一种基于双模通信的高压线温度监测系统及其控制方法

本发明属于安全监测，涉及高压输电线路温度的监测，具体是一种基于双模通信的高压线温度监测系统及其控制方法。

背景技术：

1、高压输电线路承担着远距离、大容量电能传输的重要任务。输电线路长期运行于复杂的户外环境中，容易受到大电流负载、环境温度变化、导线老化、接头接触不良以及覆冰等因素影响，导致导线或连接部位温度异常升高，输电线路的温度是高压架空输电线路运行状态的重要状态参数，它是电缆电流、环境温度、散热条件及绝缘状态的综合反映。线缆长时间的高温会导致接触电阻升高，导线下坠、泄漏电流变大，造成绝缘击穿，严重的还会在导线连接点处熔断，造成停电、火灾。因此，及时有效地监测输电线缆的发热情况，对于电网的稳定运行十分重要。

2、高压输电线路通常架设于野外、高空及偏远山区等复杂环境中，对在线温度监测设备的通信稳定性与低功耗运行能力提出了较高要求。现有部分在线测温设备通常采用单一无线通信方式，其中，窄带无线通信方式虽然具有功耗低的优点，但在偏远山区或弱覆盖环境下易出现网络连接不稳定、数据传输失败等问题；而宽带无线通信方式虽然具有网络覆盖能力较强、传输速率较高等优点，但其整体功耗较高，难以满足长期低功耗运行需求。因此，如何在保证温度数据稳定传输的同时降低系统整体功耗，实现高压输电线路温度监测设备的长期稳定运行，成为本领域亟须解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于双模通信的高压线温度监测系统及其控制方法，能够兼顾数据传输稳定性、异常温升及时上报能力和设备低功耗运行能力，高效完成高压线温度监测工作。

2、本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：

3、一种基于双模通信的高压线温度监测系统，包括主控电路、温度采集电路、nb-iot通信电路、lte-cat1通信电路、第一电源门控支路、第二电源门控支路、rtc唤醒单元以及外置看门狗；所述主控电路包括mcu、rtc唤醒单元及外置看门狗，所述mcu分别连接温度采集电路、rtc唤醒单元、外置看门狗以及第一电源门控支路和第二电源门控支路的使能端，所述第一电源门控支路包括功率电子开关s1和线性稳压器u1，用于为nb-iot通信电路独立供电；所述第二电源门控支路包括功率电子开关s2和线性稳压器u2，用于为lte-cat1通信电路独立供电；温度采集电路包括温度传感器，温度传感器设置在高压线的计划监测位置。

4、所述mcu分别控制两路功率电子开关s1和s2，通过线性稳压器u1和u2分别为nb-iot通信电路与lte-cat1通信电路供电，从而实现两种通信模块的独立供电控制；在非工作状态、通信异常恢复状态以及rtc待机状态下，mcu关闭对应通信电路供电，以降低系统整体功耗并避免不同通信模块之间的待机漏电叠加。

5、所述基于双模通信的高压线温度监测系统的控制方法，包括：

6、根据自适应切换策略控制nb-iot通信电路和lte-cat1通信电路上电工作，并在通信完成后关闭对应通信电路供电，使高压线温度监测系统在低功耗待机和可靠上传之间动态切换；所述自适应切换策略基于多因素评估，所述评估因素至少包括nb-iot通信模块和lte-cat1通信模块的csq信号强度、网络注册状态、网络接入耗时、mqtts连接结果、at指令合法响应次数、连续上传失败次数、最近若干次上传成功率、物联网卡运营商信息以及当前驻留小区或可搜索小区的网络频段信息；所述mcu根据所述评价因素生成链路优先级，并按照链路优先级选择当前上传链路。

7、进一步的，所述mcu通过逻辑电平控制功率电子开关s1和s2的导通或关断，以控制对应线性稳压器输入电源的接通或断开；当任一通信电路处于非工作状态、通信异常恢复状态或rtc待机状态时，所述mcu关闭对应电源门控支路，使nb-iot通信电路与lte-cat1通信电路处于相互独立的断电隔离状态。

8、进一步的，所述监测系统的链路优先级策略为：

9、监测系统优先采用nb-iot通信电路进行网络接入与数据传输；当nb-iot通信模块网络连接异常、数据发送失败、在预设时间内未完成网络接入、at指令重发次数达到预设上限或最近若干次上传成功率低于预设阈值时，所述mcu关闭nb-iot通信电路供电，并切换为lte-cat1通信电路进行数据传输；

10、监测系统在由nb-iot通信电路切换至lte-cat1通信电路后，设置链路恢复滞回条件；仅当nb-iot通信电路在后续监测中连续满足预设csq阈值、网络接入耗时阈值和上传成功条件时，监测系统才将通信优先级恢复为nb-iot通信电路，从而形成滞回切换机制，避免弱覆盖环境下频繁切换造成额外功耗和通信失败。

11、进一步的，监测系统预存或接收更新物联网卡运营商频段优先级信息，所述运营商频段优先级信息至少包括物联网卡归属运营商、nb-iot通信制式对应的优先频段以及lte-cat1通信制式对应的优先频段；监测系统优先选择物联网卡归属运营商在当前位置可搜索或已驻留的nb-iot频段进行低功耗上传，当nb-iot频段不满足预设接入条件或上传条件时，再选择物联网卡归属运营商在当前位置可搜索或已驻留的lte-cat1频段进行上传，以减少跨制式无效搜索和不必要的高功耗连接尝试。

12、进一步的，所述nb-iot通信模块和lte-cat1通信模块的at指令交互设置检错重发和断电复位机制；当监测系统的主控电路开始工作时，通过逻辑电平控制，优先为nb-iot通信电路中的nb-iot模块供电；nb-iot模块完成上电初始化后，对网络连接状态进行监测；当网络连接正常时，nb-iot模块与服务器建立mqtts连接，并向服务器发送采集的温度数据，在此期间系统对每条at指令均设置检错重发机制，主控电路在发送at指令后对返回报文进行合法性监测，当监测到错误报文、非法报文或在规定时间内未收到响应时，清除当前报文并重新发送对应at指令；当单条at指令超过最大重发次数或通信模块无响应时，所述mcu关闭对应电源门控支路，经过预设放电等待时间后重新上电初始化，若断电复位后仍未完成数据上传，则切换至另一通信电路。

13、进一步的，所述监测系统采用锂电池作为储能单元，结合光伏发电板为锂电池进行持续供电；mcu根据锂电池电压、光伏充电状态、计划监测位置温度、温度阈值和温升速率，动态调整温度采集周期、数据上传周期和通信链路选择，具体逻辑为：

14、当锂电池电压低于预设低电量阈值且温度未异常时，延长采集周期并优先采用nb-iot通信电路上传；当计划监测位置温度超过预设报警阈值或温升速率超过预设变化率阈值时，立即唤醒并优先选择上传成功率较高的通信链路进行报警数据上传。

15、进一步的，所述mcu在完成温度数据采集与上传后，控制电源门控支路关闭nb-iot通信电路、lte-cat1通信电路和温度采集电路供电，并配置rtc唤醒定时器后进入低功耗模式，等待rtc唤醒定时器到达设定时间后重新唤醒并开始工作；当rtc唤醒定时器到达设定时间后，mcu重新唤醒并启动下一轮温度数据采集与上传；在mcu进入低功耗模式期间，外置看门狗保持工作状态，当mcu出现程序异常、通信异常或唤醒失败时，外置看门狗对mcu进行自动复位，从而提高系统运行的稳定性与可靠性。

16、进一步的，当温度传感器的安装位置受到夹具结构、安全距离、线路结构等原因限制，与计划监测位置存在距离偏移，无法直接安装在计划监测位置时，监测系统执行安装偏移距离补偿的热传导温度反推算法；云服务器向主控电路的mcu下发安装位置至计划监测位置的距离参数，系统根据温度采集电路测得的安装位置温度、环境温度以及距离参数，采用预设热传导衰减模型反推计划监测位置的温度，并将反推得到的计划监测位置温度用于温度报警判断、采集周期调整和通信链路选择。

17、本发明的有益效果是：

18、(1)本发明采用宽窄带独立电源门控的低功耗硬件架构，通过mcu控制功率电子开关实现nb-iot通信电路与lte-cat1通信电路的独立供电管理，在非工作状态、通信异常恢复状态和rtc待机状态下可关闭对应通信模块供电，从而有效降低系统整体待机功耗。

19、(2)本发明采用基于多因素评价的宽窄带双模通信切换方式，将信号强度、网络接入耗时、连接结果、at指令响应、上传失败次数、历史上传成功率、运营商信息和网络频段信息共同用于链路选择，较单一csq判断方式能够更准确反映高压线路复杂环境下的真实通信可用性。

20、(3)本发明通过运营商频段优先级信息优先选择物联网卡归属运营商在当前位置可用的nb-iot或lte-cat1频段，能够减少无效扫网、跨制式反复接入和高功耗连接尝试，提高移动物联网卡在不同高压线路场景下的接入效率。

21、(4)本发明通过安装偏移距离补偿的热传导温度反推方式，在设备无法直接安装于计划监测位置时仍可获得计划监测位置的估算温度，能够降低安装位置偏差对温度报警判断的影响，提高高压线温度监测的适用性和准确性。

22、(5)本发明在通信失败后通过检错重发、断电复位和链路切换依次恢复通信，并设置nb-iot链路恢复滞回条件，可减少弱覆盖环境下的无效重连和频繁切换，提高温度数据上传可靠性。

23、(6)本发明根据锂电池电压、光伏充电状态、温度阈值、温升速率以及计划监测位置温度动态调整采集周期、上传周期和通信链路选择，能够在低电量时降低功耗，在温度异常时提高报警数据上传优先级，适用于高压输电线路长期在线温度监测场景。

24、(7)本发明采用基于rtc唤醒与通信模块动态断电控制的低功耗运行机制，并通过外置看门狗实现系统异常自动复位，可在程序异常、通信异常或唤醒失败等情况下提高系统长期运行稳定性。