袁滌非

（南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 211153）

0 引 言

為了實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為電力行業(yè)落實“雙碳”目標的具體部署，儲能是支持新型電力系統(tǒng)建設的核心[1]。未來以光伏和風電為代表的新能源發(fā)電與裝機占比將會大幅提升。同時，為了提升新能源的消納能力，配置一定比例的儲能系統(tǒng)已成為行業(yè)趨勢。

為保障電力設備的運行安全，需要及時掌握設備的運行狀態(tài)。新能源電站大部分位于我國“三北”地區(qū)與沿海地區(qū)，地理位置相對偏遠，設備運行環(huán)境比較惡劣，運維人員日常值守及運檢不方便。為此，需要研究新型運維技術，提升對電力設備狀態(tài)監(jiān)測的效率。本文探討物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）傳感和無線組網(wǎng)技術在電力設備狀態(tài)感知中的應用技術，并介紹了實際工程案例。

1 低功耗廣域網(wǎng)技術

在物聯(lián)網(wǎng)中，無線通信技術得到了越來越廣泛的應用。根據(jù)技術特點的不同，可以將無線通信技術劃分為兩種主要類型，一種是以4G、5G技術為代表的廣域網(wǎng)通信技術，另一種是以藍牙、無線網(wǎng)絡通信技術（Wireless Fidelity，WiFi）等為代表的局域網(wǎng)通信技術。上述兩種技術各有優(yōu)缺點，其中廣域網(wǎng)通信技術輸送距離遠，效率高，但對設備的功耗要求高，同時產(chǎn)生的費用也較高。而局域網(wǎng)通信技術功耗低，但傳輸距離短，在很多應用場合不能滿足使用要求。為了解決傳輸距離與功耗之間的矛盾，低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術應運而生。這一技術在保證較長距離通信的基礎上，保持了較低的設備功耗，彌補了傳統(tǒng)廣域網(wǎng)通信和局域網(wǎng)通信的不足，非常適于小數(shù)據(jù)量長距離通信的應用場景[2]。

在低功耗廣域網(wǎng)絡中，又存在多種技術方案。遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）技術就是其中具有代表性的一種。這是一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，其采用線性調整擴頻（Chirp Spread Spectrum，CSS）技術的調制方式，特點是抗干擾能力強，接收信號的靈敏度最低可以到-142 dBm，信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）可以達到-20 dB[3]。相對目前常用的頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK）通信方式，LoRa技術在鏈路預算上提高了10 dB以上，同時抗干擾能力大大增強。此外，由于采用擴展調制，LoRa技術在終端模組的時鐘精度要求大大降低。

除了基礎的物理層技術外，LoRa網(wǎng)絡規(guī)范還包含了LoRaWAN開放層協(xié)議。LoRaWAN是為LoRa遠距離通信網(wǎng)絡設計的一套通信協(xié)議和系統(tǒng)架構。

典型的LoRaWAN網(wǎng)絡架構通常由3部分組成，分別是終端、網(wǎng)關以及服務器，架構如圖1所示。網(wǎng)關在LoRa系統(tǒng)中起中繼作用，連接終端節(jié)點和服務器。終端通過星型網(wǎng)絡與網(wǎng)關節(jié)點連接，將數(shù)據(jù)上送，網(wǎng)關將收到的數(shù)據(jù)通過傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）向服務器轉發(fā)。在該系統(tǒng)中，網(wǎng)關可以根據(jù)傳輸距離的需要進行多級配置，當與終端之間的距離滿足LoRa技術的傳輸要求時，可以通過LoRa射頻進行單跳通信。而當終端和網(wǎng)關之間距離過長時，可采用多級網(wǎng)關中繼的方式，將下級網(wǎng)關的信號傳輸?shù)缴霞壘W(wǎng)關，從而實現(xiàn)更遠距離的信號傳輸。

圖1 LoRaWAN網(wǎng)絡架構

相比較傳統(tǒng)通信技術和其他低功耗廣域網(wǎng)技術，LoRa技術有以下兩個主要優(yōu)勢。第一個優(yōu)勢是通信距離遠、組網(wǎng)成本低。與以窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）為代表的其他低功耗廣域網(wǎng)技術相比，在發(fā)射功率相同的前提下，LoRa網(wǎng)關與終端節(jié)點之間具有更長的通信距離。由于LoRa技術是在免費的非授權頻譜上工作，其LoRaWAN協(xié)議標準支持的應用程序成本相對低很多，終端節(jié)點和基礎設備建設的成本也更低[4]。第二個優(yōu)勢是設備功耗低、靈敏度高。為了降低設備功耗，LoRa技術采用了數(shù)據(jù)速率自適應的策略，針對數(shù)據(jù)量傳輸較少的應用場景，適當降低數(shù)據(jù)傳輸速率[5]。同時，LoRa通過提高接收機靈敏度的方式降低發(fā)射功率，從而有效地降低了功耗。據(jù)測試，其接收電流低至10 mA，休眠電流小于200 μA，這對延長電池的使用壽命起到了重要作用[6]。

LoRa技術在需要長距離、低功耗傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)領域，特別是對數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量和頻度要求較低的場合具有突出的優(yōu)勢，具備大規(guī)模推廣應用的前景。

2 物聯(lián)網(wǎng)感知技術

物聯(lián)網(wǎng)是在物理世界中部署具有感知、計算能力的傳感設備，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)信息的獲取、傳輸以及處理，從而實現(xiàn)廣域范圍內(nèi)信息交互需求的互聯(lián)[7]。物聯(lián)網(wǎng)可分為網(wǎng)絡層、應用層與感知層，其中感知層由傳感器和網(wǎng)關構成，是物理網(wǎng)的基礎。

傳感器是一種感知器件，能通過自身特性感受被測物體的物理量，并通過一定的規(guī)律轉換成可測量的信號輸出。按照其工作原理，傳感器可分為電阻式、電容式以及磁電式等[8]。一般的傳感器需要有電源供電，通過數(shù)據(jù)線將信號傳輸?shù)教幚砥?，而新能源電站中存在設備布置空間狹小、需要感知的數(shù)據(jù)眾多等特點。因此，需要在一定的空間范圍內(nèi)布置數(shù)量較多的傳感器，但這增加了傳感器的布線及安裝難度。

采用LoRa技術的傳感器將數(shù)據(jù)通過LoRaWAN/LinkWAN協(xié)議發(fā)送到LoRa網(wǎng)關，再傳送到服務器，通過無線傳輸數(shù)據(jù)節(jié)省了數(shù)據(jù)線。傳感器內(nèi)置電池，無需外接電源線，大大簡化了傳感器布點的難度。與采用WiFi技術的傳感器相比，基于LoRa技術的傳感器功耗更低，傳輸距離更遠。WiFi的常見傳輸距離只有幾十米，無法覆蓋變電站全域，需要配置大量的路由器。而LoRa的傳輸距離可達數(shù)千米，完全滿足新能源電站全站監(jiān)測的需求，大大減少了需要布置的網(wǎng)關數(shù)量，有效地降低了成本。

以某款超聲波局部放電傳感器為例，開關柜內(nèi)部出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象時放電區(qū)域中產(chǎn)生了聲波，此時用安裝在柜外的非接觸式超聲波傳感器對其進行檢測，將聲波信號轉換為電信號，通過放大器放大后傳到采集系統(tǒng)。采用非接觸式全向電磁波空間定位檢測技術，可無需接觸設備360°無線監(jiān)測設備局放。由于無源無線，可以無需接觸設備安裝在任意位置，與人工檢測方式形成互補，減少設備運行中人力資源的消耗。與采用WiFi技術的同功能傳感器相比，其電池待機壽命提升超過10倍，有效使用時間可達5年。

3 電力設備狀態(tài)感知應用案例

本文以新能源電站中儲能設備預制艙的運轉狀態(tài)監(jiān)測為例，對電力設備狀態(tài)感知的技術方案進行分析介紹。

為了保障新能源電站的穩(wěn)定并網(wǎng)，部分地區(qū)出臺政策，在實際工程中需要按總容量的10%～20%配置儲能系統(tǒng)[9]。儲能系統(tǒng)設備通常安裝于預制艙內(nèi)，預制艙尺寸與40尺標準集裝箱（1 219 mm×2 438 mm×2 896 mm）接近，內(nèi)部安裝儲能電池、匯流控制設備、變流設備、環(huán)境控制設備以及輔控設備等。根據(jù)電池工作原理及特性的要求，需要為儲能電池提供穩(wěn)定的運行環(huán)境、溫度與濕度，并且實時監(jiān)測電池及其他相關設備的運行狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常波動時，采用相應的控制措施，必要時可將電池退出運行。

一臺儲能預制艙內(nèi)可集成超過2 MWh的電池，電池模組數(shù)量可達200臺，電芯數(shù)千個。如果采用傳統(tǒng)的有線有源傳感器模式監(jiān)測如此多的設備，將會對布線造成很大的困難。因此，在工程應用中采用將物聯(lián)網(wǎng)傳感器和LoRa技術相結合的方式。傳感器和輔助設備利用LoRa通信技術功耗低的特點，使用電池供電，不拉市電，具有續(xù)航時間長的優(yōu)點。在工程布點中，可實現(xiàn)施工不拉線，大幅降低了實施成本，提升了監(jiān)測探頭布點的密度。無線組網(wǎng)采用先進的LPWAN技術與現(xiàn)有成熟商用的WiFi、藍牙等無線通信技術相比，具有功耗低、遠距離、成本低以及覆蓋面廣等優(yōu)點，適合于在小數(shù)據(jù)量長距離傳輸、采用電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端設備[10]。

艙內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器布置如圖2所示，針對儲能電站預制艙體及電池模組，在艙內(nèi)及電池組內(nèi)布置溫度、濕度、煙感、氣體、震動以及電氣量等無線傳感器，在預制艙內(nèi)設置LoRa無線網(wǎng)關，用于接入各種類型物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器。

圖2 艙內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器布置

通過傳感器采集到的數(shù)據(jù)還可以通過5G上傳到云端核心網(wǎng)，運維人員可利用手持式運維終端或移動終端通過TCP/IP訪問云端萬維網(wǎng)（World Wide Web，Web）頁面和Web服務，查看LoRa數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、實時運維。

4 結 論

本文研究了低功耗廣域網(wǎng)的基本原理及特點，重點分析了基于loRa技術的無線組網(wǎng)方案，同時對物聯(lián)網(wǎng)傳感技術在電力行業(yè)的應用進行了介紹。最后結合工程應用案例，介紹了物聯(lián)網(wǎng)傳感和無線組網(wǎng)技術在電力設備運行狀態(tài)感知中的應用。該方案最大的技術特點是泛在、物聯(lián)。感知層、網(wǎng)絡層以及應用層結構清晰，易于工程部署和實現(xiàn)，易于維護。通過物聯(lián)網(wǎng)傳感和無線組網(wǎng)技術的結合，可以有效解決目前新能源電站運維智能化程度不高、數(shù)據(jù)種類局限以及無法支撐狀態(tài)檢修等問題，全面提升新能源及儲能電站的智能化水平與運維便利性，對提升新能源電站中電力設備狀態(tài)感知與監(jiān)測的智能化水平有積極的示范作用。