基于電力物聯(lián)網(wǎng)的電纜智能感知一站式診斷平臺(tái)

鄭建康，南 海，蘇小婷，李昆霖，蓋 凈，張晨光，朱一猛，張有平

（1.國網(wǎng)西安供電公司，陜西 西安 710075；2.西安博源電氣有限公司，陜西 西安 710043）

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鄉(xiāng)用電需求急劇增加，對(duì)高壓電纜的穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。電纜在運(yùn)行過程中會(huì)受到環(huán)境中的電、化學(xué)、熱、機(jī)械等的影響，出現(xiàn)電纜絕緣老化而導(dǎo)致電纜運(yùn)行故障。為了保證電纜的健康穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)正在運(yùn)行的高壓電力電纜的健康狀況進(jìn)行及時(shí)掌握就顯得尤為重要。因此，對(duì)電纜的局放、環(huán)流、發(fā)熱、振動(dòng)等多種參數(shù)進(jìn)行綜合檢測(cè)有著重大的意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 國內(nèi)外研究水平綜述

近年來，國內(nèi)外專家對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)已經(jīng)有了相對(duì)成熟的診斷技術(shù)和故障經(jīng)驗(yàn)值。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等計(jì)算機(jī)領(lǐng)域新技術(shù)的發(fā)展，也為高壓電纜檢測(cè)帶來新的解決思路和數(shù)據(jù)分析方法。文獻(xiàn)[1]研究了基于云平臺(tái)的變電站設(shè)備的智能診斷；文獻(xiàn)[2]提出了基于電力物聯(lián)網(wǎng)的配電設(shè)備智能感知診斷應(yīng)用，提出了一種“云管邊端”的系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建了基于電力物聯(lián)網(wǎng)的配電設(shè)備智能診斷分析系統(tǒng)?，F(xiàn)有檢索的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)主要研究的是智能變電站傳感器和基于電力物聯(lián)網(wǎng)的配電研究。在對(duì)高壓電纜線路接頭故障的檢測(cè)上大多只能檢測(cè)單一故障的判斷，對(duì)于出現(xiàn)多種故障現(xiàn)象的線路無法精確判斷其故障。因此，提出一種電纜智能感知一站式綜合體檢診斷平臺(tái)，主要對(duì)電纜的局放、環(huán)流、發(fā)熱及振動(dòng)等多種參數(shù)進(jìn)行綜合分析，評(píng)估電纜的健康狀況，以有效保證電力電纜安全、可靠地正常運(yùn)行。

2 電纜智能感知體檢診斷平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

電纜智能感知一站式診斷平臺(tái)包括前端各類檢測(cè)傳感器設(shè)備、終端的高速數(shù)據(jù)采集模塊、運(yùn)維人員的移動(dòng)終端設(shè)備、遠(yuǎn)程終端設(shè)備及云平臺(tái)（見圖1）。系統(tǒng)工作時(shí)，通過布置在電纜接頭上的各類傳感器采集信號(hào)，利用有線、無線的方式將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給設(shè)備現(xiàn)場的智能終端，再通過智能終端對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行初處理（數(shù)據(jù)解析/重構(gòu)），經(jīng)電力物聯(lián)網(wǎng)傳輸給云平臺(tái)，然后應(yīng)用壓縮感知原理對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮，傳到狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，進(jìn)而及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行故障預(yù)警。云平臺(tái)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比對(duì)綜合處理，如果發(fā)現(xiàn)有故障信息，就會(huì)將報(bào)警信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端和移動(dòng)監(jiān)控終端上。

2.1 前端傳感器技術(shù)

本系統(tǒng)配有7種類型的有線/無線傳感器，可用于測(cè)試7種類型的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行故障分析。

圖1 系統(tǒng)框圖

（1）交叉互聯(lián)、接地線安裝高頻HFCT、高頻CT進(jìn)行局放及環(huán)流采集，本體負(fù)載電流檢測(cè)安裝適合電纜本體尺徑的傳感器，通過負(fù)載電流與接地環(huán)流大小判斷環(huán)流是否異常，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜護(hù)套是否多點(diǎn)接地的判斷。

（2）電纜接頭處使用特高頻傳感器進(jìn)行檢測(cè)，以避免現(xiàn)場干擾的影響。檢測(cè)數(shù)據(jù)可以與高頻檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，減小誤判。

（3）溫度傳感器通過對(duì)電纜接頭處溫度的監(jiān)測(cè)來分析電纜可能出現(xiàn)的熱故障。采用五線傳輸?shù)姆绞?，減小線路連接，方便攜帶。

（4）振動(dòng)傳感器采用內(nèi)置的壓電式傳感器，可以測(cè)量位移量、速度量和加速度量。由于加速度量是3個(gè)參量中靈敏度最高的，能有效監(jiān)測(cè)較高頻率的振動(dòng)。電纜振動(dòng)時(shí)大多是高頻振動(dòng)，所以采用加速度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該傳感器穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。

（5）紅外熱像進(jìn)行拍攝中，可以將數(shù)據(jù)上傳至電纜一站式綜合體檢診斷平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜多狀態(tài)信息的匯總。

這些傳感器大都內(nèi)置DSP數(shù)據(jù)采集功能，能將采集的傳感信號(hào)通過串口/無線的方式傳給檢測(cè)終端，支持MODBUS、104、61850等多種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。采用有線或無線的方式將采集信號(hào)傳給狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端，狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端將采集信號(hào)上傳到云端，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，作出故障診斷。巡檢人員可以在此判斷設(shè)備故障并實(shí)施搶修等，也可將診斷結(jié)果發(fā)送給遠(yuǎn)程終端和移動(dòng)終端，雙重確保診斷的準(zhǔn)確性[3-6]。

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

系統(tǒng)采集信號(hào)量大通道多，且頻率高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量較大，對(duì)硬件要求較高，數(shù)據(jù)傳輸起來比較緩慢。所以，采用壓縮感知技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮和重構(gòu)，既能節(jié)省硬件資源，又能緩解因數(shù)據(jù)量過大導(dǎo)致的傳輸緩慢。

壓縮感知理論實(shí)現(xiàn)了采集較少的信號(hào)，重構(gòu)出大量數(shù)據(jù)信號(hào)，打破了奈奎斯特采樣定律。壓縮感知理論指出，當(dāng)數(shù)據(jù)足夠稀疏時(shí)，范數(shù)L1最小化可以從欠采樣的樣本中有效地恢復(fù)頻率稀疏信號(hào)。

本文用Matlab做仿真，分別以離散余弦變換基（Discrete Cosine Transform，DCT）和快速傅立葉變換基（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）做為稀疏基，高斯隨機(jī)矩陣、部分哈達(dá)瑪矩陣為測(cè)量矩陣，L1范數(shù)、正交匹配追蹤算法（Orthogonal Matching Pursuit，OMP）為重建算法進(jìn)行壓縮感知算法實(shí)現(xiàn)。

本文以模擬的電纜振動(dòng)信號(hào)做為原信號(hào)，取原信號(hào)20%做為輸入，進(jìn)行壓縮感知重建，如圖2所示。圖3為原始信號(hào)和重構(gòu)后信號(hào)對(duì)比圖（K=14時(shí)）。

圖2 原始信號(hào)圖

信號(hào)的最佳稀疏度為14，從圖3中可以看出，系統(tǒng)已經(jīng)基本還原了原始信號(hào)，且能有效地提高信號(hào)的傳輸速率。

圖3 原始信號(hào)和重構(gòu)后信號(hào)對(duì)比圖

2.3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

本系統(tǒng)應(yīng)用了兼容多協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，可以將現(xiàn)場的各種采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，分別支持104、61850及MODBUS等多種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，能快速有效地將數(shù)據(jù)信息傳到應(yīng)用的各個(gè)終端。

2.4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端

狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端集成了能檢測(cè)和管理各個(gè)傳感器狀態(tài)的上位機(jī)軟件，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜狀態(tài)，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)庫比對(duì)，進(jìn)行故障診斷[7-9]。如果有異常和故障狀態(tài)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)進(jìn)行預(yù)警處理，并可將預(yù)警信息實(shí)時(shí)傳給遠(yuǎn)程/移動(dòng)終端。圖4為某局部放電的上位機(jī)界面圖。

圖4 局部放電的上位機(jī)界面圖

3 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）運(yùn)用壓縮感知原理進(jìn)行信號(hào)傳輸處理，降低了數(shù)據(jù)傳輸難度。

（2）構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的電纜智能感知一站式診斷平臺(tái)，通過對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)橫向比對(duì)，實(shí)現(xiàn)了高壓電纜故障快速診斷。

（3）所應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)兼容各種協(xié)議，解決了各種協(xié)議不兼容并存的問題。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)高壓電纜運(yùn)行故障，研制了一種高壓電纜智能感知一站式診斷平臺(tái)，有效地解決了運(yùn)維巡檢人員在排查故障時(shí)單一測(cè)量的問題，將電纜常見問題與檢測(cè)集成在一個(gè)系統(tǒng)中，并運(yùn)用云管邊端的方式，有效地監(jiān)測(cè)了電纜運(yùn)行中的各類故障。