高壓電纜載波防盜裝置系統(tǒng)

徐子峻，孫志鴻，游小華，徐宏斌，謝 維，陳朝暉

（國網(wǎng)福建省電力有限公司廈門供電公司，福建 廈門 361000）

電力電纜作為電網(wǎng)供電設(shè)施，具備安全、穩(wěn)定、美觀等優(yōu)點(diǎn)，越來越多被應(yīng)用于日常電網(wǎng)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)維工作中。隨著電力電纜大規(guī)模投運(yùn)，對電纜安全運(yùn)行、事故預(yù)防工作的要求也越來越高。電力電纜的防盜主要是電纜附屬的接地線和引流線的防盜。高壓電纜載波防盜裝置是一種專門針對電力電纜接地線和引流線的全新智能防盜系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用載波監(jiān)測、高頻信號探測、無線組網(wǎng)等技術(shù)，集開放性、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、數(shù)字化的全新理念。

1 電纜載波防盜監(jiān)測現(xiàn)狀與最優(yōu)方案確定

電力電纜近年發(fā)展迅速，總量不斷上升，總體價值高，被盜現(xiàn)象時有發(fā)生。電力電纜有著分布廣泛的特點(diǎn)，所以防盜工作也有很多實(shí)際困難，是電力部門重要的工作之一。電力電纜本體被盜是一個損失，其帶來的間接損失也不可估量，電纜附屬的接地線和引流線，均為銅質(zhì)材料，日常電流很小或沒有電流，易成為盜竊目標(biāo)。接地線和引流線被盜造成的回流故障會進(jìn)一步引發(fā)電纜主體故障，造成更大損失。所以對于電力電纜相關(guān)設(shè)備設(shè)施的日常防盜監(jiān)測、告警裝置和方法的研究具有重要意義。

目前城市建設(shè)纜化率高，電纜隧道、電纜溝及電纜接頭工井分布廣泛，大量的接地線和引流線分布在這些設(shè)施現(xiàn)場，日常的維護(hù)和檢查工作量繁重，這些設(shè)施的損壞和丟失對于電纜本體、電纜接頭及附屬設(shè)備的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅，電纜工井及隧道內(nèi)的設(shè)施檢查主要依靠人工巡視，不能及時發(fā)現(xiàn)破損和被盜情況。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和邊緣計算技術(shù)正是針對這種應(yīng)用場景最佳的技術(shù)解決方案，采用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時感知技術(shù)和邊緣計算快速處理技術(shù)，有針對性對電纜接地線和引流線進(jìn)行有效監(jiān)測管理，同時建立一套結(jié)合實(shí)時數(shù)據(jù)采集預(yù)警系統(tǒng)，基于電纜隧道地理空間位置信息管理和導(dǎo)航定位功能，為電纜隧道安全運(yùn)維管理工作的提升提供現(xiàn)代化信息手段，不斷提升電纜隧道管理工作水平。

高壓電纜載波防盜裝置是一種專門針對電力電纜接地線和引流線的全新智能防盜系統(tǒng)。該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算為基礎(chǔ)方案，采用最新載波監(jiān)測、高頻信號探測，無線組網(wǎng)等技術(shù)，集開放性、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、數(shù)字化的全新理念。電纜隧道或電纜溝加裝高壓電纜載波防盜裝置，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對隧道和電纜溝、電纜工井內(nèi)電纜接地線和引流線的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，還能夠在發(fā)生故障時第一時間通知相關(guān)責(zé)任人，及時處置，這是當(dāng)前有效解決電纜接地線和引流線被盜及損壞問題的可行方法。

2 電纜載波防盜監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計原則

電纜載波防盜監(jiān)測系統(tǒng)方案的設(shè)計原則如下：

安全用電設(shè)計。系統(tǒng)所涉及到的電氣設(shè)備均采用安全電壓運(yùn)行，且不引入影響電纜運(yùn)行的額外危險電源。

工業(yè)防護(hù)設(shè)計。系統(tǒng)內(nèi)的電氣設(shè)備、輔助裝置均按照工業(yè)運(yùn)行準(zhǔn)則進(jìn)行密封防水設(shè)計，可滿足高壓電纜通道內(nèi)的惡劣運(yùn)行環(huán)境。

通信高可靠設(shè)計。系統(tǒng)所屬硬件通信裝置運(yùn)行在高壓電纜隧道內(nèi)，均采用可靠的有線連接方式和5G 短距離穩(wěn)定通信，再結(jié)合運(yùn)營商級別的蜂窩通信方式完成監(jiān)測信號實(shí)時通信，保障了可靠的實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警信息采集。

超長壽命設(shè)計。系統(tǒng)整體設(shè)計考慮到部署安裝方式方法，傳感器和運(yùn)算模塊均依照超低功耗目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計生產(chǎn)，系統(tǒng)所涉及的設(shè)備設(shè)計工作壽命達(dá)5 年以上。

混合組網(wǎng)。采用4G、5G、自組網(wǎng)多種通信技術(shù)，在不同環(huán)境下采用靈活配置，適應(yīng)不同的工作場所。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

高壓電纜載波防盜裝置由載波發(fā)生檢測、邊緣計算以及管理系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。其中載波發(fā)生檢測實(shí)現(xiàn)對盜竊損壞事件的檢測，邊緣計算實(shí)現(xiàn)信號分析和預(yù)警分析，管理系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)實(shí)時化、可視化的動態(tài)監(jiān)測。

本系統(tǒng)中載波發(fā)生器、載波檢測器、微基站集中器構(gòu)成一個分組，與系統(tǒng)后臺之間實(shí)現(xiàn)雙向無線數(shù)據(jù)傳輸。載波發(fā)生器、載波檢測器使用電力線載波通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)對電纜實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測，電力線載波（power line carrier，PLC）通信是利用高壓電力線在電力載波領(lǐng)域，作為信息傳輸媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。電力線載波通信復(fù)用了現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸，不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，具有投資小、靈活性強(qiáng)、覆蓋范圍廣闊等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)被廣泛使用。使用電力線通信方式發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送器會先將數(shù)據(jù)調(diào)制到一個高頻載波上，再經(jīng)過功率放大后通過耦合電路耦合到電力線上。圖1 展示了載波裝置通信發(fā)生的基本特征模型。

圖1 通信發(fā)生模型

載波發(fā)生器、載波檢測器綜合考慮防水、防污、低成本、低耗電、高可靠等因素，選擇電力線載波通信技術(shù)，避免了傳統(tǒng)線纜纏繞檢測技術(shù)帶來的施工難、日常誤報等問題。載波發(fā)生器、載波檢測器全部按工業(yè)準(zhǔn)則進(jìn)行密封防水設(shè)計，設(shè)備絕緣性能優(yōu)良，不受外部環(huán)境影響，方便部署，可選擇在一個監(jiān)測點(diǎn)，將載波發(fā)生器、載波檢測器同時安裝在一條被檢測主體上，共同組成一個完整的載波傳感器矩陣，提高監(jiān)測的可靠性和穩(wěn)定性。

微基站采集器負(fù)責(zé)定時采集載波檢測控制器的數(shù)據(jù)，通過本地與內(nèi)部邏輯運(yùn)算并轉(zhuǎn)換為該監(jiān)測點(diǎn)狀態(tài)值，從而達(dá)到監(jiān)測電纜狀態(tài)變化的目的，在異常發(fā)生時，第一時間發(fā)送預(yù)警信息，避免引發(fā)二次危險。

數(shù)據(jù)傳輸與無線組網(wǎng)采用了LoRa 自組網(wǎng)技術(shù)和4G 混合組網(wǎng)技術(shù)，LoRa 通信使用非授權(quán)頻段，目前作為大范圍使用的自組網(wǎng)技術(shù)，具有建設(shè)和維護(hù)雙重低成本優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)場設(shè)備與后臺系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信采用4G/NB-IoT 通信技術(shù)，技術(shù)成熟，通信覆蓋有保證，根據(jù)實(shí)際環(huán)境和對于傳輸控制的不同要求來靈活選擇。

2.3 技術(shù)原理

針對現(xiàn)有線纜纏繞方式使用的物理裝置結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，設(shè)備安裝部署工序復(fù)雜，電纜隧道內(nèi)能源獲取不易以及通信環(huán)境差等問題，本系統(tǒng)采用最新的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)，采用高防護(hù)等級、全密封非機(jī)械式傳感方法，結(jié)合低功耗設(shè)計和多種可靠通信方式混合組網(wǎng)技術(shù)，從載波、傳感、通信、能源、安裝部署多個方面進(jìn)行綜合改良，解決高壓電纜載波防盜監(jiān)測難題，并通過了現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的檢驗(yàn)。

本系統(tǒng)高壓電纜載波防盜裝置采用載波檢測原理，在電纜接地線和引流線上疊加高頻無線電波并進(jìn)行實(shí)時檢測，監(jiān)測電磁波變化。通過擬合差分邊緣計算技術(shù)，有效排除因?yàn)榻橘|(zhì)不同（不同型號、材質(zhì)的載波相位）導(dǎo)致誤報。安裝簡便，混合供電，壽命可達(dá)5 年以上。適用于多種環(huán)境，可設(shè)置自適應(yīng)功能，產(chǎn)品防護(hù)等級高于IP67，可在高溫高濕環(huán)境下正常工作。

2.4 主要功能

該系統(tǒng)的整體功能如圖2 所示。主要包括基礎(chǔ)管理、監(jiān)測及邊緣計算、業(yè)務(wù)管理等內(nèi)容，主要功能介紹如下。

圖2 系統(tǒng)功能

傳感設(shè)備管理。用于對井下的傳感設(shè)備進(jìn)行管理，可對傳感的設(shè)備名稱、地理位置等信息進(jìn)行編輯。

監(jiān)測點(diǎn)管理。用于對監(jiān)測點(diǎn)分布的統(tǒng)一管理，可對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行傳感設(shè)備的標(biāo)識及地理位置的管理。

實(shí)時信息管理。用于對實(shí)時上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行管理?？蛇M(jìn)行查詢、查看等操作。

預(yù)警管理。記錄損壞被盜事件的預(yù)警記錄上傳，同時系統(tǒng)也會下發(fā)信息告知相關(guān)管理人員。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表。系統(tǒng)支持按照告警時間、地理位置、設(shè)備名稱等條件的綜合報表查詢，以圖形化形式進(jìn)行展現(xiàn)。

微信小程序。在小程序中用戶可查看GIS 地圖，接收定位與告警信息，享受導(dǎo)航定位服務(wù)等，系統(tǒng)管理人員可實(shí)時了解電纜缺損變化情況，便于及時處理異常問題，有效避免安全隱患，保證正常運(yùn)行。

2.5 軟件支持

邊緣計算微基站采集器通過無線通信方式實(shí)時監(jiān)測載波發(fā)生器發(fā)送的載波信號變化狀態(tài)，通過本地與內(nèi)部邏輯運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換為該監(jiān)測點(diǎn)外破判斷狀態(tài)值，并將結(jié)果實(shí)時反饋主站。

載波監(jiān)測功能。系統(tǒng)可對電纜狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，如超過某個指標(biāo)，便會發(fā)出警報或以高亮形式進(jìn)行提醒。

日常采集功能。在日常運(yùn)行中，通過周期采集與載波信息情況分析，將相關(guān)監(jiān)測點(diǎn)狀態(tài)信息進(jìn)行采集和展示，并實(shí)時與客戶端聯(lián)動。用戶可對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，如電子地圖、表格界面等。在表格界面中包括數(shù)據(jù)類、報警類、故障類等多種形式，可將每日信息情況進(jìn)行排列，點(diǎn)擊列表信息，可彈出對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)窗口，并對其詳細(xì)查詢和設(shè)置，可更直觀形象地看到報警與故障情況，還可通過圖表形式將監(jiān)測點(diǎn)信息展現(xiàn)出來。

2.6 硬件支持

載波通信設(shè)備，采用ZC7530A 為核心芯片，由RS485 接口電路，基于PLC 標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)置功能模型如圖3 所示，包括載波接收模塊、載波發(fā)射模塊、耦合變壓器和控制芯片。載波接收模塊的輸入端通過耦合變壓器與電力線連接，其輸出端與控制芯片連接。載波發(fā)射模塊的輸入端與控制芯片連接。其輸出端通過耦合變壓器與電力線連接?？刂菩酒贕3-PLC 標(biāo)準(zhǔn)通過載波接收模塊和載波發(fā)射模塊與電力線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，及具備抗電力線噪聲能力。

長江流域水功能區(qū)管理的思路為：以嚴(yán)守納污紅線為目標(biāo)，完善流域水功能區(qū)考核體系；加強(qiáng)水功能區(qū)監(jiān)測監(jiān)督，推進(jìn)不達(dá)標(biāo)水功能區(qū)的通報力度和達(dá)標(biāo)建設(shè)；深化水功能區(qū)基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究，按行政區(qū)提出更明確的限排總量意見。

微基站采集器，如圖4 所示，接收由載波通信設(shè)備產(chǎn)生信號信息，通過內(nèi)置邊緣計算分析當(dāng)前電纜狀態(tài)，以LoRa/2.4G/NB-IoT/4G 通信息方式傳至后臺主站。采集器與載波設(shè)備通過無線方式連接通信，定時采集或接收來自載波設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、超低功耗的無線傳輸，具有適應(yīng)多種場景環(huán)境、使用壽命長、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

圖4 微基站采集器

2.7 程序?qū)崿F(xiàn)

載波監(jiān)測裝置發(fā)送的實(shí)時載波監(jiān)測信息，可根據(jù)電纜隧道現(xiàn)場情況實(shí)際需求，選擇通過LoRa/2.4G/NB-IoT/4G 等多種穩(wěn)定可靠的通信方式混合組網(wǎng)（電纜隧道有通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋時，采用運(yùn)營商N(yùn)B/GPRS/4G 網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電纜管廊分散或無運(yùn)營商信號時，采用自建LoRa 基站實(shí)現(xiàn)一對多組網(wǎng)方式，空曠區(qū)域覆蓋2000 m 有效范圍）傳回監(jiān)測主站軟件采集后臺。在異常發(fā)生時，第一時間發(fā)送預(yù)警信息，避免引發(fā)二次危險。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

邊緣計算微基站采集器通過無線通信方式實(shí)時監(jiān)測載波發(fā)生器發(fā)送的載波信號變化狀態(tài)，通過本地與內(nèi)部邏輯運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換為該監(jiān)測點(diǎn)外破判斷狀態(tài)值，并將結(jié)果實(shí)時反饋回主站，進(jìn)一步完成預(yù)警信息發(fā)送、告警解除推送等，結(jié)合云計算對物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時數(shù)據(jù)分析管理，提供對監(jiān)測點(diǎn)故障變化歷史回溯和發(fā)展預(yù)判，為進(jìn)一步指導(dǎo)電纜隧道防盜防外破工作改進(jìn)提升做好數(shù)據(jù)保障。

3 電纜載波防盜監(jiān)測安裝標(biāo)準(zhǔn)與措施

3.1 安裝標(biāo)準(zhǔn)與措施

載波設(shè)備能適應(yīng)多種安裝環(huán)境，安裝時須定點(diǎn)牢固，更換方便即可，載波設(shè)備具有可靠的防震保護(hù)。載波供電電源應(yīng)有獨(dú)立的分路開關(guān)和熔斷絲，避免多機(jī)共用，防止測試載波通道時引起繼電保護(hù)裝置誤動，測試通道時，發(fā)送測試頻率點(diǎn)的信號，不可連續(xù)變換頻率，在確定測試頻率點(diǎn)時，須注意避開被測線路及臨近線路上的繼電保護(hù)信號頻率。待現(xiàn)場設(shè)備完全安裝后，可與主站通信測試，系統(tǒng)只須簡單配置或提前設(shè)置好后即可收到上報數(shù)據(jù)信息。

3.2 系統(tǒng)試運(yùn)行

系統(tǒng)采用4G 技術(shù)與LoRa 組網(wǎng)相結(jié)合的方式，后者擁有終端模塊成本低，且無其他日常費(fèi)用等優(yōu)勢?，F(xiàn)場設(shè)備與后臺系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)可利用4G/NBIOT 通信，技術(shù)成熟可靠，覆蓋面積較大，可根據(jù)實(shí)際傳輸需求靈活調(diào)整。在該系統(tǒng)運(yùn)行中載波檢測器可將檢測狀態(tài)實(shí)時傳遞給微基站采集器，采集器對數(shù)據(jù)再次進(jìn)行集中處理后發(fā)送到后臺系統(tǒng)。后臺在接收到無線指令后，即可完成信息展示、告警、電纜監(jiān)測等。

系統(tǒng)自安裝上線以來，運(yùn)行良好、狀態(tài)穩(wěn)定，很好地解決了電纜防盜監(jiān)測工作。取得成效包括以下幾點(diǎn)：

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打通了物與物、物與人的連接性，利用現(xiàn)代科技手段，很好地規(guī)避了現(xiàn)場電纜被盜引起的二次災(zāi)害風(fēng)險。

實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場電纜實(shí)時監(jiān)測、電纜質(zhì)量安全及相應(yīng)告警，且能做到快速定位故障點(diǎn)，為電纜防護(hù)工作提供有效的數(shù)據(jù)支撐，大大降低一線作業(yè)人員的巡檢壓力，提升部門中心對電纜防盜工作的效果及處置能力。

當(dāng)前城市電纜地下建設(shè)范圍逐漸擴(kuò)大，由于經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使電纜被盜現(xiàn)象時常發(fā)生，給電力系統(tǒng)的安全造成嚴(yán)重影響。對此本研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計出高壓電纜載波防盜系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，可實(shí)時監(jiān)測電纜相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行情況，并在損壞和丟失故障發(fā)生時能夠及時通知運(yùn)維人員進(jìn)行處理，為電纜安全運(yùn)維管理工作的提升提供了現(xiàn)代化信息管理手段，提升管理水平。