焦莉平+龐成鑫

摘 要：提出了基于LoRa技術(shù)的無線連續(xù)測溫方法，應(yīng)用于電纜的表面測溫。利用數(shù)字溫度傳感器與LoRa射頻模塊相結(jié)合來測量電纜表面溫度并且發(fā)送與接收信號。利用LoRa網(wǎng)關(guān)將終端的數(shù)據(jù)上傳，利用3G/4G技術(shù)傳輸?shù)娇蛻舴?wù)端。將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷并預(yù)測電纜接頭以及電纜本體的狀態(tài)，從而達(dá)到實(shí)時連續(xù)的監(jiān)測電纜溫度，為運(yùn)行維護(hù)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：LoRa；長距離；低功耗；電纜；無線測溫

中圖分類號：TM855 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0104-02

引言

隨著電壓等級的不斷提高和電力系統(tǒng)中電力電纜使用的增多，電纜線路運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測就顯得越來越重要。而電纜線路的運(yùn)行維護(hù)存在著檢修安裝人員數(shù)量不足以及檢修工程量大的問題[1]，電力電纜的狀態(tài)監(jiān)測亟需技術(shù)支持，以實(shí)時得到電纜的運(yùn)行狀態(tài)來得出相應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)策略。

電纜運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的重要參數(shù)是導(dǎo)體溫度，這也是決定電纜壽命和載流量的重要依據(jù)[2]。實(shí)驗(yàn)研究表明，電纜溫度能夠較為準(zhǔn)確的反映出電纜的絕緣狀況并確定其載流量[3]，因

此，快速、準(zhǔn)確確定電纜溫度分布具有重要意義。

目前電纜測溫技術(shù)主要有無線測溫、紅外、光纖光纜、線性測溫電纜，其中紅外分為紅外線性溫度測試儀、紅外熱成像儀[4-6]。紅外線溫度測試儀與紅外熱成像儀技術(shù)均需要人為的使用儀器到現(xiàn)場測量電纜某一局部的溫度分布，成本高需要大量人力、且不能實(shí)時監(jiān)測。光纖光纜測溫技術(shù)對于目前已經(jīng)敷設(shè)的電纜來說價格較高，且只能使用在被測電纜敷設(shè)完好的情況下，電纜斷裂或故障起火導(dǎo)致光纖斷裂后，則該線路無法繼續(xù)監(jiān)測。線性測溫電纜所檢測的溫度是區(qū)域性的，無法確定是電纜哪個部位出現(xiàn)問題，且需要較多的通訊電纜。無線測溫技術(shù)具有良好的絕緣性和抗電磁干擾的性能，機(jī)動性強(qiáng)，靈活性好因此實(shí)用性較強(qiáng)，正在逐漸被認(rèn)可使用。

LoRa全稱是“Long Rang”，是基于擴(kuò)頻技術(shù)的，在1GHz以下的超長距離低功耗的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[8]。其工作在非授權(quán)頻段，利于組建私有網(wǎng)絡(luò)，不需額外付費(fèi)[9]。傳輸速率較低，一般為0.3～50kb/s，這有利于延長電池壽命。信號穿透能力強(qiáng)，且采用Chirp擴(kuò)頻調(diào)制，具有很好的抗干擾性能與長距離傳輸性能，地面上的傳輸距離超過15km被廣泛應(yīng)用于軍事和航天通信。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用速率自適應(yīng)（ADR）方案來控制服務(wù)器與終端的通信。LoRa技術(shù)的這些特點(diǎn)使得其特別適用于低成本大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署。目前，已在世界56個國家開始試點(diǎn)或部署[9]。因此，將該技術(shù)應(yīng)用于電纜無線測溫將會使得檢測系統(tǒng)更先進(jìn)、更簡單。

本文提出一種基于LoRa技術(shù)的電纜無線連續(xù)測溫的方法，該方法總結(jié)并利用了電纜以往的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，通過傳感器實(shí)時監(jiān)測電纜接頭、電纜本體的溫度，進(jìn)而判斷電纜的運(yùn)行狀況，在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立基于不同數(shù)學(xué)模型的預(yù)測報警體系，及時發(fā)現(xiàn)問題，降低經(jīng)濟(jì)損失。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

基于LoRa的電纜無線連續(xù)測溫系統(tǒng)的設(shè)計如圖1所示。

本系統(tǒng)由以下幾部分組成：第一部分，終端節(jié)點(diǎn)。這部分由溫度傳感器與LoRa終端模塊組成。主要完成測量電纜表面溫度以及將溫度數(shù)據(jù)上傳、以及接受任意時刻測量溫度下行命令的作用。其中，溫度傳感器選用TSYS01， LoRa終端模塊中射頻模塊選用SX1276，MCU模塊選用STM32L073模塊。第二部分為LoRa網(wǎng)關(guān)。LoRa網(wǎng)關(guān)需要遵循LoRaWAN協(xié)議，并且要有以太網(wǎng)口、WIFI模塊以及4G/3G模塊，以便于按照實(shí)際情況，自由選擇網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或云端服務(wù)器之間的通信方式。電纜敷設(shè)距離長、范圍廣，因此可以在需要的地方設(shè)置小網(wǎng)關(guān)，增加系統(tǒng)的靈活性與可靠性。第三部分，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或者云端服務(wù)器。在這里將電纜溫度信息匯聚以及處理。第四部分，客戶端服務(wù)中心。web頁面以及手機(jī)APP，以利于監(jiān)控中心的人員試試了解電纜狀況。將電纜的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出電纜的運(yùn)行狀態(tài)，并且錄入預(yù)測模型，預(yù)測電纜的運(yùn)行狀態(tài)以達(dá)到快速準(zhǔn)確反映電纜狀態(tài)以及為運(yùn)行維護(hù)提供預(yù)測建議的目的。

2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計

終端節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，負(fù)責(zé)測量電纜溫度，并且進(jìn)行預(yù)處理后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計如圖2所示。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是對傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并且給出電纜的狀態(tài)分析。同時，監(jiān)控系統(tǒng)還可以實(shí)時查看某一電纜線路的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測。在數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后，對電纜狀態(tài)進(jìn)行評價與預(yù)測，并且對危險狀態(tài)報警，對預(yù)警狀態(tài)提出警報，讓運(yùn)維人員可以方便、高效、準(zhǔn)確的對電纜進(jìn)行維護(hù)。

國家電網(wǎng)運(yùn)維規(guī)程及國際大電網(wǎng)多個專題報告中，針對電纜線路的健康狀況，在進(jìn)行量化分析時常用1、2、3、4來衡量，國網(wǎng)電纜線路狀態(tài)導(dǎo)則中將狀態(tài)分為正常、注意、異常和嚴(yán)重這四個等級[5]。監(jiān)控系統(tǒng)依據(jù)對傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)的分析，得出電纜運(yùn)行狀態(tài)，并且對電纜運(yùn)行非正常狀態(tài)提出警報，引起運(yùn)維人員注意。

4 預(yù)警數(shù)學(xué)模型

電纜表面溫度無法直接反應(yīng)電纜的運(yùn)行狀態(tài)，必須知道導(dǎo)體溫度，才可以進(jìn)行判斷。電力電纜運(yùn)行中導(dǎo)體的溫度是確定電纜是否達(dá)到載流量的依據(jù)[10]。根據(jù)電纜實(shí)時表面溫度結(jié)合數(shù)學(xué)模型，可以判斷電纜是否達(dá)到甚至超過載流量，從而得到電纜暫態(tài)的數(shù)學(xué)模型，從而滿足工程與實(shí)際需要。

本文通過電纜熱路簡化模型推導(dǎo)出電纜表面溫度與導(dǎo)體溫度的關(guān)系，依據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，得出理論計算下電纜導(dǎo)體暫態(tài)溫度。

本文以110kV XLPE電纜為例，給出簡化的暫態(tài)熱路模型，如圖3所示。

其中，Qi為電纜各層損耗，Ci為電纜各層熱熱容，Ti為電纜各層溫度，Ri為電纜各層熱阻。

針對圖3模型列寫節(jié)點(diǎn)電壓方程，得：

對式（1）-（5）進(jìn)行積分得：

其中，T1（t）為導(dǎo)體實(shí)時溫度，g（Ti0）為暫態(tài)時電纜各層初始溫度，σ（T6）為電纜表面溫度。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套基于LoRa技術(shù)的無線電纜表面測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用了LoRa長距離低功耗的傳輸技術(shù)，結(jié)合低功耗出數(shù)字傳感器設(shè)計了監(jiān)測終端，并且利用LoRa網(wǎng)關(guān)以及3G/4G技術(shù)與客戶服務(wù)端通信從而達(dá)到檢測的目的。結(jié)合電纜的熱路模型，利用測得的電纜表面溫度得到電纜導(dǎo)體溫度，進(jìn)而得知電纜的暫態(tài)溫度，達(dá)到實(shí)時監(jiān)控的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]周承科，李明貞，王航，等.電力電纜資產(chǎn)的狀態(tài)評估與運(yùn)維決策綜述[J].高電壓技術(shù)，2016（08）：2353-2362.

[2]呂安強(qiáng)，寇欣，尹成群，等.三芯海底電纜中復(fù)合光纖與導(dǎo)體溫度關(guān)系建模[J].電工技術(shù)學(xué)報，2016（18）.

[3]王有元，陳仁剛，陳偉根，等.有限元法計算地下電纜穩(wěn)態(tài)溫度場及其影響因素[J].高電壓技術(shù)，2009（12）.

[4]徐元哲，王樂天，劉雪冬，等.電力電纜接頭測溫系統(tǒng)的設(shè)計[J].高電壓技術(shù)，2009（12）：2977-2982.

[5]江超.基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析[M].清華出版社，2013，5.

[6]顧志銘.基于Zigbee的高壓電力電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].上海交通大學(xué)，2012.

[7]王慧.電力電纜光纖拉曼測溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法的研究[D].遼寧工業(yè)大學(xué)，2017.

[8]吳方亮，吳加倫，陳宇.線性測溫電纜的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2017（01）：73-75.

[9]王陽，溫向明，路兆銘，等.新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——LoRa[J].信息通信技術(shù)，2017（01）：55-59+72.

[10]劉剛，雷成華，劉毅剛.根據(jù)電纜表面溫度推算導(dǎo)體溫度的熱路簡化模型暫態(tài)誤差分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011（04）：212-217.endprint