CN115811129A - 一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统及方法，包括：感知单元、前端装置、网关、上位机及电源部分。本发明通过前端装置对非直埋城市配电电缆的温度、局部放电、振动等运行数据，及电缆通道的温度、振动等环境数据进行监测，通过LORA技术，经过网关采用4G、有线等方式将数据传输到上位机进行数据的显示、存储和分析。该系统整体工作在低功耗模式，有序工作在深度睡眠和数据采集的状态，监测到故障时可主动报警。该系统采用电池供电，并通过无线充电的方式补充电量，以保证系统的长期运行。该系统既可监测配电电缆的日常运行和通道的环境状态，又可响应电缆故障，有利于电力物联网在城市配电电缆中的应用推广。

Description

一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统及方法

技术领域

本发明属于电力物联网领域，特别涉及一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统及方法。

背景技术

随着城市化进程的加快，城市配电电缆规模快速增加。但是由于配电电缆设备质量参差不齐、施工工艺管控不足、运行环境恶劣等多方面原因，电缆故障造成的人身和电网安全问题尤为突出。加之配电电缆在线监测手段不足，导致配电电缆运维经常处于“不坏不修”的状态，无法实现配电电缆的状态检修，防患于未然。目前电力物联网技术发展迅速，针对配电电缆的需求，有效融合目前发展的低功耗物联技术，开展配电电缆网状态监测，及时发现电缆运行存在的故障并给以判断及报警，有助于节省人工巡检时间，使专业技术人员有更多的精力分析故障的根本原因上，长远来看有助于催进我国电缆等工艺的精进。

关于电缆的监测技术，目前有部署RFID标签，进行电缆温度、电缆信息等巡检识别的物联技术示范，但是该技术需要配备手持巡检仪，整个系统通过人工巡检仪上传到云平台进行统一管理，不是真正意义上的在线实时监测。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统及方法，以满足城市配电电缆状态的实时监测、及时报警及系统的长期使用，实现对配电电缆的温度、局放及振动，通道的温度和振动等进行监测。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统包括感知单元、前端装置、网关、上位机及电源部分。

本发明的感知单元为经过封装且协议统一的传感器，包括了振动传感器、温度传感器，其与前端装置通过统一的协议通信，方便管理。还包括局部放电传感器，通过模数转换外设进行数据采集。除此之外，传感器感知到异常信号时，能够通过前端装置中微型控制器的唤醒端口主动唤醒微型控制器，进行数据采集和上报。

本发明通过选配低功耗的微型控制器、低功耗器件，配备低功耗的工作模式及通信模块，形成低功耗的前端装置。

本发明通过选用LORA这一低功耗物联网通讯手段作为主要通信方式，前端装置侧安装带有低功耗模式的LORA发射模块，网关中配有相对应的接收模块；网关的下游为接收到的前端装置采集的传感器数据，上游为将接收的数据通过多种方式如4G、wifi或网线等上传入上位记服务器；上位机服务器接收到数据并解读出数据后进行显示，若为异常数据则进行判断。

本发明通过电池、在线取能及无线充电相结合的方式为前端装置供电。前端装置中安装有可充电电池，前端装置上配有充电接口，充电接口可选择性接在线取能装置或无线充电接收线圈。此处的在线取能主要来自电缆通道壁上的振动能量，通过收集城市道路每天的振动能量，经过转换及储能后为前端装置的电池补充能量。无线充电装置的发射线圈安装在离前端装置最近的井盖上。

本发明的工作模式为低功耗模式，选用的为主动上报的工作方式，即每隔固定的时间，前端装置主动向网关上报数据；若出现火灾、局部放电等异常情况，可有效唤醒前端装置中的微控制器进行数据采集，完成突发情况的上报，及时告知故障的存在。

有益效果：

(1)本发明在配电电缆和通道上布置感知单元，包括温度、局部放电及振动传感器等，可实时感知配电电缆的运行数据和通道的环境数据。

(2)本发明采用低功耗LORA通信技术，将感知单元感知到的电缆状态和通道环境数据，经网关上传至上位机进行数据分析和处理，归避了人工巡检。

(3)本发明基于微型控制器的低功耗模式，配合低功耗通信技术，以及定时中断唤醒功能完成日常运行数据的上报，使整个系统整体工作在低功耗模式；另外，采用电池和无线充电的方式进行电量补充。通过上述两点措施，可保证该监测系统的长期运行，减少了维护工作量。

(4)本发明根据局部放电、温度和振动的故障特点及数据量，提出了故障的差异化处理，即在温度和振动故障时，不采集局部放电信号；在局部放电发生时，采集局部放电、温度和振动信号。这样处理，有利于功耗的降低。

附图说明

图1为本发明的一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统的系统框图。

图2为本发明的一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统工作状态流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统包括感知单元、前端装置、网关、上位机及电源部分。

所述感知单元包括温度传感器、局部放电传感器以及振动传感器，可根据需要增加湿度、气体等传感器，主要用于感知地下配电电缆的运行数据和电缆通道的环境数据。

所述前端装置包括低功耗微型控制器、低功耗通信发射模块、天线以及硬件电路。主要用于传感器数据的采集和发射。

所述网关，包括通信接收模块、微型控制器及硬件电路、天线及不同协议的接口，可将所述前端装置中低功耗通信发射模块发射来的数据上传至上位机。

所述电源部分包括充电电池、稳压电路及电量补充电路等，主要用于为所述前端装置和感知单元供电。

所述上位机为云平台、本地电脑或手机等终端。主要用于数据的显示、存储和分析。

具体地，感知单元中的各个传感器为低功耗传感器，正常工作时电流为几微安到几十微安。温度传感器和振动传感器具有统一的I2C协议和不同的地址，对外有I2C的通信接口和信号输出端口。局部放电传感器对外有信号输出端口。

具体地，前端装置中的低功耗微型控制器的型号为STM32L低功耗系列。

具体地，前端装置中的低功耗通信发射模块为低功耗LORA发射模块。

具体地，网关的接口协议包括4G、有线及wifi。

具体地，电源部分的电池为可充电3.7V锂电池，稳压电路的核心芯片为PW6566，电量补充电路的供电来源包括在线取能和市电，市电具体采用无线供电的方式为电池补充电量。

本发明所述的一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统，整体工作在低功耗模式，包括深度睡眠、信号采集、故障报警三种工作状态。将该系统中的低功耗LORA发射模块及网关配置为主动上报和低功耗模式。STM32L系列微型控制器有多种低功耗模式，选择深度睡眠作为该系统的工作模式。将RTC定时中断作为前端装置中微型控制器的常规唤醒条件。将各个传感器的信号输出通过外置比较器，连接前端装置中微型控制器的唤醒引脚，作为故障发生时的主动唤醒条件。将城市配电电缆通道壁受到的外部振动作为在线取能的来源。将无线充电技术作为市电补充电池电量的技术手段。

本发明所述的一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统，具体的硬件连接和部署为：所述感知单元中的各个传感器布置在地下城市配电电缆的中间接头、电缆通道壁上。感知单元中的温度传感器和振动传感器通过信号电缆与前端装置中的微型控制器的I2C管脚连接。感知单元中的局部放电传感器与前端装置的微型控制器的ADC外设的一个通道连接。感知单元中所有传感器的信号输出引脚连接比较器，比较器的输出连接前端装置中微型控制器的GPIO口，作为外部中断源。低功耗LORA发射模块的数据传输口与前端装置中微型控制器的串口连接。低功耗LORA发射模块的唤醒引脚与前端装置中微型控制器的GPIO口连接。低功耗LORA发射模块的3.3V引脚，通过PMOS管，连接至前端装置中微型控制器的GPIO口。3.7V锂电池经过稳压电路后，与前端装置的微型控制器、低功耗LORA发射模块、传感器、前端装置的外部硬件电路的对应引脚连接。网关布置在电缆井的井盖上。通过电线从最近的市电为网关供电。无线充电的发射线圈固定在井盖上，通过电线从最近的市电取电。在线取能的感知部件通过共振机械结构固定在城市配电电缆通道中的电缆固定架上，所选位置与传感器的位置尽量接近，方便在线取能电路输出线与可充电电池接口的连接。

本发明所述的一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统，具体的工作状态为深度睡眠、信号采集、故障报警，下面将结合图2，对三种工作状态进行详细描述。

在深度睡眠状态时，除了前端装置中微型控制器的备用寄存器、RTC定时器等备用部分外，前端装置中微型控制器的内核、LORA发射模块等均停止工作。微型控制器通过GPIO口，控制PMOS管的通断，从而控制LORA发射模块的供电通断。微型控制处于深度睡眠状态时，PMOS管处于关断状态，因此低功耗LORA发射模块的供电也被切断。传感器及故障触发信号相关的硬件电路处于持续通电状态，周期性地感知电缆的运行数据和电缆通道的环境数据，温度和振动传感器模组不断更新其中寄存器中的数据。网关处于低功耗状态。上位机处于正常工作状态。在此状态时，各个传感器和前端装置的功耗最低，电量消耗约为几uA到几十uA。监测系统一直处于深度睡眠状态，直到RTC将其唤醒。

在信号采集状态时，前端装置中的微型控制器被RTC定时器唤醒，经过微秒级的唤醒延时，微型控制器恢复工作状态。对微型控制器的时钟等重新配置后，微型控制器按照温度传感器、振动传感器的顺序对传感器模组进行寻址采集，并将数据缓存。前端装置中的微型控制器改变GPIO口的输出电平，使得PMOS管处于导通状态，低功耗LORA发射模块恢复供电，经延时后，微型控制器唤醒LORA模块发射功能。接着，LORA模块将缓存数据经网关中继后发送至上位机。完成数据发送结束后，系统重新进入深度睡眠状态，等待下一个唤醒周期的到来。信号采集状态时，因为有数据的发射，所以整个系统的功耗增加。前端装置的功耗主要表现为LORA发射模块与网关建立联系，并发送数据所产生的功耗。

在故障报警状态时，温度或振动传感器感知到了异常情况，如异常温升或外破振动，传感器的输出信号通过比较器形成的触发信号唤醒前端装置中的微型控制器，微型控制器通过I2C接口按照温度传感器、振动传感器的顺序对传感器模组进行寻址采集，以完成突发事件数据的采集；发生局部放电时，局部放电传感器的输出信号通过比较器形成的触发信号唤醒前端装置中的微型控制器，微型控制器通过ADC外设采集局部放电的数据。发生局部放电故障时，微型控制器采集局部放电传感器、温度传感器和振动传感器的数据。温度和振动异常报警时，只采集温度和振动传感器的数据。微型控制器将采集到的传感器数据进行缓存后，唤醒LORA发射模块，将数据发送给网关，进一步由网关上传给云平台等终端显示、存储和分析，并作故障报警，供工作人员判断和处理。故障持续存在，突发事件可能会密集发送，需要工作人员紧急处理突发事件。此种状态下，监测系统的功耗可能比信号采集状态时的功耗还要大，若遇到局部放电故障，所发射的数据量比较大，从而增加了通信损耗。

所述前端装置的唤醒方式有两类，RTC定时和故障发生，故障发生的中断级别高于RTC。

本发明所述的一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统中，传感器组成的感知单元部署在不同的位置，前端装置也跟随感知单元呈分布式布局，每个前端装置都可以看作1个节点，该监测系统中可以有多个节点，多节点和网关之间形成典型的星型网络结构。

本发明将LORA通信技术应用于地下配电电缆。LORA是一种低功耗局域网无线标准，与其他通信技术相比，在同样低功耗的条件下传输距离更大，且一个LORA网关可以连接上千上万个LORA节点，符合城市配电电缆通道长且分布广的应用场景要求。NB-IOT也是目前常用的一种物联网通信技术，但是NB-IOT非免费使用频段，地下电缆通道里面NB-IOT的信号很弱，需要增设信号加强装置，会增加基础设施成本和维护成本。与其相比，LORA为免费使用频段，且可以轻松集成到现有基础设施中，支持低成本电池供电，节省了建设成本和后期维护成本。另外，LORA网关放置于井盖上，方便与现有电力物联网中的智能井盖技术相结合，扩展电力物联网的规模。综上，基于LORA通信技术，结合低功耗传感器，以城市配电电缆运行状态和电缆通道环境为监测对象，形成的这一低功耗非直埋城市配电电缆监测系统，在应用场景、技术实现、发展趋势上都有现实意义。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统，其特征在于，包括感知单元、前端装置、网关、上位机及电源部分；所述感知单元用于感知配电电缆的运行数据和电缆通道的环境数据；所述前端装置采用LORA发射模块，对布置的配电电缆多处的所述感知单元的传感器的数据进行采集和发射，实现低功耗工作模式；所述网关将所述前端装置发射来的数据上传至所述上位机；所述电源部分用于为所述前端装置和感知单元供电；所述上位机用于数据的显示、存储、分析和故障判断。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统，其特征在于，所述感知单元的传感器包括温度传感器、局部放电传感器以及振动传感器；所述传感器分布在配电电缆的终端、中间接头和电缆通道上，用于监测温度、振动及局部放电参量；每个传感器均配置一个前端装置，形成多节点，且传感器通过统一的协议与前端装置进行通信。

3.根据权利要求1或2所述的一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统，其特征在于，所述前端装置和网关之间采用主动上报的方式进行数据上报；发生火灾、外破或局部放电时，传感器的输出信号通过比较器后直接唤醒处于低功耗工作模式的前端装置，进行突发事件的数据发送。

4.根据权利要求1或2所述的一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统，其特征在于，所述电源部分包括充电电池、稳压电路及电量补充电路，所述充电电池外配接口，通过在线取能或无线充电的方式补充电量。

5.根据权利要求1所述的一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统，其特征在于，所述上位机为云平台、本地电脑或手机。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种低功耗非直埋城市配电电缆监测系统的监测方法，其特征在于，通过深度睡眠、信号采集、故障报警三种工作状态实现低功耗工作模式。

7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，在深度睡眠状态时，前端装置中微型控制器的内核、LORA发射模块停止工作；所述微型控制器控制LORA发射模块的供电通断；传感器及故障触发信号相关的硬件电路处于持续通电状态，周期性地感知配电电缆的运行数据和电缆通道的环境数据，温度传感器和振动传感器模组不断更新其寄存器中的数据；网关处于低功耗状态；上位机处于正常工作状态；监测系统一直处于深度睡眠状态，直到实时时钟RTC将其唤醒。

8.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，在信号采集状态时，前端装置中的微型控制器被RTC定时器唤醒，经过微秒级的唤醒延时，微型控制器恢复工作状态。对微型控制器的时钟等重新配置后，微型控制器按照温度传感器、振动传感器的顺序对传感器模组进行寻址采集，并将数据缓存；前端装置中的微型控制器控制LORA发射模块恢复供电，经延时后，微型控制器唤醒LORA发射模块的发射功能；随后，LORA发射模块将缓存数据经网关中继后发送至上位机；完成数据发送后，监测系统重新进入深度睡眠状态，等待下一个唤醒周期的到来。

9.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，在故障报警状态时，温度传感器或振动传感器感知到异常情况，其输出信号通过比较器形成的触发信号唤醒前端装置中的微型控制器，微型控制器按照温度传感器、振动传感器的顺序对传感器模组进行寻址采集，以完成突发事件数据的采集；发生局部放电时，局部放电传感器的输出信号通过比较器形成的触发信号唤醒前端装置中的微型控制器，微型控制器通过模数转换外设ADC采集局部放电的数据；发生局部放电故障时，微型控制器采集局部放电传感器、温度传感器和振动传感器的数据；温度和振动异常报警时，只采集温度和振动传感器的数据；微型控制器将采集到的传感器数据进行缓存后，唤醒LORA发射模块，将数据发送给网关，进一步由网关上传给上位机进行显示、存储和分析，并作故障报警，供工作人员判断和处理。

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