shù)據(jù)包采樣，在綜合分析層進(jìn)行該類非電氣量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)積累和挖掘分析，一方面在時(shí)間維度和地區(qū)維度進(jìn)行大數(shù)據(jù)比對(duì)分析，實(shí)現(xiàn)隱患預(yù)判，如同一區(qū)域內(nèi)A、B、C三座電力井，井內(nèi)溫度均在過溫限值以內(nèi)，但B井近一個(gè)月內(nèi)每日平均溫升遠(yuǎn)大于A、C兩座井，可推測(cè)B井內(nèi)電纜存在發(fā)熱隱患[8]；另一方面與電纜線路的負(fù)荷、電流等電氣量數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證，運(yùn)用貝葉斯算法（通過大數(shù)據(jù)訓(xùn)練更新事件發(fā)生的條件概率）逐步推算井下溫濕度與電纜中間接頭放電隱患之間的相關(guān)性，為電纜中間接頭故障查找提供數(shù)據(jù)支撐[9]。

3.3 實(shí)現(xiàn)周期巡視到狀態(tài)巡視的轉(zhuǎn)變

依托對(duì)電力井綜合工況的在線監(jiān)測(cè)，運(yùn)維人員不再需要進(jìn)行電力井周期性巡視，系統(tǒng)將綜合分析轄區(qū)內(nèi)各井?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合地理圖制定巡視策略和規(guī)劃巡視路徑，運(yùn)維人員可根據(jù)掌上APP中工單引導(dǎo)進(jìn)行狀態(tài)巡視（見圖4），省時(shí)省力。

圖4 APP使用效果圖

3.4 實(shí)現(xiàn)運(yùn)維質(zhì)量的管控閉環(huán)

在運(yùn)維人員普遍使用掌上APP進(jìn)行狀態(tài)巡視后，管理人員可根據(jù)APP巡視軌跡和井蓋開合時(shí)間評(píng)定運(yùn)維人員巡視到位率，再根據(jù)電力井異常狀態(tài)量消除情況或APP工單重復(fù)出現(xiàn)率考評(píng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維質(zhì)量，有理有據(jù)。

4 效益與前景

4.1 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)估

一是有效防范人身設(shè)備安全事故。電力井感知網(wǎng)絡(luò)部署完成后可基本杜絕人員誤墜井、井內(nèi)電纜被盜、井內(nèi)火災(zāi)蔓延等安全隱患，有效避免人身、設(shè)備損失。以江西省內(nèi)某地市公司為例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年因人員、車輛誤墜井發(fā)生的經(jīng)濟(jì)賠償達(dá)數(shù)萬元，因電纜盜竊造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)十余萬元，因井下電力火災(zāi)（如中間接頭發(fā)熱爆炸）造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)五萬元。按此估算每年可避免10 kV電纜網(wǎng)經(jīng)濟(jì)損失4.3萬/百公里，折算至全省每年可避免損失135萬元左右。

二是大幅節(jié)省人力成本。項(xiàng)目實(shí)施后，電力井由周期性巡視轉(zhuǎn)為狀態(tài)巡視，初步計(jì)算每百公里電纜通道每季度可節(jié)約巡視人員36人次，另一方面可節(jié)約未投運(yùn)電纜的防盜看守費(fèi)用每座電力井每天近300元。

三是綜合造價(jià)優(yōu)勢(shì)明顯。隨著國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)浪潮的到來，各類傳感器、MCU、NB-IoT通信芯片出貨量暴增，其價(jià)格走勢(shì)基本遵循摩爾定律（約每隔18-24個(gè)月同性能的集成電路價(jià)格將下降一倍），如本項(xiàng)目已研發(fā)成功的電纜中間接頭測(cè)溫裝置和智能井蓋監(jiān)測(cè)裝置綜合造價(jià)均在千元之內(nèi)，規(guī)?；a(chǎn)攤銷研發(fā)費(fèi)用后可低至300~500元，且免維護(hù)運(yùn)行周期在5年以上，具有很大的推廣潛力。

4.2 市場(chǎng)推廣前景

隨著國(guó)家城市化進(jìn)程的大步邁進(jìn)，電力井等基礎(chǔ)設(shè)施的日益增加與運(yùn)維人員結(jié)構(gòu)性缺員之間的矛盾將長(zhǎng)期存在。在“萬物互聯(lián)”的大趨勢(shì)下，電力井感知網(wǎng)絡(luò)具有架構(gòu)清晰、部署快捷、效用明顯、投入合理等優(yōu)點(diǎn)，著力于解決電力井運(yùn)維的核心安全問題，消除隱患盲區(qū)，適合在全國(guó)范圍內(nèi)電纜覆蓋率30%以上的城鎮(zhèn)等區(qū)域推廣，還可應(yīng)用于地下開閉所、配電室等場(chǎng)所，為配網(wǎng)電纜精益化管理提供了新的技術(shù)手段。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于NB-IoT技術(shù)，由感知采集層、信息傳輸層、綜合分析層、前端應(yīng)用層組成的智能電力井感知網(wǎng)絡(luò)。論證了該感知網(wǎng)絡(luò)具備對(duì)電力井各類常見安全隱患的動(dòng)態(tài)捕捉、跟蹤、告警和預(yù)判能力，為有效解決運(yùn)維人員不足、巡檢效率低下、巡檢質(zhì)量脫管等問題提供了新的思路和參考。