CN111123030A - 一种基于NBIoT的电缆故障在线温度监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于NBIoT的电缆故障在线温度监控系统，包括终端主节点、网络通讯架构和中心控制服务器；终端主节点包括故障采集模块、MCU和终端通讯模块，所述网络通讯架构为NB‑IoT网络架构，NB‑IoT网络架构包括NB‑IoT终端、E‑UTRAN基站、归属签约用户服务器、移动的管理实体、服务网关、分组数据网关、业务能力开放单元以及第三方服务能力服务器和第三方应用服务器，中心控制服务器包括业务服务器和双屏监视器，该基于NBIoT的电缆故障在线温度监控系统中，实现了电缆故障的在线温度监控和检测数据远程的传输，提高了煤矿企业对井下电缆的监测力度，通过多信息融合，提高了煤炭电缆故障监控数据的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及电网监控技术领域，具体涉及一种基于NBIoT的电缆故障在线温度监控系统。
背景技术
随着我国经济的不断发展，城市建设的不断扩大，用电负荷也在不断增加。目前，我国输配电系统中使用的电力电缆所占比例不断提高。交联聚乙烯(cross-linkedpolyethylene XLPE)电缆具有绝缘性能好、良好的热性能和机械性能、供电可靠性高等优点，自20世纪60年代问世以来得到了快速发展，己经被应用于电力系统的各个电压等级的输电线路及配电网络中，并且不断地向高压、超高压领域发展。
我国电力电缆绝缘的在线温度监控技术的研究开展的也比较早，但目前在工业生产或电力系统中被广泛使用的是定期停电预防性试验的方法，该方法属于离线检测，对即将出厂的电缆和在投入运行之前的电缆十分有效，并且这种方法需要停电检测，无法检测正在运行中的电缆。随着我国用电量的逐年增加，进行这种定期停电预防性试验将导致供电中断，不仅造成大量的经济损失，而且由于电缆在正常运行时和停电时其绝缘状态是不同的，试验时加于电缆绝缘上的电压往往高于电缆正常运行时的电压，并且这种方法需要对整个电缆线路进行检测，而不能根据电力电缆的型号、使用时间等具体的绝缘情况进行有针对性的试验，使得原本绝缘状况良好的电缆在经过反复的试验后其绝缘老化甚至损坏绝缘。这种离线检测方法己经不能满足电力生产和人们生活的实际需求。因此，电缆绝缘的在线温度监控技术己经成为当今学者所研究的热门课题，实时掌握运行中电力电缆的绝缘状态，在预判到电缆绝缘将要发生故障时，提前采取措施，检修或更换电缆，这样才能保证电力电缆安全可靠的运行。
目前，煤矿井下电缆排障，由于故障点的难以精确定位，需要浪费大量的人力和时间，造成煤矿停产时间大大延长，所以设计一款电缆故障在线温度监控系统势在必行。
发明内容
本发明为了克服上述的不足，提供一种基于NBIoT的电缆故障在线温度监控系统。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于NBIoT的电缆故障在线温度监控系统，包括终端主节点、网络通讯架构和中心控制服务器，终端主节点通过网络通讯架构与中心控制服务器无线连接；
所述终端主节点包括故障采集模块、MCU和终端通讯模块，故障采集模块包括热成像仪和温度传感器，热成像仪用于电缆高电压段的温度监控，温度传感器用于电缆低压节点处的温度监控，热成像仪和温度传感器的温度信号均通过信号传输模块将模拟信号转换成数字信号以后传输给MCU，终端通讯模块包括BC95模块，BC95模块包括NB-IoT Baseband控制器、闪存模块和RF模块，终端通讯模块用于将MCU接收到的温度信号传输给网络通讯架构；
所述网络通讯架构为NB-IoT网络架构，NB-IoT网络架构包括NB-IoT终端、E-UTRAN基站、归属签约用户服务器、移动的管理实体、服务网关、分组数据网关、业务能力开放单元以及第三方服务能力服务器和第三方应用服务器，NB-IoT终端、E-UTRAN基站、移动的管理实体、业务能力开放单元以及第三方服务能力服务器和第三方应用服务器依次连接，移动的管理实体通过归属签约用户服务器与业务能力开放单元连接，移动的管理实体通过服务网关分别与E-UTRAN基站和分组数据网关连接。
作为优选，所述MCU的型号为STM32L151C8T6，MCU还连接有EEPROM模块和USB-TTL模块，EEPROM模块用于温度参数以及IP地址、端口号的存放，USB-TTL模块电连接有DeBug模块，USB-TTL模块用于与MCU连接实现DeBug模块对MCU进行调试。
作为优选，所述中心控制服务器包括业务服务器和双屏监视器，双屏监视器包括监控显示模块，监控显示模块包括监控界面模块、本地端口输入模块、服务器启动模块、服务器关闭模块、设置温度显示模块和实时温度显示模块，监控界面模块用于打开监控界面，本地端口输入模块用于打开本地端口并采集本地数据，服务器启动模块用于启动业务服务器，服务器关闭模块用于关闭业务服务器，设置温度显示模块用于设置对应的温度显示界面，实时温度显示模块用于显示采集到的温度数据。
其中，E-UTRAN基站即eNodeB、归属签约用户服务器即Home Subscriber Server，HSS、移动的管理实体即Mobility Management Entity，MME、服务网关即Serving Gateway，SGW、分组数据网关即PDN Gateway，PGW、业务能力开放单元即Service CapabilityExposure Function，SCFE、第三方服务能力服务器即Service Capabilities Server，SCS和第三方应用服务器即Application Server，AS。
本发明的有益效果是：该基于NBIoT的电缆故障在线温度监控系统中，
1)实现了电缆故障的在线温度监控和检测数据远程的传输，有效地提高了煤矿企业对井下电缆的监测力度。
2)通过多信息融合，提高了煤炭电缆故障监控数据的准确性，并通过窄带物联网技术实现井下电缆监测数据的传输。
3)电缆故障在线系统是集采集和监控于一体的综合系统，能够有效提高煤矿企业生产管理的效率，实现采集和监控的自动化和信息化。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的终端主节点的结构示意图；
图3是本发明的网络通讯架构的结构示意图；
图4是本发明的监控显示模块的结构示意图；
图5是本发明的通讯的基本流程。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种基于NBIoT的电缆故障在线温度监控系统，包括终端主节点、网络通讯架构和中心控制服务器，终端主节点通过网络通讯架构与中心控制服务器无线连接；
如图2所示，所述终端主节点包括故障采集模块、MCU和终端通讯模块，故障采集模块包括热成像仪和温度传感器，热成像仪用于电缆高电压段的温度监控，温度传感器用于电缆低压节点处的温度监控，热成像仪和温度传感器的温度信号均通过信号传输模块将模拟信号转换成数字信号以后传输给MCU，终端通讯模块包括BC95模块，BC95模块包括NB-IoTBaseband控制器、闪存模块和RF模块，终端通讯模块用于将MCU接收到的温度信号传输给网络通讯架构；所述MCU的型号为STM32L151C8T6，MCU还连接有EEPROM模块和USB-TTL模块，EEPROM模块用于温度参数以及IP地址、端口号的存放，USB-TTL模块电连接有DeBug模块，USB-TTL模块用于与MCU连接实现DeBug模块对MCU进行调试。
根据对物联网设备的需求分析，电缆故障监测装置设计实现了基于NB-IoT数据传输的低功耗终端系统，终端模组采用STMicroelectronics公司的低功耗STM32L151C8T6芯片作为主控芯片，Quectel公司的BC95模块作为收发数据的NB-IoT通信模块，NB-IoT通信模块选用Quectel公司的BC95，其工作电压较宽为3.1V～4.2V，同时BC95也支持UDP协议，该协议面向小型设备，适合于一次传输少量数据。故障采集模块的作用是采集电缆节点温度，通过信号传输模块AD转换到主控芯片MCU，MCU选用STMicroelectronics公司的STM32L151C8T6，RAM 16K，Flash ROM 128K，功耗极低且具有工业级的工作温度范围。EEPROM是用于温度参数以及工作参数的存放，如温度值、IP地址、端口号等。
终端通讯模块指的是将RF芯片、Baseband芯片和NB-IoT协议栈等整合在一块PCB板上，并且向外提供硬件管脚和软件接口的模块。当前在NB-IoT通信模块市场上，上海移远通信技术股份有限公司(Quectel)的BC95系列使用最为广泛，移远提供的NB-IoT模块型号有三种：BC95-B8、BC95-B5、BC95-B20。其中BC95-B8和BC95-B20用的是移动和联通的运营商网络，而BC95-B5用的是电信网，目前在国内电信NB-IoT网络覆盖率最高，所以本系统设计采用的是BC95-B5。
BC95无线通信模块的特点是低功耗、高性能。BC95模块的大小为19.9×23.6×2.2mm，仅约一元硬币大小，能极大满足UE设备对产品模块体积小的要求，在减小设备尺寸的同时还能降低产品的成本。BC95模块可与众多终端设备进行连接，采用容易焊接的LCC封装，适用于低成本、自动化和规模化的现代化生产方式，SMT贴片技术让BC95拥有更高的稳定性和可靠性，能够达到不同环境下的使用需求。凭借极低的功耗、小巧的体积和超宽的工作温度范围，BC95是M2M应用领域的不二之选，以提供完善的短信和数据传输服务。
如图3所示，所述网络通讯架构为NB-IoT网络架构，NB-IoT网络架构包括NB-IoT终端、E-UTRAN基站、归属签约用户服务器、移动的管理实体、服务网关、分组数据网关、业务能力开放单元以及第三方服务能力服务器和第三方应用服务器，NB-IoT终端、E-UTRAN基站、移动的管理实体、业务能力开放单元以及第三方服务能力服务器和第三方应用服务器依次连接，移动的管理实体通过归属签约用户服务器与业务能力开放单元连接，移动的管理实体通过服务网关分别与E-UTRAN基站和分组数据网关连接。
窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)是基于蜂窝网络的物联网技术，是低功耗广域网的代表。可直接部署于LTE网络，使用运营商当前的授权频谱。NB-IoT具有低成本、低功耗、低速率、高连接、架构优、广覆盖等特点，是一种可以大规模应用于全球范围的新兴技术。针对于本项目，基于煤矿井下的复杂环境，对电缆故障监测装置的数据通讯提出了更高的要求。在利用NBIoT自身优点的情况下，通过对数据通讯的研究，进一步提升数据传输的准确性、有效性和实时性，并且需要大量的现场测试和实验以达到预定效果。
如图5所示，在网络通讯架构的通信系统中，通讯机制用来通知空闲态用户系统消息的变更以及通知用户有下行数据到达。
当核心网需要向用户发送数据时，将通过MME经SI接口向基站发送通讯消息，并在该通讯消息中包含用户ID、TAI列表等信息。基站接收到该通讯消息，读取其中的内容获得用户的TAI列表信息，然后在TAI列表中的小区内进行通讯。NB-IoT采用E-UTRAN通讯相关配置，其主要区别如下：
·对于NB-IoT，仅通过BCCH配置eDRX；
·空闲状态使用eDRX时，DRX周期最大值为2.91小时；
·UE在RRC_Idle空闲状态时，在锚点载波上接收通讯。
普通用户通讯优化机制，即MME根据基站上报的通讯辅助消息中的基站列表信息及预设的优化策略，优化通讯消息下发范围。在下发通讯消息的时候，MME可以选择一个或多个基站下发，而通讯辅助消息中的小区列表信息则不会被MME处理，直接伴随通讯消息下发给基站，由基站进行处理，可以用于判断空口通讯消息下发范围。通讯辅助信息中的小区列表信息包含小区全局标志符、驻留时间。通讯辅助消息中的基站列表包含基站全局ID，而对于家庭基站来说，可能会通过家庭基站网关连接到MME，因此MME需要通过TAI信息来识别和路由通讯消息给家庭基站网关。
同时，在SI接口的通讯消息还包含通讯尝试计数和计划的通讯尝试次数信息，还可选包含下次通讯范围指示信息。对于当前UE的通讯，尝试次数在发生一次通讯消息后会累计，而下次通讯范围指示信息，代表MME计划在下次通讯的时候改变当前通讯范围。如果UE从Idle态转变为连接态，则通讯尝试次数会重置。
如图4所示，所述中心控制服务器包括业务服务器和双屏监视器，双屏监视器包括监控显示模块，监控显示模块包括监控界面模块、本地端口输入模块、服务器启动模块、服务器关闭模块、设置温度显示模块和实时温度显示模块，监控界面模块用于打开监控界面，本地端口输入模块用于打开本地端口并采集本地数据，服务器启动模块用于启动业务服务器，服务器关闭模块用于关闭业务服务器，设置温度显示模块用于设置对应的温度显示界面，实时温度显示模块用于显示采集到的温度数据。
中心控制服务器包括业务服务器及双屏监视器，从网络通讯架构实时传回数据，分类转存各类历史数据。按照安全监控系统的检测监管模式，配之以母线设备开关线路分布图，设定监测区域相关参数相关阈值范围，设计开发驾驶舱模式监管界面或组态监测查询监管界面，以电子地图或组态监管方式，对多种监测曲线、开关状态同屏关联显示，提供统一的监测监管功能。
系统扫描形成热成像图，以及母线和电缆等参数的曲线，当出现设备、母线和电缆热过载等超出预定值出现异常，系统对比设备、母线和电缆等实际定置图，进行热图与设备实际定置图的叠加，自动判断超高热点或过载值，自动研判指向故障点域，指明设备、母线和电缆的位置和名称。并可经人工核实确认，可设置形成故障预警模型。界面地图显示中可判断定位异常点的位置，即进行故障报警预警处置。
系统应设置不同预警报警级别，对故障声光预警报警，向企业短信系统发送预警信息，同时为人工值守诊断提供辅助参考。
最终形成高压设备、母线和电缆传输监测与预警分析报告，根据季节时段、线路投合闸和母线使用情况，对设备、母线和电缆过热或传输故障发出预警或报警，提出检测检修建议，并采取相应的预防措施。
上述依据本发明为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (3)
1.一种基于NBIoT的电缆故障在线温度监控系统，其特征在于：包括终端主节点、网络通讯架构和中心控制服务器，终端主节点通过网络通讯架构与中心控制服务器无线连接；
所述终端主节点包括故障采集模块、MCU和终端通讯模块，故障采集模块包括热成像仪和温度传感器，热成像仪用于电缆高电压段的温度监控，温度传感器用于电缆低压节点处的温度监控，热成像仪和温度传感器的温度信号均通过信号传输模块将模拟信号转换成数字信号以后传输给MCU，终端通讯模块包括BC95模块，BC95模块包括NB-IoT Baseband控制器、闪存模块和RF模块，终端通讯模块用于将MCU接收到的温度信号传输给网络通讯架构；
所述网络通讯架构为NB-IoT网络架构，NB-IoT网络架构包括NB-IoT终端、E-UTRAN基站、归属签约用户服务器、移动的管理实体、服务网关、分组数据网关、业务能力开放单元以及第三方服务能力服务器和第三方应用服务器，NB-IoT终端、E-UTRAN基站、移动的管理实体、业务能力开放单元以及第三方服务能力服务器和第三方应用服务器依次连接，移动的管理实体通过归属签约用户服务器与业务能力开放单元连接，移动的管理实体通过服务网关分别与E-UTRAN基站和分组数据网关连接。
2.根据权利要求1所述的基于NBIoT的电缆故障在线温度监控系统，其特征在于：所述MCU的型号为STM32L151C8T6，MCU还连接有EEPROM模块和USB-TTL模块，EEPROM模块用于温度参数以及IP地址、端口号的存放，USB-TTL模块电连接有DeBug模块，USB-TTL模块用于与MCU连接实现DeBug模块对MCU进行调试。
3.根据权利要求1所述的基于NBIoT的电缆故障在线温度监控系统，其特征在于：所述中心控制服务器包括业务服务器和双屏监视器，双屏监视器包括监控显示模块，监控显示模块包括监控界面模块、本地端口输入模块、服务器启动模块、服务器关闭模块、设置温度显示模块和实时温度显示模块，监控界面模块用于打开监控界面，本地端口输入模块用于打开本地端口并采集本地数据，服务器启动模块用于启动业务服务器，服务器关闭模块用于关闭业务服务器，设置温度显示模块用于设置对应的温度显示界面，实时温度显示模块用于显示采集到的温度数据。
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