CN109599940A - 一种基于lpwan的配变状态远程监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LPWAN的配变状态远程监测系统及其方法，配变状态远程监测系统包括分布在现场的配电变压器状态监测装置、LPWAN接入基站、LPWAN核心网和电力公司监测主站。本发明基于物联网传感、状态信号采集处理及远程通信技术原理，在被监测配电变压器侧安装多种传感器及监测终端，传感器实时采集配电变压器环境及运行状态参数，监测终端内置处理器实时分析状态数据，当发生越限告警时，通过低功耗广域网(LPWAN)上报告警信息到电力公司监测中心，实现远程报警，提醒运维人员及时到现场处置，实现了对生产现场配电设备的智能化、自动化运维管理。

Description

一种基于LPWAN的配变状态远程监测系统及其方法

技术领域

本发明涉及计算机物联网通信领域，具体涉及一种基于LPWAN的配变状态远程监测系统及其方法。

背景技术

配电网设备数量大、分布范围广、通信环境复杂，如城市地下配电网通信的穿墙问题、农村配电设备监测的远距离通信难题。常规的光纤、无线、电力载波通信受限于通信距离、性能、施工成本及现场供电等难题，目前仅实现了配电网二次自动化设备“三遥”数据的通信，而大量的配电设备如配电变压器、架空及地埋线路、杆塔、电缆分支箱等线路设备运行状态因通信、取电等难题而无法有效监测。

适用于配网设备状态监测的无线通信技术包括两大类：一类是短距离无线通信技术，一类是低功耗广域网络(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)技术。

短距离无线通信技术包括WLAN、Zigbee、Bluetooth技术等，单跳通信距离通常小于100米，目前面向配变监测主要采用上述短距离无线通信技术。但是短距离无线通信技术存在以下问题：1)短距离无线通信技术的单跳通信距离短，需要通过复杂的组网技术来扩大网络覆盖范围，在农村配电设备状态监测等监测节点距离较远的环境中，还需额外部署中继节点来扩大网络覆盖范围；2)除WLAN技术外，其他短距离无线通信技术通常采用自组网通信方式，而配电设备数量较多、监测数据类型多样，不利于提高网络效率，保证业务的服务质量，且给网络管理带来了较大的挑战；3)短距离无线通信系统的穿墙性能较差，不适用于城市地下配电网环境的状态监测；4)短距离无线通信网络的安全性、可靠性及实用化水平有待提高。

LPWAN是近几年兴起的面向物联网应用的通信技术，如LoRa、Sigfox、窄带物理网(Narrow Band-Internet ofThings，NB-IoT)技术等。低功耗广域无线通信技术单跳通信距离可达几千米，甚至几十千米，支持的连接数量上万个，且功耗较低(电池供电通常为3～10年)。低功耗广域无线通信技术自提出以来发展异常迅速，其中NB-IoT技术采用蜂窝通信方式，通信距离可达几十公里，单小区支持5万连接，节点功耗为10年，穿墙性能好(通信信号可穿透3堵墙)，得到了世界范围内很多设备生产商和移动运营商的关注

NB-IoT是由3GPP制定的国际通用标准，具备集中式通信、低功耗、广深覆盖、低成本、支持海量连接、高可靠性特点，是一种适合于长距离、低功耗广域(LPWA)覆盖场景中小数据传输的物联网通信技术。因此，本发明专利提出基于该技术的配电变压器状态监测系统，实现对配变运行环境温度、湿度、变压器油温、电缆接头点温度、配电柜门禁、三相电流越限等状态实时监测和远程告警。

发明内容

为解决上述问题，本发明基于物联网传感、状态信号采集处理及远程通信技术原理，在被监测配电变压器侧安装多种传感器及监测终端，传感器实时采集配电变压器环境及运行状态参数，监测终端内置处理器实时分析状态数据，当发生越限告警时，通过低功耗广域网(LPWAN)上报告警信息到电力公司监测中心，实现远程报警，提醒运维人员及时到现场处置，实现了对生产现场配电设备的智能化、自动化运维管理。

本发明具体为一种基于LPWAN的配变状态远程监测系统，所述配变状态远程监测系统包括分布在现场的配电变压器状态监测装置、LPWAN接入基站、LPWAN核心网和电力公司监测主站；所述配电变压器状态监测装置与配电变压器相连，所述监测主站通过LPWAN网络与所述配电变压器状态监测装置进行通信；所述配电变压器状态监测装置实时采集相应配电变压器现场环境温湿度、变压器本体运行的温度、电流大小和开关状态信息，并对采集的信息数据进行实时分析，发现异常即启动报警；报警信息通过LPWAN无线网络传送到电力公司监测主站；电力公司监测主站对报警信息进行再次分析与确认，若确认报警信息无误，则发布警情，并根据报警信息通知相应的安检巡视人员到现场进行处置。

进一步的，所述配电变压器状态监测装置包括油温传感器、接头温度传感器、温湿度传感器、振动传感器、开关变位传感器、电流传感器、门磁、信号处理单元、微控制器、电池组和LPWAN无线模组；所述油温传感器、所述接头温度传感器、所述温湿度传感器、所述振动传感器、所述开关变位传感器、所述电流传感器和所述门磁均连接到所述信号处理单元，所述信号处理单元和所述微控制器进行双向连接，所述微控制器和所述LPWAN无线模组进行双向连接；所述电池组分别连接到所述信号处理单元、所述微控制器和所述LPWAN无线模组，为所述信号处理单元、所述微控制器和所述LPWAN无线模组进行供电。

进一步的，所述油温传感器、所述接头温度传感器、所述温湿度传感器、所述振动传感器、所述开关变位传感器、所述电流传感器和所述门磁分别对变压器油温度、高低压导线接头温度、环境温湿度、变压器振动情况、开关变位情况、低压三相电流和变压器箱体门禁情况进行检测，并将检测到的信息发送给所述信号处理单元。

进一步的，所述信号处理单元主要完成对各传感器输出的微弱模拟信号的处理，输出适合于微控制器处理的数字信号。

进一步的，所述微控制器采集各种传感器的数据信息，实时分析采集到的配变状态参数，判断配变运行状态是否正常，并做出评估，若参数异常则控制LPWAN无线模组发出无线报警信号到电力公司监测主站。

进一步的，所述LPWAN无线模组负责无线信号的发送和接收，实现低功耗广域网络无线基站的接入，将微控制器输出的数字报警信号通过低功耗广域网络远程传送到电力公司配变状态监测主站。

进一步的，所述微控制器选用单芯片低功耗微处理器，内带CPU及RAM、ROM、FLASH存储器。

本发明还包括一种基于LPWAN的配变状态远程监测方法，具体包括如下步骤：

步骤(1)、各传感器分别对变压器油温度、高低压导线接头温度、环境温湿度、变压器振动情况、开关变位情况、低压三相电流和变压器箱体门禁情况进行检测；

步骤(2)、对各传感器输出的微弱模拟信号进行处理，输出适合于微控制器处理的数字信号；

步骤(3)、实时分析采集到的配变状态参数，判断配变运行状态是否正常，并做出评估，若配变运行状态正常，返回步骤(1)，若配变运行状态异常，进入步骤(4)；

步骤(4)、唤醒LPWAN无线模组；

步骤(5)、发出无线报警信号至监测主站；

步骤(6)、监测主站对报警信号进行再次分析与确认，若配变运行状态正常，返回步骤(1)，若配变运行状态异常，进入步骤(7)；

步骤(7)、监测主站发布警情；

步骤(8)、监测主站根据报警信息通知相应的安检巡视人员；

步骤(9)、相应的安检巡视人员到现场进行处置，排查配电变压器故障。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明基于低功耗广域网络(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)技术实现的配电变压器运行状态远程监测，利用运营商LPWAN无线网络，无须自建无须专网，具有广深覆盖、低成本、高可靠、实施方便等优点，解决了长期以来制约户外及地下室场合配电变压器监测的通信难题。

2、本发明提出的配变状态监测装置采用LPWAN无线模组，具有低功耗的优点，同时配合睡眠唤醒等控制策略，可以极大降低设备功耗，设备可采用大容量电池供电持续使用5年以上，解决了配电变压器高压侧取电难题，现场安装使用无须布电源线，安全可靠、免维护。

3、本发明提出的配变状态监测装置可外扩包括温湿度环境量、开关变位等状态量及电流等电气量多参量采集，采集信息经微处理器综合分析判断发出异常报警信号，具有先进的物联网感知与边缘计算分析优势，相比于现有的独立参数传感和多跳组网报警，功能更全，系统结构更简单。

4、系统部署灵活，安装使用安全、方便实施、不用停电安装的优点。

5、系统装置采用成熟的物联网技术和LPWAN无线报警技术，整体性价比高。

附图说明

图1为本发明基于LPWAN的配变状态远程监测系统的整体结构图；

图2为本发明提出的配电变压器状态监测装置构成图；

图3为本发明基于LPWAN的配变状态远程监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明一种基于LPWAN的配变状态远程监测系统及其方法具体实例做详细阐述。

本发明提供一种基于低功耗广域网络(Low-Power Wide-AreaNetwork，LPWAN)技术实现的配电变压器运行状态远程监测方法及系统，主要包括三大部分：配变状态监测终端、LPWAN网络、配变监测系统主站。

图1为本发明提出的基于低功耗广域网(LPWAN)的配电变压器状态远程监测的系统构成图。系统由分布在现场的配电变压器状态监测终端、LPWAN接入基站、LPWAN核心网、电力公司监测主站构成。安装在现场配电变压器上的监测终端实时采集配电变压器现场环境温度、湿度量及变压器本体运行的温度量、电流大小、开关状态等信息，实时分析数据，发现异常即可启动报警。报警信息通过LPWAN无线网络传送到电力公司监测管理系统主站，通知安检巡视人员到现场进行处置。

图2为本发明提出的配变状态监测装置构成图。装置由多种传感器、信号处理单元、智能控制器MCU单元、LPWAN无线模组和电池供电单元几部分。

传感器主要包括环境及变压器状态传感，如环境温度、湿度、变压器本体温度、变压器油温度、高压导线接头温度、低压导线接头温度、变压器振动、低压三相电流、开关变位、变压器箱体门禁等状态量，是配电变压器运行状态的重要参数。信号处理单元主要完成对传感器输出的微弱模拟信号的处理，输出适合于微控制器MCU处理的数字信号。智能控制器MCU采集各种传感器数据信息，实时分析采集到的配变状态参数，判断配变运行状态是否正常，并做出评估，若参数异常则控制LPWAN无线模组发出无线报警信号到电力公司监测主站。LPWAN无线模组负责无线信号的发送和接收，实现低功耗广域网络无线基站的接入，将MCU输出的数字报警信号通过低功耗广域网络远程传送到电力公司配变状态监测主站。电源供电单元负责对各单元电路提供工作电源，配电变压器是一种高压设备，大多安装在户外环境，直接从变压器取监测装置所需的低压电源不安全也不方便，本发明采用电池供电，解决监测装置使用的安全性和便捷性难题。整个装置选用低功耗电路，传感器选用无源传感器，MCU选用单芯片低功耗微处理器，内带CPU及存储器RAM、ROM、FLASH等资源；无线模组选用低功耗高灵敏度的LPWAN无线技术，极大的降低了功耗，选用常规容量锂电池可保证5年以上的供电需求。

图3为本发明提出的配变状态监测报警流程图。配变状态监测终端实时采集各种传感器状态信号，分析变压器运行状态数据，若数据越限则产生报警信号，唤醒LPWAN无线模组，发出无线报警信号，监测系统主站接到现场配变监测装置发出的无线报警信号，进行智能化分析处理，并通知安检巡查人员现场处置。

最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (8)

1.一种基于LPWAN的配变状态远程监测系统，其特征在于，所述配变状态远程监测系统包括分布在现场的配电变压器状态监测装置、LPWAN接入基站、LPWAN核心网和电力公司监测主站；所述配电变压器状态监测装置与配电变压器相连，所述监测主站通过LPWAN网络与所述配电变压器状态监测装置进行通信；所述配电变压器状态监测装置实时采集相应配电变压器现场环境温湿度、变压器本体运行的温度、电流大小和开关状态信息，并对采集的信息数据进行实时分析，发现异常即启动报警；报警信息通过LPWAN无线网络传送到电力公司监测主站；电力公司监测主站对报警信息进行再次分析与确认，若确认报警信息无误，则发布警情，并根据报警信息通知相应的安检巡视人员到现场进行处置。

2.根据权利要求1所述的一种基于LPWAN的配变状态远程监测系统，其特征在于，所述配电变压器状态监测装置包括油温传感器、接头温度传感器、温湿度传感器、振动传感器、开关变位传感器、电流传感器、门磁、信号处理单元、微控制器、电池组和LPWAN无线模组；所述油温传感器、所述接头温度传感器、所述温湿度传感器、所述振动传感器、所述开关变位传感器、所述电流传感器和所述门磁均连接到所述信号处理单元，所述信号处理单元和所述微控制器进行双向连接，所述微控制器和所述LPWAN无线模组进行双向连接；所述电池组分别连接到所述信号处理单元、所述微控制器和所述LPWAN无线模组，为所述信号处理单元、所述微控制器和所述LPWAN无线模组进行供电。

3.根据权利要求2所述的一种基于LPWAN的配变状态远程监测系统，其特征在于，所述油温传感器、所述接头温度传感器、所述温湿度传感器、所述振动传感器、所述开关变位传感器、所述电流传感器和所述门磁分别对变压器油温度、高低压导线接头温度、环境温湿度、变压器振动情况、开关变位情况、低压三相电流和变压器箱体门禁情况进行检测，并将检测到的信息发送给所述信号处理单元。

4.根据权利要求2所述的一种基于LPWAN的配变状态远程监测系统，其特征在于，所述信号处理单元主要完成对各传感器输出的微弱模拟信号的处理，输出适合于微控制器处理的数字信号。

5.根据权利要求2所述的一种基于LPWAN的配变状态远程监测系统，其特征在于，所述微控制器采集各种传感器的数据信息，实时分析采集到的配变状态参数，判断配变运行状态是否正常，并做出评估，若参数异常则控制LPWAN无线模组发出无线报警信号到电力公司监测主站。

6.根据权利要求2所述的一种基于LPWAN的配变状态远程监测系统，其特征在于，所述LPWAN无线模组负责无线信号的发送和接收，实现低功耗广域网络无线基站的接入，将微控制器输出的数字报警信号通过低功耗广域网络远程传送到电力公司配变状态监测主站。

7.根据权利要求2所述的一种基于LPWAN的配变状态远程监测系统，其特征在于，所述微控制器选用单芯片低功耗微处理器，内带CPU及RAM、ROM、FLASH存储器。

8.一种基于LPWAN的配变状态远程监测方法，基于权利要求2-7中任一项所述的基于LPWAN的配变状态远程监测系统，其特征在于，所述配变状态远程监测方法具体包括如下步骤：

步骤(1)、各传感器分别对变压器油温度、高低压导线接头温度、环境温湿度、变压器振动情况、开关变位情况、低压三相电流和变压器箱体门禁情况进行检测；

步骤(2)、对各传感器输出的微弱模拟信号进行处理，输出适合于微控制器处理的数字信号；

步骤(3)、实时分析采集到的配变状态参数，判断配变运行状态是否正常，并做出评估，若配变运行状态正常，返回步骤(1)，若配变运行状态异常，进入步骤(4)；

步骤(4)、唤醒LPWAN无线模组；

步骤(5)、发出无线报警信号至监测主站；

步骤(6)、监测主站对报警信号进行再次分析与确认，若配变运行状态正常，返回步骤(1)，若配变运行状态异常，进入步骤(7)；

步骤(7)、监测主站发布警情；

步骤(8)、监测主站根据报警信息通知相应的安检巡视人员；

步骤(9)、相应的安检巡视人员到现场进行处置，排查配电变压器故障。