基于振動特征的智能電纜防外破監(jiān)測技術(shù)研究

田漢霖 楊 煦 黃一甲 夏愛軍

（國網(wǎng)杭州市錢塘新區(qū)供電公司，浙江 杭州 311225）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展和城市供電網(wǎng)絡(luò)體系對可靠性要求的不斷提高，城市電網(wǎng)運輸體系設(shè)計的要求也越來越高，對智能電纜運行穩(wěn)定性、科學性和可靠性的要求逐步提高。當前，各式各樣的智能電纜露天鋪設(shè)的情況隨處可見，造成了很多安全隱患。但智能電纜在城市輸配電系統(tǒng)中有重要價值，需要對智能電纜防外破監(jiān)測技術(shù)進行探討和研究，通過監(jiān)督、控制智能電纜來增強其主動性和合理性，從而為正常開展智能電纜防外破工作打下堅實基礎(chǔ)。

在該背景下，該文對基于振動特征的智能電纜防外破監(jiān)測技術(shù)的探討和研究就具有重要的理論意義與現(xiàn)實價值。

1 無線壓電傳感單元的設(shè)計

1.1 聲波耦合模塊

當智能電纜受到外力環(huán)境的破壞時，其信號通常為風鎬信號、機械挖掘信號以及打樁信號等，上述外力信號在物體的不同頻率資源振動條件下有不同的振動信號，因此，該文選擇基于微機電系統(tǒng)（EMS）的加速度傳感器作為其前端聲波的耦合模塊，利用具備線性頻率響應(yīng)特征的工具對其測量范圍進行科學認證，使加速度傳感器受外力破壞時的具體頻率特征值如圖1 所示。由圖1 可知，通過計算、分析壓力傳感器所獲取的振動信號中的加速度信號能夠得到該傳感器在頻率范圍內(nèi)的具體倍數(shù)穩(wěn)定值參數(shù)，也就是在未設(shè)置前端放大倍數(shù)的基礎(chǔ)上得到實際輸出的電壓信號，該增幅往往與智能電纜的外界環(huán)境振幅呈線性關(guān)系，兩者之間的比例系數(shù)即為無線壓電傳感單元傳感器電靈敏系數(shù)。通過輸出電壓到震動加速度的換算公式能夠得到聲波耦合模塊智能傳感器實際輸出的電壓值范圍，從而得到測量的加速度范圍。在集合放大電路的基礎(chǔ)上，將微弱的振動特征信號轉(zhuǎn)化為電荷量輸出，從而提高其測量精度，最后利用如圖1 所示的加速度信號積分計算公式得到相應(yīng)的速度信號，為在無線壓電傳感單元頻率范圍內(nèi)分析濾波噪聲頻率以及提取參數(shù)特征等任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

圖1 頻率響應(yīng)特征曲線

1.2 信號調(diào)理電路

無限壓電傳感單元的振動信號頻率為幾十赫茲到幾百赫茲，無須經(jīng)過過高的采樣率設(shè)置就能夠得到數(shù)據(jù)信號的采樣和負荷。然而，智能電纜實際加速度幅度值的變化幅度往往較小，為了進一步合理利用其一定的存儲空間，往往需要對微弱的振動信號進行一定倍數(shù)的放大以及積累原始數(shù)據(jù)，其放大電路如圖2 所示。其中，圖2 為原始振動信號的放大電路，主要采用LM324 構(gòu)成的兩級放大電路，是一種低功率單電源四通道運算放大器，其增益為20 dB，采用級聯(lián)的方式能夠盡可能保留振動信號，電阻======10kΩ，====100kΩ，電容======10 μF。采用兩級放大電路結(jié)構(gòu)消除整個電路圖中直流電的偏執(zhí)影響，利用隔離處理裝置實現(xiàn)對放大電路的模擬，完全保留智能電纜在運行過程中的微弱振動特征，在較大的幅值差距條件下有效去除噪聲信號。進一步分析可知，在穩(wěn)定的電流和電壓工藝條件下，無線壓電傳感單元的信號調(diào)理電路在長期工作的監(jiān)聽模式下能夠保證電源穩(wěn)定、持續(xù)地輸出，所采用的CT結(jié)構(gòu)采取電源能量和鋰電池儲能裝置相結(jié)合的方式，能夠維持該電路系統(tǒng)的傳感器工作，從而在信號的預處理單元中利用電源電路的結(jié)構(gòu)形式穩(wěn)定輸出電壓值，對電源電池的實際充、放電過程進行合理控制。

圖2 放大電路示意圖

2 傳感器的功耗管理

在振動特征頻率下，傳感器的功耗管理主要包括電磁感應(yīng)線圈能量提取和充放電保護電路2 個部分。以充放電保護電路為例，探究不同模塊的能耗損失，從而計算整個智能電纜運行裝置的總功耗，根據(jù)單一電池供電的方式，其使用在一定時長后得到具體的運行參數(shù)，在循環(huán)使用容量衰減的電磁結(jié)構(gòu)的過程中，反復利用充、放電路造成的具體能量值的工藝消耗，使充、放電過程及過電流導致的內(nèi)部電源電池發(fā)生強烈的化學反應(yīng)，影響電池的實際性能和使用壽命。因此，該文采用如圖3 所示的保護電路，在整個智能電纜運行過程中防止電池的嚴重損耗。在電路系統(tǒng)中外接mos 管道集成芯片作為具體電路的開關(guān)（FET和FTE），當放電電流參數(shù)值過大時，利用自放電控制器斷開的方式禁止電流向負極放電，執(zhí)行其中的放電電流保護功能，電池的充電過程則利用充電裝置檢測到相應(yīng)電壓，從而禁止其充、放電的電流流向電池。

圖3 保護電路示意圖

3 典型電纜外力擾動的試驗分析

智能電纜受到外力擾動的典型試驗分析主要包括電纜外力擾動模式試驗分析、電纜振動信號的時域特征分析以及電纜振動信號的時域和頻域聯(lián)合分析3 個部分。以電纜振動信號的時域特征分析為例，智能電纜的轉(zhuǎn)動信號時域分析主要包括周期性振動信號分析和非周期性振動信號分析，周期性振動信號分析是指在無外界環(huán)境侵擾的條件下，智能電纜自身的振動振幅受交流場所的電磁力參數(shù)值的影響，當負載不平衡時，如果存在外界電磁流狀態(tài)，就會存在振動信號影響，可使用傳感器設(shè)備并安裝在某智能電纜溝中，以采集其具體的周期性振動信號，探究運行過程中電纜振動測試信號的時域波形（如圖4 所示）。由圖4 可知，該智能電纜的頻率波形圖正常，表明該電纜處于正常運行狀態(tài)，并未受到外界環(huán)境的不良干擾，整個震動基準波為50 Hz。

圖4 周期性振動信號時域波形圖

以非周期性的振動信號為例，非周期性的振動信號是指在模擬智能電纜實際運行狀態(tài)下受到外在施工環(huán)境影響擾動下信號參數(shù)的變化情況，在實驗室使用切割機、電鉆等機械設(shè)備模擬相應(yīng)的外界施工壓力試驗時，可將傳感器固定于兩端電纜的本體結(jié)構(gòu)上，利用電鉆在電纜本體結(jié)構(gòu)上的刺激，使傳感器得到非周期性振動信號波形（如圖5 所示）。

圖5 非周期性振動信號時域波形圖

4 實際案例應(yīng)用分析——以電纜通道太陽能防外破預警裝置為例

目前，主要采用人工巡視和風險點管控等手段開展配電網(wǎng)電纜及通道運行維護及防外破管控工作，運維效率較低，難以實時掌握電纜通道的運行情況，缺乏有效的風險預警機制，難以對時間隨機、空間分散的外力破壞事件進行管控。且外破風險點信息來源渠道多，隨著施工進度的變化而變化，信息全面性收集難度大，會占用較多的人力資源。因此，需要研制電纜通道太陽能防外破裝置、裝置低功耗運行技術(shù)以及防外破預警裝置監(jiān)控系統(tǒng)對電纜通道智能防外破進行監(jiān)測。其中，研制電纜通道太陽能防外破裝置主要采用AI自學習震動報警識別算法，自適應(yīng)學習安裝環(huán)境，識別環(huán)境固有震動情況和異常施工震動情況，實時監(jiān)測電纜管線通道上方施工情況，發(fā)現(xiàn)異常事件及時報警；裝置低功耗運行技術(shù)主要采用太陽能和電池雙模供電方式，保證裝置可靠運行5 年以上；研究裝置NB-LoT 低功耗通信模式，在保證裝置正常運行的前提下，盡可能降低運行功耗；構(gòu)建基于防外破預警裝置的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)裝置運行工況監(jiān)視、異常情況報警等功能，將防外破預警裝置作為現(xiàn)場設(shè)備與信息化系統(tǒng)交互的載體，輔助開展電纜及通道運維工作。

綜上所述，電纜通道太陽能防外破預警裝置能對電纜通道上方的運行環(huán)境進行實時監(jiān)測，采用AI 自學習震動報警識別算法，在自適應(yīng)學習環(huán)境的條件下，自動識別現(xiàn)場出現(xiàn)震動的異常情況，并根據(jù)現(xiàn)場的實際情況向后臺發(fā)出告警信號，輔助開展電纜及通道運維工作，提高巡檢效率，保障電力通道安全、穩(wěn)定地運行，有效提升電纜及通道精益化管理水平，方案示意圖如圖6 所示。該裝置通過在電纜通道上方安裝太陽能防外破裝置來監(jiān)控電纜通道方向上的震動幅頻，并通過AI 自學習算法達到自適應(yīng)學習安裝環(huán)境的目的。當裝置監(jiān)控到振動幅頻超過正常運行范圍時，通過NB-LoT 低功耗通信模塊給后臺系統(tǒng)發(fā)送報警信息，提醒后臺運維人員；同時，在現(xiàn)場發(fā)出聲光報警信號，警示現(xiàn)場施工人員。該裝置將電纜線路、附屬設(shè)施以及通道建成電力物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)電纜運行狀態(tài)與運行環(huán)境狀態(tài)的全面感知，初步實現(xiàn)電纜線路缺陷的自動研判，當安裝場景出現(xiàn)小頻、高幅振動時，觸發(fā)中斷，喚醒監(jiān)測終端，給后臺發(fā)送報警信息，且監(jiān)測終端進行燈光警示。該產(chǎn)品采用太陽能面板持續(xù)為電池供電，能夠保證產(chǎn)品擁有較長的使用時間。

圖6 電纜通道太陽能防外破裝置

通過研制電纜通道太陽能防外破裝置，可以對電纜通道上方的運行環(huán)境進行實時監(jiān)測，提供有關(guān)線路的異常告警，并將數(shù)據(jù)傳輸給后臺運維人員。結(jié)合NB-IoT、移動通信等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建基于太陽能防外破警示裝置的電纜及管道防外破管理系統(tǒng)。將電纜通道太陽能防外破裝置作為電纜及通道設(shè)備與信息化系統(tǒng)交互的載體，輔助開展電纜及通道運維工作，提高巡檢效率，保障電力通道可以安全、穩(wěn)定地運行，從而有效提升電纜及通道精益化管理水平。經(jīng)過現(xiàn)場測試可知，所設(shè)計的智能“防外損”電纜標識牌能夠?qū)^(qū)域內(nèi)電纜運行狀態(tài)與運行環(huán)境狀態(tài)進行全面感知，呈現(xiàn)后臺所有信息數(shù)據(jù)，還能夠通過后臺對設(shè)備端進行管理及控制，使設(shè)備至少能運行5 a（其結(jié)構(gòu)和功能也滿足市場的相關(guān)標準）。

5 結(jié)論

綜上所述，工程施工和智能電纜系統(tǒng)市政改造等引起的智能電纜外界環(huán)境問題頻繁出現(xiàn)，長期威脅電纜運行系統(tǒng)的安全性和可靠性。由于智能電纜實際運行分布較廣，運行所處的外界環(huán)境較為復雜，因此，科學有效的監(jiān)測和預警方式是確保智能電纜無破損的重要途徑。該文設(shè)計了一種基于自學習震動報警識別算法的電纜通道太陽能防外破預警裝置，該裝置能夠?qū)﹄娎|通道上方的運行環(huán)境進行實時監(jiān)測，提高巡檢效率，也能夠保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行，從而有效地提高智能電纜的精益化管控水平。