赵建成 史丛林 钟勇强
(杭州凯达电力建设有限公司 浙江省杭州市 311000)
摘要
基于LORA扩频通信技术的输电线路温度传感器，部署灵活，各传感器具有唯一ID，传感器通过ID识别，不存在部署数量限制的缺陷。采用LORA扩频通信技术，突破当前各类电力设备温度监测技术存在的局限性，实现了电力设备温度传感器的小型化、低成本和低能耗。利用此技术构成的无线温度监测系统，可在极大半径内部署极少LORA基站，并具有安全可靠、成本低、实时性好、便于维护等优点，广域、长距离的输电线路温度监测提供了最优解决方案。
关键词：LORA扩频通信技术， 温度监测，LORA基站
引言：基于LORA模块、以太网、无接触测温传感器，STM32低功耗芯片，实现终端数据采集上送、网关的信息收集和网页数据展示功能。通过非接触式测温传感器采集高压电线温度，将温度数据上发至网关，网关再通过以太网发送至服务器，服务器对数据进行处理后通过网页展示出温度数据，还可在温度异常时进行警报，提高管理效率。本系统设计思路清晰，硬件结构相对简单，系统稳定性较好，适用范围广泛。
1．研究背景
当今时代，经济快速发展，电力系统基础设备的种类和数量也在逐渐增多，对设备的可靠性要求也越来越高。电力设备运行异常或故障通常表现为温度的异常变化，因此对电力设备的温度监测是电力设备安全监控最为有效、经济的方式，对电力设备的安全运行具有重大意义[1]。对电力系统进行及时的设备检视，直接影响到电力系统正常运行，关系到配电、用电系统正常运作，乃至影响到整个电力系统。在输电线路架设施工过程中，电路的安全性直接影响输电效率，如果连接点的电阻过高，则会导致电路运行过程中出现发热或者被烧坏的现象[2]。随着电阻不断增大，线路连接点的发热现象也越来越严重。因此，针对高压输电线路导线的连接点发热问题，必须要加以控制，采取有效的方法对连接点的发热故障进行消除，确保线路稳定、安全运行。其中主要发热原因有（一）连接点松动。连接点是两段导线相互连接的地方，由于输电线路是暴露在空气中的，所以连接点长期处微风振动或冷热交替变化的环境中，导线的接点位置可能出现松动，尤其是在耐张段位置，振动频繁，使得耐张线夹处的磨损十分严重[3]。（二）氧化腐蚀。高压输电线路外部热缺陷导体的接头部分长期裸露在空气中，受风吹日晒以及化学气体的腐蚀，从而导致金属导体连接点的接触表面出现严重的腐蚀和氧化，氧化层可以使得金属表面的电阻率大大增加[4]。另外，铜铝接点的处理不当，也会出现电腐蚀现象，使得导线的接触电阻增大。（三）安装工艺问题。在高压输电线路安装施工过程中，由于导线接头的安装、检修技术不到位，所以也会导致导线接头出现质量问题[5]。导线接头的安装方法比较简便，有的施工技术人员没有按照技术要求和规范进行安装，导致接头出现以下问题：第一，接头的固件没有拧紧。第二，安装接头的时候同件螺丝上的弹簧垫圈受气温热胀冷缩的影响而松动。第三，接头线夹与导线接续签没有及时清刷，也没有涂抹复合脂，或者涂抹的复合脂效果不好，导致潮湿气体侵入接头位置，接触电阻变大，从而使得接头位置发热。第四，铝导线与铜导线的性质不相同，这两种导线相连接的时候，在接点的位置没有添加过渡接头。第五，接头的线夹结构不好，导线在线夹的位置出现断股。第六，线夹的大小和导线不配套。
2.整体设计方案
2.1 总体方案与功能
远距离测温系统功能框图如图1所示，可以实现的功能如下：
（1）测温终端采集线路温度并将温度数据发送至通讯网关。
（2）网关收集测温终端的数据并将数据发送至云端进行存储。该网关的通信距离≥5km（空旷）、可连接节点5000个。且频率支持范围广，230/433/470/915MHZ；
（3）该系统的Web后台监测系统以及APP具有温度实时显示、系统设置、历史查询、报警查询等功能，并能通过网络实现远程传输和控制。监控中心工作站及数据服务器作为整个温度监控系统的核心管理，主要用于管理整个温度监测系统的信息采集管理，具有采集、显示、存储、打印、历史查询、系统设置、权限管理、历史浏览、曲线报表、WEB浏览等。
（4）基于安卓的APP能查询平台软件中的信息，及时接受报警，以便快速处理故障。
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图1
2.2 模块选择
2.2.1 LORA模块
网关Lora协调器采用SX1301芯片。SX1301是基于LoRa调制的基带芯片，它的目标是为广域范围的众多无线节点提供健壮的星型基站[7]。SX1301有一些关键的技术特征：高达-142.5dBm的接收灵敏度、49个LoRa“虚拟”通道和ADR技术。SX1301一般外接2片SX1257（或SX1255），如图2所示。SX125x是射频前端芯片，它负责将I/Q（In-phase / Quadrature，同相正交数字信号）转换成无线电模拟信号。
SX1301，它是由2个MCU和ASIC（ApplicationSpecific Integrated Circuit，专用集成电路）的综合体。主要部件包括：射频MCU：该MCU通过SPI总线连接2片SX125x，主要负责实时自动增益控制、射频校准和收发切换。数据包MCU：该MCU负责分配8个LoRa调制解调器给多个通道，它仲裁数据包的机制包括速率、通道、射频和信号强度。
IF0~IF7的LoRa通道：它们的带宽固定为125kHz，每个通道可以设置中心频率，每个通道可以接收SF7~SF12共6种速率的LoRa信号。
IF8通道：带宽支持125 / 250 / 500kHz，希望用于网关之间的高速通信。
IF9通道：收发(G)FSK信号，LoRaWAN在欧洲地区使用了该通道。
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图2（a）
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图2（b）
终端LORA模块选用的是E22-230T22S。该芯片是全新一代的LORA无线模块 ，基于SEMTECH公司SX1286射频的无线串口模块（UART），具有多种传输模式，工作在（410.125-493.125MHz）频段，LORA扩频技术，TTL电平输出，兼容3.3V与5.0V的IO电压。
E22-230T22S采用全新一代LORA扩频技术，与传统的SX1278相比，传输距离更远，速度更快，功耗更低，体积更小[8]。支持空中唤醒、无线配置、载波监听、自由中继、通信密钥等功能，支持分包长度设定等。如图2（c）所示
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图2（c）
2.2.2 主控选型
由于终端有足够的运行时长，所以我们采用低功耗的嵌入式芯片STM32L152R8T6，该芯片在待机模式下的电流可以达到纳安级别，非常适合在此应用场景下使用。
网关基站由于要收集大量数据，所以在处理上要有足够的能力，我们选用的是ST公司的嵌入式芯片STM32F103VCT6,该芯片成本较低，还可提供足够的运算能力，非常适合本系统。图3(a)为本系统的终端MCU原理图。图3（b）为本系统的网关基站MCU原理图。
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图3（a）
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图3（b）
2.2.3 测温模块选型
所测量的物理带有高压，所以选用非接触式的测量的方式比较安全，我们选用的是GY-906。一般来说，测温方式可分为接触式和非接触式，接触式测温只能测量被测物体与测温传感器达到热平衡后的温度，所以响应时间长，且极易受环境温度的影响；而红外测温是根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，不与被测物体接触，具有影响动被测物体温度分布场，温度分辨率高、响应速度快、测温范围广、不受测温上限的限制、稳定性好等特点，近年来在家庭自动化、汽车电子、航空和军事上得到越来越广泛的应用[8]。
GY-906 MLX90614的特点
（1）应用范围广泛,适用于恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计或任何热敏系统。
（2）体积小巧,可安装于狭小的空间范围内,进行温度测量。
（3）易集成。
（4）3V和5V电源电压。
2.2.4电源供电方式。
方案一：市电供电——受地理限制因素太多，缺点太多，故不使用该方案。
方案二：锂电池与太阳能光伏板相结合的供电充电模式，解决了地利因素的干涉，可以灵活的布置设备。有低功耗，效率高的特点。
2.3 系统工作流程
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图4
如图4所示，上电后系统开始初始化，首先对网关CPU进行初始化，网卡联网、网关与终端LORA初始化，终端判断是否接收到网关下控指令，若收到下发指令，LORA通过串口发送给MCU处理器，处理器处理完将温度数据通过LORA终端发送到网关，发送完毕终端进入低功耗模式等待网关下一次的唤醒。若终端未接受到网关下发的指令则处于低功耗模式等待唤醒。接收到的数据的网关将数据通过以太网发送到到云服务器。WEB端可以进行实时温度查看，并可以进行系统设置、历史查询、报警查询等，并能通过网络实现远程传输和控制。监控中心工作站及数据服务器作为整个温度监控系统的核心管理，主要用于管理整个温度监测系统的信息采集管理，具有采集、显示、存储、打印、历史查询、系统设置、权限管理、历史浏览、曲线报表、WEB浏览等。
3.系统实现
3.1 系统关键部分的设计
（1）终端基于STM32L152R8T6的单片机最小系统,该单片机是基于Cortex-M3的超低功耗芯片。32MHz时钟，有MSI时钟，可让系统运行在低频率下降低功耗，支持调试：SWD和JTAG，SWD只有两根数据线。
网关MCU基于STM32F103的单片机最小系统能ARM Cortex-M3处理器，时钟高达72MHz，支持调试： SWD和JTAG，SWD只要2根数据线。有5个串口外设，足以搭载各种需要串口通讯的外部设备。还有DMA直接内存读取，满足大量数据的存取。
（2）低功耗实现，所选用的低功耗方案，我们在功耗上进行了许多优化，电阻电容运用都有考究，最终终端待机电流在10uA以内，极大地延长了电池的使用寿命，可以大大减少维护时间，使得运用更为广泛。
（3）WEB监控页面设计可以直观的看到温度数据。
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图5 高压线路远程测温平台
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图6 高压线路远程测温平台历史报警记录页面
3.2 系统布局
系统总体布局示意图如图7所示，主要通过无线，布线简单。
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图7 系统布局示意图
4 结束语
该系统可以实现远距离线路无难度测量，能够允许接入5000个LoRa终端，并且能够实现高效，实时性处理，提高系统管理数据的效率，并且能根据云端发送来的信息智能管理每一LoRa终端，实现了大量的高压输电线路温度的在线监测，并可实时发出警报，确保了线路稳定、安全运行[9]。
参考文献
[1]庄建煌,彭健,陈重,林俊超.基于泛在电力物联网的多技术融合变电设备发热缺陷判别预测系统的研究设计[J].高压电器,2020,56(09):54-59.
[2]尉言龙.无线物联网测温技术在供用电系统应用的可行性研究与分析[J].石化技术,2020,27(08):41-42.
[3]徐友刚,任堂正,沈晓峰,肖远兵.基于电力物联网的配电设备智能感知诊断关键技术与应用[J].电力与能源,2020,41(04):389-391+402.
[4]贺晓龙.自助测温身份识别仪的研发方案[J].电子制作,2020(Z2):25-26.
[5]邱海锋,尉耀稳,陈杰,周国华.电力无源测温技术在电力物联网中的应用[J].中国新通信,2020,22(05):87.
[6]雍太利.物联网技术在电气设备状态检修中的实践[J].科技风,2019(36):70.
[7]苑欣,吴嘉宝,李强. 物联网温度采集系统测量误差校准方法初探[A]. 中国家用电器协会.2019年中国家用电器技术大会论文集[C].中国家用电器协会:《电器》杂志社,2019:4.
[8]刘丹.基于物联网技术的远程温度监测系统[J].今日财富,2019(13):165.
[9]顾铁钥. 低功耗物联网优化技术研究[D].北京邮电大学,2019.
作者简介
1.姓名 :赵建成
性别: 男
出生年月：1979年8月
籍贯：山东沂南
名族：汉族
现任单位: 杭州凯达电力建设有限公司
职称: 高级工程师
学位/学历:研究生
职务：: 副总工程师
研究的方向：: 电气工程及其自动化
2.史丛林
性别: 男
出生年月：1979年10月
籍贯：浙江余杭
名族：汉
现任单位: 杭州凯达电力建设有限公司
职称: 工程师
学位/学历: 本科
职务：: 生产管理部副经理
研究的方向：: 自动化
3.钟勇强 性别: 男
出生年月：1984年1月
籍贯：浙江余杭
名族：汉族
现任单位: 杭州凯达电力建设有限公司
职称: 工程师
学位/学历: 本科
职务：: 送电线路主管
研究的方向：: 电气工程及其自动化