基于物聯網的電力電纜智能防盜報警系統

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中應用越來越廣泛，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網的電力電纜智能防盜系統技術方案，包括監測電纜帶電狀態以及監測電箱門或電房門。對比分析表明，方案一監測電纜帶電狀態為最佳，監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、安全穩定的性能;現場只需安裝一個監測終端，即可保護整條電纜，成本低、易于實現。最后，通過實際運用證明，方案一能夠實現正確觸發告警，避免電力電纜被盜損失。

關鍵詞：物聯網? 電力電纜? 感應電壓? 防盜報警

中圖分類號：TM76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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建設步伐的不斷推進，電力電纜因其具有較高的供電可靠性，節省地面空間、不影響城市美觀等優點，在城市電網中應用越來越廣泛，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生，給電網企業造成了不少的經濟損失。

目前，國內外市場上的電力電纜防盜產品、裝置系統，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紅外線探頭：老鼠等其他物體遮擋光線時容易誤報，敷設及后期維護成本高，裝置電源供應不方便、不持久;實時監測線芯的電流電壓：適用于220V/380V低壓線路，且電纜在空載運行狀態下無法防盜報警;電纜沿線加裝光纜進行光譜分析：當盜賊剝割電力電纜而不破壞光纜時不報警，沿途敷設光纜，工程量大，費用高[1-3]。

文獻[2]提出一種專門針對鎧裝電力電纜的智能防盜系統，主要通過檢測電纜鎧裝層或屏蔽層被剝斷的方式來觸發報警，監測終端需串接到電力電纜鎧裝層與接地點之間。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報警，存在很大的延遲，且此時電纜已經被破壞掉，無法避免因此帶來的較大損失;（2）安裝監測終端需破壞電纜的外護套，容易導致鋼鎧層生銹腐蝕，繼而給電纜長期運行帶來安全隱患;（3）監測裝置通常安裝在地下電纜溝內，采用GSM或GPRS等傳統的無線通訊方式，信號微弱、通訊質量不佳時容易導致數據丟失，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。本文介紹了物聯網技術的特點及其在電網中的應用，分析了四種基于物聯網的電力電纜防盜技術方案的可行性，最終得出方案三監測電纜帶電狀態為最佳。監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、安全穩定的性能;現場只需安裝一個監測終端，即可保護整條電纜，成本低、易于實現，具有超高的性價比。

2? 物聯網技術在電網中的應用

2.1 低功耗廣域物聯網簡介

“物聯網”（Internet of Things），是在互聯網基礎上延伸和擴展的一種網絡，通過信息傳感器，按照事先約定的協議將萬物連接起來，實現定位、跟蹤、識別和監控等功能。物聯網的快速發展對無線通信技術提出了更高的要求，專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯網應用而設計的LPWAN（Low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網）也快速興起。NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網）與LoRa（Long Range）是其中的典型代表，也是最有發展前景的兩個低功耗廣域網通信技術。

NB-IoT模塊使用公網基站，一個設備配一張SIM卡，運營商覆蓋范圍即可。LoRa模塊對應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。從技術層面上來講，NB-IoT有4大技術優勢。首先是覆蓋廣，NB-IoT基于運營商的蜂窩網絡，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的GSM增益20dB，覆蓋面積擴大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是物聯網技術領域的一項革命性的創新技術，非常適合于環境監測、智慧水務、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等低速物聯網應用領域[3]。

2.2 物聯網在電網中的應用

電網規模不斷擴大，在此基礎上構建了網絡信息傳輸平臺，并且不斷提高電網運行的智能化。實時監測電網設備的運行狀態，是確保電網運行的穩定性和安全性的關鍵。智能電網將物聯網運用在發電、輸電、變電、配電和用電環節，使用健壯的雙向通信、高級傳感器和分布式計算機來改善電力交換和使用的效率，提高可靠性;可以實現對運行狀態的實時監測、負荷管理、線損分析和需求側管理等功能，實現智能電網的高效一體化管理。

物聯網在電網中應用的范圍，還包括電網資產精益管理、輸變電設備故障診斷、高電壓線路監測、配電網故障定位、電網應急指揮、輸變電設備狀態監測、智能電網系統等[4]。

監測終端、監控后臺、移動終端，三者之間可以兩兩連接，互相通訊、傳輸數據。監測終端通過物聯網通訊技術與監控后臺連接，該物聯網技術可以是NB-IoT或LoRa通訊技術;監測終端通過短距離無線技術與移動終端進行連接，該短距離無線技術可以是藍牙、WiFi、ZigBee中的任何一種;移動終端通過移動公網與監控后臺進行連接。監控后臺接收監控終端上傳的數據，顯示監測終端的狀態，如通訊質量、電池電量等;還可以顯示報警的情況，并同時發送至移動終端，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、平板電腦等，內置APP應用軟件，可以顯示電力設備以及監測終端的狀態，如設備的健康狀態、監測終端的電池電量、報警情況等。運維人員可以通過移動終端連接監測終端，進行設防、撤防;還可現場進行簽到，通過這種方式，來提高設備巡檢質量及效率。

3? 兩電力電纜防盜報警方案

3.1 監測電纜帶電狀態

3.1.1 監測原理

高壓輸電線路由于電壓過高，無法采用常規的電壓互感器進行電壓采集。依據電磁場理論，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置一對電容極板，則電容兩端會有感應電壓產生。

感應電壓大小為：

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

式中，E為電容安裝處的電場強度，d為電容極板之間的距離?？梢酝ㄟ^調整平板電容距離導線外徑的位置，以獲取適當的感應電壓。如保持在0～5V之間。

監測終端安裝在電纜終端頭的任意一相導線的絕緣外護層上，正常狀態下電纜帶電，監測終端不動作。如圖1所示，為電壓監測終端安裝示意圖。

當與電源側電纜終端頭連接的開關由合閘位置被斷開時，監測終端將會檢測到電纜失壓，即電壓為零或低于設定的下限值時，報警輸出，上傳異常數據，觸發監控后臺及移動終端告警。

3.1.2 感應電壓檢測電路的設計

如圖2所示，為感應電壓檢測的電路原理示意圖，類似于感應式驗電器檢測原理[5]。感應端采用金屬檢拾片材質，能感應到極微弱的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的射極及電源的負極導通，相當于短路狀態。此時，VT1和VT2均處于截止狀態，觸發模塊不動作，整個電路消耗極微弱的電能。

當交流電信號消失或低于設定的下限值時，電容C相當于開路，VT1和VT2均導通，觸發模塊報警輸出。感應電壓監測模塊內置過電壓保護、內設電子自動開關，抗干擾性強。在未投入監測終端時，可以通過監控后臺或移動終端控制內部開光S斷開，進行撤防，以節省電量。

3.2 監測電箱門或電房門

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

監測終端，內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，監測終端內置位移傳感器，其中一端固定在電纜分支箱的側壁上或電房的墻上，另一端固定在門上。當檢測到門被打開時，報警輸出，監測終端聲光報警，并上傳異常數據至監控后臺和移動終端。

此方案適用于電源側電纜終端頭位于開關柜內的情況，對于電源側電纜終端頭安裝在戶外桿塔上的電纜，方案一監測電纜帶電狀態具有更大的優勢。

4? 電力電纜防盜報警系統的應用

根據方案一，監測電纜帶電狀態，2019年3月初，我們分別在10kV某F1恒迪關電纜、10kV某F1與某F18聯絡電纜上安裝應用了監測終端。監測終端產品實物及安裝應用如圖4所示。

除了手機接收告警短信外，我們還開發了微信小程序“城市電力監測系統”及對應的微信公眾號“智慧電力物聯”，及時將告警信息傳遞給運維人員，如圖5所示。

5? 結語

針對基于物聯網的電力電纜防盜報警系統，本文分別分析了兩種不同的實施方案，其中，方案一最為理想。具有以下幾大優點：

（1）監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、安全穩定的性能。

（2）能夠監測電纜停電等異常運行的情況，報警輸出，及時通知運維人員。

（3）現場只需安裝一個監測終端，即可保護整條電纜，成本低、易于實現，具有超高的性價比。

通過實際運用證明，方案一能夠實現正確觸發告警，避免電力電纜被盜損失。

參考文獻

[1] 懂小兵，蔡軍.10～35kVXLPE電纜在線監測技術[J].電力自動化設備，2005，25（9）：20-24.

[2] 梁永福.電力電纜智能防盜及故障實時定位系統研究與應用[D].華北電力大學，2017.

[3] 劉瑋，懂江波.NB-IoT關鍵技術與規劃仿真方法[J].電信科學，2016，32（S1）： 144-148.

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

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