一种基于NB-IOT的高压电缆低功耗在线监测设备

摘要

本发明公开了一种基于NB‑IOT的高压电缆低功耗在线监测设备，包括电流传感器、AD转换模块、主控芯片、PC终端、上位机、NB‑IOT无线通信模块、传感器组和电源管理模块。本发明通过主控芯片将所需的各种数据通过设备工作模式进行优先级分类，护层电流数据与故障录波数据设置为第一优先级，在所有工作模式下，该级别数据都需要进行传输。温度、振动、设备信息等数据设置为第二优先级，该级别数据只会在正常工作模式进行传输。数据传输时通过数据包大小限制，对数据量过大的数据包进行剔除，减少无效数据的上传，在不同工作模式下，数据通信的频率与数据通信的传输量也会相应的进行改变，既降低了通信功耗，也保证了设备的正常运行。

权利要求

1.一种基于NB‑IOT的高压电缆低功耗在线监测设备的监测方法，其特征在于：基于NB‑IOT的高压电缆低功耗在线监测设备包括电流传感器、AD转换模块、主控芯片、PC终端、上位机、NB‑IOT无线通信模块、传感器组和电源管理模块，所述电流传感器通过所述AD转换模块与所述主控芯片连接，所述电流传感器和所述传感器组采集高压电缆的数据，所述传感器组与所述主控芯片的信号输入端连接，所述主控芯片的数据输出端与所述PC终端连接，所述主控芯片的数据传输端通过所述NB‑IOT无线通信模块与所述上位机通信连接；

所述基于NB‑IOT的高压电缆低功耗在线监测设备的监测方法包括以下步骤：步骤一：数据采集

高压电缆的运行数据采集是整个设备运行的基础，通过电流传感器采集高压电缆金属护层接地环流，接地环流是本设备最主要用来判断电缆运行情况的数据，温度传感器，湿度传感器负责采集电缆运行温度，湿度；

步骤二：高频故障录波，电流采样计算与有效值计算对多通道采集的电流传感器进行电流采样计算，其中从电缆采集的电流设置为 ，传感器变比 ，经过传感器后电流为 ，其中 ，采样电阻为 ，经过运算放大器，设置运放倍数为 ，此时共模输入端电压 ，共模偏移电压 =2.5v,AD采样读取电压 ，此时也可以得到从电缆采集的电流，经过上述计算就可以得到最终的电流采样值；之后在主控中对多路电流传感器采集并进行初步采样计算的电流进行有效值计算，鉴于高压传输电传输的是周期交流信号，其有效值不能直接计算平均值需要对实时采样值进行RMS（均方根值）计算，将周期信号中的一个周期内的信号进行平方和后求平均，再开方，公式为 其中 为上述计算的电流实时采样值经过模数转换后的数字量， 代表经过RMS计算后的有效值，获取有效值之后对有效数据大小进行检测，发现数值波动超过特定阈值，则启动录波，记录故障点前200ms和后800ms的采样数据并将故障前后采样值保存在Flash缓存中；

步骤三：无效数据剔除

通过对暂存在缓存中的数据包进行数据长度分析，通过代码设置，剔除过长数据包与数据段，其中上报数据包的内容格式规定标准大小为108Byte，若实际上传数据包大小超过规定格式的两倍时，会将后续数据剔除，对其中每个数据段的大小设置为4Byte，包括录波数据，电流数据，温度，振动数据，数据段存入缓存时若大小超过8Byte，主控芯片也会将其自动剔除；

步骤四：配置设备工作模式

经过步骤一、二、三后，此时需要配置设备的工作模式，通过检测功能模拟功率输出，进行周期电压监测判断，当能够长时间维持设备所需电压供电时，启用正常工作模式，数据高效高频率传输；电压维持不稳定甚至面临无法维持设备工作的风险时，启动内置电源，可根据所需维持时间的需求，切换至非稳定工作模式或掉电工作模式，提高数据传输间隔，降低电流采样计算频率，更改NB‑IOT模块状态至IDLE或PSM，以维持设备的最大时间正常运行，等待检修；

步骤五：通信信号强度判断

通过对NB=IOT使用AT指令AT+CSQ时，会返回信号质量结果+CSQ：AA.BB，AA为信号质量，取值范围为0‑31，BB为误码率，正常工作下在0‑99之间；通过返回结果进行通信判断，选择通信信号良好时间段进行数据通信，可以有效降低丢包率；

步骤六：数据上传

经过步骤五的判断之后，设备将进行数据上传。

2.根据权利要求1所述的基于NB‑IOT的高压电缆低功耗在线监测设备的监测方法 ，其特征在于：所述主控芯片采用低功耗的STM32L4单片机作为数据处理系统的核心。

3.根据权利要求1所述的基于NB‑IOT的高压电缆低功耗在线监测设备的监测方法 ，其特征在于：所述电源管理模块由太阳能电池板，大容量铁锂电池，电压转换模块，内置掉电保护电源组成。

说明书

一种基于NB‑IOT的高压电缆低功耗在线监测设备

技术领域

[0001] 本发明涉及电力工程领域，尤其涉及一种基于NB‑IOT的高压电缆低功耗在线监测设备。

背景技术

[0002] 高压电缆传输的交流电周围存在着变化的电场，会导致电缆金属护层上产生相应的感应电流，电缆通过交叉互联接地的方式降低感应电流，而当电缆绝缘老化时，会破坏金
属护层接地方式，导致接地电流迅速增大，产生电缆故障隐患。通过对接地电流的监测是如
今较为流行的在线监测方法，但目前市面上的高压电缆在线监测设备多致力于如何高效的
检测电缆故障，却很少对监测设备本身的运行稳定性与功耗进行研究与设计，导致监测设
备的故障率较高，无法长时间稳定运行，造成了监测结果的偶然性增加。因此本发明的目标
是在能够在有效的完成高压电缆监测设备的基础功能的之上，通过结合窄带物联网等新兴
技术，减少监测设备的运行功耗，提高监测设备运行的稳定性，减少监测设备供电侧的压
力，增加应对恶劣环境的能力。

发明内容

[0003] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于NB‑IOT的高压电缆低功耗在线监测设备。

[0004] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

[0005] 本发明包括电流传感器、AD转换模块、主控芯片、PC终端、上位机、NB‑IOT无线通信模块、传感器组和电源管理模块，所述电流传感器通过所述AD转换模块与所述主控芯片连
接，所述电流传感器和所述传感器组采集所述电源管理模块的数据，所述传感器组与所述
主控芯片的信号输入端连接，所述主控芯片的数据输出端与所述PC终端连接，所述主控芯
片的数据传输断奶通过所述NB‑IOT无线通信模块与所述上位机通信连接。

[0006] 所述主控芯片采用低功耗的STM32L4单片机作为数据处理系统的核心。

[0007] 所述电源管理模块由太阳能电池板，大容量铁锂电池，电压转换模块，内置掉电保护电源组成。

[0008] 本发明的有益效果在于：

[0009] 本发明是一种基于NB‑IOT的高压电缆低功耗在线监测设备，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0010] (1)本发明采用NB‑IOT作为通信架构，相对于传统的无线通信模块，该模块具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低等优点，并且支持5G通信，在5G通信时代能够得到更
大的优势凸显，同时该模块具有多种传输模式，在PSM模式下，可以最大程度的维持设备通
信在最低耗能下运行。

[0011] (2)本发明通过将监测设备的工作模式进行设计，将设备分为三类工作模式，正常工作模式，非稳定工作模式，掉电工作模式，通过对外界情况与供能情况进行分析，选择不
同的工作模式，能够保证监测设备的长时间运行，减少突发情况对监测设备的影响；

[0012] (3)本发明的设备端与服务端的通信协议采用CoAP协议，该协议基于UDP协议封装，是一种专用于受限设备的应用协议，可以有效的降低设备运行压力，所以十分的适配
NB‑IOT模块。

[0013] (4)本发明通过主控芯片将所需的各种数据通过设备工作模式进行优先级分类，护层电流数据与故障录波数据设置为第一优先级，在所有工作模式下，该级别数据都需要
进行传输。温度、振动、设备信息等数据设置为第二优先级，该级别数据只会在正常工作模
式进行传输。数据传输时通过数据包大小限制，对数据量过大的数据包进行剔除，减少无效
数据的上传，在不同工作模式下，数据通信的频率与数据通信的传输量也会相应的进行改
变，既降低了通信功耗，也保证了设备的正常运行。

[0014] 解决上述技术问题的难度：因为高压电缆的敷设环境多种多样，也就造成了监测设备所面临的环境也大不相同，供电模块的稳定性，通信信号的稳定性，都是对在线监测设
备的考验，如何行之有效的解决上诉供电与通信的问题，是目前研究中的难题。在现有的高
压电缆在线监测研究中的大部分设备也是如此，能够有效的完成对电缆的运行监测，却无
法有效改善面对恶劣环境与突发情况的监测稳定性，这回导致监测数据传输的偶然性增
加，并增加了维护监测设备的负担，导致与监测设备最初的目的相斥。

[0015] 解决上诉问题的意义在于：通过对监测设备的低功耗软硬件设计，降低了在面临恶劣环境与情况下的设备故障率，面对供能不稳定的情况时，设备会及时的切换工作状态，
通过内置电池，在掉电模式下，也能够长时间维持设备的基本运行，坚持到检修人员的到
来，同时结合NB‑IOT模块，能够有效的分析当前通信信号强度，减少在无线通信过程中的数
据丢失，减少数据传输的偶然误差，增强数据的可靠性。

附图说明

[0016] 图1是本发明的整体示意图；

[0017] 图2是本发明的业务架构图；

[0018] 图3是本发明的数据通信流程图；

[0019] 图4是本发明的系统软件流程图；

[0020] 图5是本发明的部分模块不同工作模式下的功耗曲线图；

[0021] 图6是本发明的设备端与上位机端数据通信测试图。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明作进一步说明：

[0023] 如图1所示：本发明包括电流传感器、AD转换模块、主控芯片、PC终端、上位机、NB‑IOT无线通信模块、传感器组和电源管理模块，所述电流传感器通过所述AD转换模块与所述
主控芯片连接，所述电流传感器和所述传感器组采集所述电源管理模块的数据，所述传感
器组与所述主控芯片的信号输入端连接，所述主控芯片的数据输出端与所述PC终端连接，
所述主控芯片的数据传输断奶通过所述NB‑IOT无线通信模块与所述上位机通信连接。

[0024] 所述主控芯片采用低功耗的STM32L4单片机作为数据处理系统的核心。

[0025] 所述电源管理模块由太阳能电池板，大容量铁锂电池，电压转换模块，内置掉电保护电源组成。

[0026] 传感器模块主要分为两块，其中多路电流传感器与AD芯片相连，采集到电缆接地互感电流后，经过运算放大器后由AD模块采集数据并进行初步处理转换后传入主控模块之
中，进行有效值计算，温湿度及振动传感器进行数据采集后通过RS485串口传入主控模块中
进行数据打包处理。

[0027] 主控模块，采用低功耗的STM32L4单片机作为数据处理系统的核心，对数据采集模块产生的数据进行处理，与上位机进行数据交互，处理下发命令，并在在外界供能发生变化
时，实时调控设备的运行模式。

[0028] 电源模块，主要由太阳能电池板，大容量铁锂电池，电压转换模块，内置掉电保护电源组成，使用太阳能供电可以适用与多种的电缆敷设环境，大容量的铁锂电池可以保证
长期阴雨天气设备不掉电，内置的掉电保护电源可以应对意外掉电等突发情况。

[0029] 无线通信模块，基于NB‑IOT模块搭建，负责将经由主控模块处理过的数据包由设备端上传至服务端。包含三种传输模式，CONNECT模式，此时耗电量最大，数据可以进行高频
率传输。IDLE模式，该模式下NB‑IOT只能进行高间隔数据传输，运行周期增加，功耗减低。
PSM模式，该状态下，无线通信模块与上位机端服务器断开连接，功耗极低，处于长周期休
眠，定时启动连接并上发数据。

[0030] 上位机，最主要的功能是通过上位机对监测设备进行调试，对监测设备的软硬件设计能够快速的得到调试与反馈，设备调试完成后可直接接入物联网云平台。

[0031] 图2是设备的系统架构图，主要分四层：

[0032] 硬件驱动层：主控芯片的底层驱动，通信总线，I/O口

[0033] 业务逻辑层：设备主要业务逻辑，包括电流采样与故障录波，通信协议等

[0034] 功能模块层：包括电流采样，故障录波，数据缓存等

[0035] 服务应用层：通过服务端对设备端进行部分任务调度与设备配置

[0036] 如图4所示，具体实现步骤如下：

[0037] 步骤一：数据采集

[0038] 高压电缆的运行数据采集是整个设备运行的基础，通过电流传感器采集高压电缆金属护层接地环流，接地环流是本设备最主要用来判断电缆运行情况的数据，温度传感器，
湿度传感器负责采集电缆运行温度，湿度。温湿度也是影响电缆运行的重要数据，振动传感
器采集电缆XYZ三轴振动数据，用于判断电缆是否收到外界的影响，普通传感器数据采集之
后经过初步的数据处理后通过串口传输至主控芯片之中，电流互感器则需要经过AD模块处
理后通过SPI总线进行数据传输。

[0039] 步骤二：高频故障录波，电流采样计算与有效值计算

[0040] 首先对多通道采集的电流传感器进行电流采样计算，其中从电缆采集的电流设置为I0，传感器变比CN，经过传感器后电流为I1，其中I1＝I0/CN，采样电阻为R，经过运算放大
器，设置运放倍数为AN，此时共模输入端电压V1＝I1*R*AN，共模偏移电压V2＝2.5v,AD采样
读取电压V0＝V1‑V2，此时也可以得到从电缆采集的电流 经过上
诉计算就可以得到最终的电流采样值。之后在主控中对多路电流传感器采集并进行初步采
样计算的电流进行有效值计算，鉴于高压传输电传输的是周期交流信号，其有效值不能直
接计算平均值需要对实时采样值进行RMS(均方根值)计算，将周期信号中的一个周期内的
信号进行平方和后求平均，再开方，公式为 其中e为上诉计算的电
流实时采样值经过数模转换后的数字量，ERMS代表经过RMS计算后的有效值，获取有效值之
后对有效数据大小进行检测，发现数值波动超过特定阈值，则启动录波，记录故障点前
200ms和后800ms的采样数据并将故障前后采样值保存在Flash缓存中。

[0041] 步骤三：无效数据剔除

[0042] 通过对暂存在缓存中的数据包进行数据长度分析，通过代码设置，剔除过长数据包与数据段，其中上报数据包的内容格式规定标准大小为108Byte，若实际上传数据包大小
超过规定格式的两倍时，会将后续数据剔除，对其中每个数据段的大小设置为4Byte，包括
录波数据，电流数据，温度，振动数据等，数据段存入缓存时若大小超过8Byte，主控模块也
会将其自动剔除。

[0043] 步骤四：配置设备工作模式

[0044] 经过步骤一、二、三后，此时需要配置设备的工作模式，通过检测供能模功率输出，进行周期电压监测判断，当能够长时间维持设备所需电压供电时，启用正常工作模式，数据
高效高频率传输。电压维持不稳定甚至面临无法维持设备工作的风险时，启动内置电源，可
根据所需维持时间的需求，切换至非稳定工作模式或掉电工作模式，提高数据传输间隔，降
低电流采样计算频率，更改NB‑IOT模块状态至IDLE或PSM，以维持设备的最大时间正常运
行，等待检修。

[0045] 步骤五：通信信号强度判断

[0046] 通过对NB＝IOT使用AT指令AT+CSQ时，会返回信号质量结果如+CSQ：AA.BB，AA为信号质量，取值范围为0‑31，BB为误码率，正常工作下在0‑99之间。通过返回结果进行通信判
断，选择通信信号良好时间段进行数据通信，可以有效降低丢包率。

[0047] 步骤六：数据上传

[0048] 经过步骤五的判断之后，设备将进行数据上传，具体流程如图3所示。

[0049] 图5是本发明的部分模块不同工作模式下的功耗曲线图。

[0050] 图6是本发明的设备端与上位机端数据通信测试图。

[0051] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变
化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其
等效物界定。