基于物聯(lián)網(wǎng)的電力電纜智能防盜報警系統(tǒng)

石循杰 江博彥 李崇基 戚明 鄺國安 蘇井輝

摘? ?要：電力電纜在城市電網(wǎng)中應(yīng)用越來越廣泛，然而其被盜竊的事件卻屢見不鮮。如何有效監(jiān)測電力電纜，做好防盜、防外力破壞具有重要的意義。本文介紹了兩種基于低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)的電力電纜智能防盜系統(tǒng)技術(shù)方案，包括監(jiān)測電纜帶電狀態(tài)以及監(jiān)測電箱門或電房門。對比分析表明，方案一監(jiān)測電纜帶電狀態(tài)為最佳，監(jiān)測終端不直接與電力電纜本體連接，不破壞電纜本體，具有電磁隔離、安全穩(wěn)定的性能;現(xiàn)場只需安裝一個監(jiān)測終端，即可保護(hù)整條電纜，成本低、易于實(shí)現(xiàn)。最后，通過實(shí)際運(yùn)用證明，方案一能夠?qū)崿F(xiàn)正確觸發(fā)告警，避免電力電纜被盜損失。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)? 電力電纜? 感應(yīng)電壓? 防盜報警

中圖分類號：TM76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0127-04

1? 前言

隨著智慧城市和智能電網(wǎng)建設(shè)步伐的不斷推進(jìn)，電力電纜因其具有較高的供電可靠性，節(jié)省地面空間、不影響城市美觀等優(yōu)點(diǎn)，在城市電網(wǎng)中應(yīng)用越來越廣泛，日益成為城市能源輸送的地下大動脈。

然而，電力電纜，特別是10kV電力電纜，被盜竊的事件卻屢有發(fā)生，給電網(wǎng)企業(yè)造成了不少的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，國內(nèi)外市場上的電力電纜防盜產(chǎn)品、裝置系統(tǒng)，存在著許多不足，不能長期有效地起到防盜作用。在電纜溝道或井蓋裝設(shè)紅外線探頭：老鼠等其他物體遮擋光線時容易誤報，敷設(shè)及后期維護(hù)成本高，裝置電源供應(yīng)不方便、不持久;實(shí)時監(jiān)測線芯的電流電壓：適用于220V/380V低壓線路，且電纜在空載運(yùn)行狀態(tài)下無法防盜報警;電纜沿線加裝光纜進(jìn)行光譜分析：當(dāng)盜賊剝割電力電纜而不破壞光纜時不報警，沿途敷設(shè)光纜，工程量大，費(fèi)用高[1-3]。

文獻(xiàn)[2]提出一種專門針對鎧裝電力電纜的智能防盜系統(tǒng)，主要通過檢測電纜鎧裝層或屏蔽層被剝斷的方式來觸發(fā)報警，監(jiān)測終端需串接到電力電纜鎧裝層與接地點(diǎn)之間。存在以下幾個問題：（1）在電纜鎧裝層或屏蔽層被剝斷后才觸發(fā)報警，存在很大的延遲，且此時電纜已經(jīng)被破壞掉，無法避免因此帶來的較大損失;（2）安裝監(jiān)測終端需破壞電纜的外護(hù)套，容易導(dǎo)致鋼鎧層生銹腐蝕，繼而給電纜長期運(yùn)行帶來安全隱患;（3）監(jiān)測裝置通常安裝在地下電纜溝內(nèi)，采用GSM或GPRS等傳統(tǒng)的無線通訊方式，信號微弱、通訊質(zhì)量不佳時容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，從而無法防盜報警。

如何長期有效地防止電力電纜被盜竊、防外力破壞成為目前迫切需要解決的問題。本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)及其在電網(wǎng)中的應(yīng)用，分析了四種基于物聯(lián)網(wǎng)的電力電纜防盜技術(shù)方案的可行性，最終得出方案三監(jiān)測電纜帶電狀態(tài)為最佳。監(jiān)測終端不直接與電力電纜本體連接，不破壞電纜本體，具有電磁隔離、安全穩(wěn)定的性能;現(xiàn)場只需安裝一個監(jiān)測終端，即可保護(hù)整條電纜，成本低、易于實(shí)現(xiàn)，具有超高的性價比。

2? 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1 低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)簡介

“物聯(lián)網(wǎng)”（Internet of Things），是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)，通過信息傳感器，按照事先約定的協(xié)議將萬物連接起來，實(shí)現(xiàn)定位、跟蹤、識別和監(jiān)控等功能。物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展對無線通信技術(shù)提出了更高的要求，專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的LPWAN（Low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）也快速興起。NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）與LoRa（Long Range）是其中的典型代表，也是最有發(fā)展前景的兩個低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。

NB-IoT模塊使用公網(wǎng)基站，一個設(shè)備配一張SIM卡，運(yùn)營商覆蓋范圍即可。LoRa模塊對應(yīng)LoRa基站，基站需自行組建，覆蓋半徑2km。

基于蜂窩的NB-IoT只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM、UMTS或LTE，大大降低部署成本。從技術(shù)層面上來講，NB-IoT有4大技術(shù)優(yōu)勢。首先是覆蓋廣，NB-IoT基于運(yùn)營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的GSM增益20dB，覆蓋面積擴(kuò)大10倍，期望能覆蓋到地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達(dá)的地方;其次是海量連接，200kHz的帶寬可以提供10萬個連接;第三是低功耗，電源無需充電;第四是低成本，模組成本小于5美元。NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性的創(chuàng)新技術(shù)，非常適合于環(huán)境監(jiān)測、智慧水務(wù)、智慧穿戴、智慧抄表、智慧停車、智慧物流、智慧家庭及智慧社區(qū)等低速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域[3]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)信息傳輸平臺，并且不斷提高電網(wǎng)運(yùn)行的智能化。實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，是確保電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵。智能電網(wǎng)將物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用在發(fā)電、輸電、變電、配電和用電環(huán)節(jié)，使用健壯的雙向通信、高級傳感器和分布式計算機(jī)來改善電力交換和使用的效率，提高可靠性;可以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測、負(fù)荷管理、線損分析和需求側(cè)管理等功能，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的高效一體化管理。

物聯(lián)網(wǎng)在電網(wǎng)中應(yīng)用的范圍，還包括電網(wǎng)資產(chǎn)精益管理、輸變電設(shè)備故障診斷、高電壓線路監(jiān)測、配電網(wǎng)故障定位、電網(wǎng)應(yīng)急指揮、輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、智能電網(wǎng)系統(tǒng)等[4]。

監(jiān)測終端、監(jiān)控后臺、移動終端，三者之間可以兩兩連接，互相通訊、傳輸數(shù)據(jù)。監(jiān)測終端通過物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)與監(jiān)控后臺連接，該物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以是NB-IoT或LoRa通訊技術(shù);監(jiān)測終端通過短距離無線技術(shù)與移動終端進(jìn)行連接，該短距離無線技術(shù)可以是藍(lán)牙、WiFi、ZigBee中的任何一種;移動終端通過移動公網(wǎng)與監(jiān)控后臺進(jìn)行連接。監(jiān)控后臺接收監(jiān)控終端上傳的數(shù)據(jù)，顯示監(jiān)測終端的狀態(tài)，如通訊質(zhì)量、電池電量等;還可以顯示報警的情況，并同時發(fā)送至移動終端，其通知方式可以是短信、電話、震動或響鈴中的一種或多種方式。

移動終端可以是手機(jī)、平板電腦等，內(nèi)置APP應(yīng)用軟件，可以顯示電力設(shè)備以及監(jiān)測終端的狀態(tài)，如設(shè)備的健康狀態(tài)、監(jiān)測終端的電池電量、報警情況等。運(yùn)維人員可以通過移動終端連接監(jiān)測終端，進(jìn)行設(shè)防、撤防;還可現(xiàn)場進(jìn)行簽到，通過這種方式，來提高設(shè)備巡檢質(zhì)量及效率。

3? 兩電力電纜防盜報警方案

3.1 監(jiān)測電纜帶電狀態(tài)

3.1.1 監(jiān)測原理

高壓輸電線路由于電壓過高，無法采用常規(guī)的電壓互感器進(jìn)行電壓采集。依據(jù)電磁場理論，10kV三芯電力電纜終端頭處電場分布不均勻，具有徑向和軸向分量電場。徑向電場強(qiáng)度的大小與線路的電壓成正比，與離線路的距離成反比，與絕緣厚度成反比。在電纜終端頭合適的位置設(shè)置一對電容極板，則電容兩端會有感應(yīng)電壓產(chǎn)生。

感應(yīng)電壓大小為：

UAB=E×d? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，E為電容安裝處的電場強(qiáng)度，d為電容極板之間的距離。可以通過調(diào)整平板電容距離導(dǎo)線外徑的位置，以獲取適當(dāng)?shù)母袘?yīng)電壓。如保持在0～5V之間。

監(jiān)測終端安裝在電纜終端頭的任意一相導(dǎo)線的絕緣外護(hù)層上，正常狀態(tài)下電纜帶電，監(jiān)測終端不動作。如圖1所示，為電壓監(jiān)測終端安裝示意圖。

當(dāng)與電源側(cè)電纜終端頭連接的開關(guān)由合閘位置被斷開時，監(jiān)測終端將會檢測到電纜失壓，即電壓為零或低于設(shè)定的下限值時，報警輸出，上傳異常數(shù)據(jù)，觸發(fā)監(jiān)控后臺及移動終端告警。

3.1.2 感應(yīng)電壓檢測電路的設(shè)計

如圖2所示，為感應(yīng)電壓檢測的電路原理示意圖，類似于感應(yīng)式驗(yàn)電器檢測原理[5]。感應(yīng)端采用金屬檢拾片材質(zhì)，能感應(yīng)到極微弱的50Hz交流電信號。正常帶電情況下，由于電容C的作用，使得三極管VT1的基極與三極管VT2的射極及電源的負(fù)極導(dǎo)通，相當(dāng)于短路狀態(tài)。此時，VT1和VT2均處于截止?fàn)顟B(tài)，觸發(fā)模塊不動作，整個電路消耗極微弱的電能。

當(dāng)交流電信號消失或低于設(shè)定的下限值時，電容C相當(dāng)于開路，VT1和VT2均導(dǎo)通，觸發(fā)模塊報警輸出。感應(yīng)電壓監(jiān)測模塊內(nèi)置過電壓保護(hù)、內(nèi)設(shè)電子自動開關(guān)，抗干擾性強(qiáng)。在未投入監(jiān)測終端時，可以通過監(jiān)控后臺或移動終端控制內(nèi)部開光S斷開，進(jìn)行撤防，以節(jié)省電量。

3.2 監(jiān)測電箱門或電房門

通常，電箱或電房內(nèi)具有多回電纜進(jìn)出線，通過監(jiān)測電箱門或電房門的狀態(tài)，確認(rèn)門是否被打開，以此來控制報警輸出，具有更高的性價比。如圖5所示，為監(jiān)測電纜分支箱門和電房門示意圖。

監(jiān)測終端，內(nèi)置的傳感器可以是位移傳感器、震動傳感器、加速度傳感器、角度傳感器中的任何一種，也可以通過超聲波測距或紅外測距的方式來檢測門是否被打開。圖3中，監(jiān)測終端內(nèi)置位移傳感器，其中一端固定在電纜分支箱的側(cè)壁上或電房的墻上，另一端固定在門上。當(dāng)檢測到門被打開時，報警輸出，監(jiān)測終端聲光報警，并上傳異常數(shù)據(jù)至監(jiān)控后臺和移動終端。

此方案適用于電源側(cè)電纜終端頭位于開關(guān)柜內(nèi)的情況，對于電源側(cè)電纜終端頭安裝在戶外桿塔上的電纜，方案一監(jiān)測電纜帶電狀態(tài)具有更大的優(yōu)勢。

4? 電力電纜防盜報警系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)方案一，監(jiān)測電纜帶電狀態(tài)，2019年3月初，我們分別在10kV某F1恒迪關(guān)電纜、10kV某F1與某F18聯(lián)絡(luò)電纜上安裝應(yīng)用了監(jiān)測終端。監(jiān)測終端產(chǎn)品實(shí)物及安裝應(yīng)用如圖4所示。

除了手機(jī)接收告警短信外，我們還開發(fā)了微信小程序“城市電力監(jiān)測系統(tǒng)”及對應(yīng)的微信公眾號“智慧電力物聯(lián)”，及時將告警信息傳遞給運(yùn)維人員，如圖5所示。

5? 結(jié)語

針對基于物聯(lián)網(wǎng)的電力電纜防盜報警系統(tǒng)，本文分別分析了兩種不同的實(shí)施方案，其中，方案一最為理想。具有以下幾大優(yōu)點(diǎn)：

（1）監(jiān)測終端不直接與電力電纜本體連接，不破壞電纜本體，具有電磁隔離、安全穩(wěn)定的性能。

（2）能夠監(jiān)測電纜停電等異常運(yùn)行的情況，報警輸出，及時通知運(yùn)維人員。

（3）現(xiàn)場只需安裝一個監(jiān)測終端，即可保護(hù)整條電纜，成本低、易于實(shí)現(xiàn)，具有超高的性價比。

通過實(shí)際運(yùn)用證明，方案一能夠?qū)崿F(xiàn)正確觸發(fā)告警，避免電力電纜被盜損失。

參考文獻(xiàn)

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[4] 徐鵬，魏國華.基于云智能井蓋系統(tǒng)的高壓電纜防外力破壞系統(tǒng)研究[J].電力大數(shù)據(jù)，2017，20（9）：33-36.

[5] 薛文英.一種感應(yīng)式交流驗(yàn)電筆電路[P].中國專利：CN104062535A，2014-06-13.