基于電力物聯網的電纜智能感知一站式診斷平臺

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，隨著經濟的發展，城鄉用電需求急劇增加，對高壓電纜的穩定運行提出了更高的要求。電纜在運行過程中會受到環境中的電、化學、熱、機械等的影響，出現電纜絕緣老化而導致電纜運行故障。為了保證電纜的健康穩定運行，對正在運行的高壓電力電纜的健康狀況進行及時掌握就顯得尤為重要。因此，對電纜的局放、環流、發熱、振動等多種參數進行綜合檢測有著重大的意義和經濟價值。

1 國內外研究水平綜述

近年來，國內外專家對電氣設備狀態檢測已經有了相對成熟的診斷技術和故障經驗值。物聯網、大數據等計算機領域新技術的發展，也為高壓電纜檢測帶來新的解決思路和數據分析方法。文獻[1]研究了基于云平臺的變電站設備的智能診斷；文獻[2]提出了基于電力物聯網的配電設備智能感知診斷應用，提出了一種“云管邊端”的系統架構，構建了基于電力物聯網的配電設備智能診斷分析系統。現有檢索的國內外相關文獻主要研究的是智能變電站傳感器和基于電力物聯網的配電研究。在對高壓電纜線路接頭故障的檢測上大多只能檢測單一故障的判斷，對于出現多種故障現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，主要對電纜的局放、環流、發熱及振動等多種參數進行綜合分析，評估電纜的健康狀況，以有效保證電力電纜安全、可靠地正常運行。

2 電纜智能感知體檢診斷平臺系統架構

電纜智能感知一站式診斷平臺包括前端各類檢測傳感器設備、終端的高速數據采集模塊、運維人員的移動終端設備、遠程終端設備及云平臺（見圖1）。系統工作時，通過布置在電纜接頭上的各類傳感器采集信號，利用有線、無線的方式將采集到的數據傳遞給設備現場的智能終端，再通過智能終端對采集數據進行初處理（數據解析/重構），經電力物聯網傳輸給云平臺，然后應用壓縮感知原理對信號進行壓縮，傳到狀態監測終端進行信號重構，進而及時準確地進行故障預警。云平臺對各種數據進行橫向比對綜合處理，如果發現有故障信息，就會將報警信息發送到遠程監控終端和移動監控終端上。

2.1 前端傳感器技術

本系統配有7種類型的有線/無線傳感器，可用于測試7種類型的數據，并進行故障分析。

圖1 系統框圖

（1）交叉互聯、接地線安裝高頻HFCT、高頻CT進行局放及環流采集，本體負載電流檢測安裝適合電纜本體尺徑的傳感器，通過負載電流與接地環流大小判斷環流是否異常，實現對電纜護套是否多點接地的判斷。

（2）電纜接頭處使用特高頻傳感器進行檢測，以避免現場干擾的影響。檢測數據可以與高頻檢測數據進行對比，減小誤判。

（3）溫度傳感器通過對電纜接頭處溫度的監測來分析電纜可能出現的熱故障。采用五線傳輸的方式，減小線路連接，方便攜帶。

（4）振動傳感器采用內置的壓電式傳感器，可以測量位移量、速度量和加速度量。由于加速度量是3個參量中靈敏度最高的，能有效監測較高頻率的振動。電纜振動時大多是高頻振動，所以采用加速度傳感器進行監測。該傳感器穩定性好，抗干擾能力強。

（5）紅外熱像進行拍攝中，可以將數據上傳至電纜一站式綜合體檢診斷平臺系統，實現對電纜多狀態信息的匯總。

這些傳感器大都內置DSP數據采集功能，能將采集的傳感信號通過串口/無線的方式傳給檢測終端，支持MODBUS、104、61850等多種物聯網通信協議。采用有線或無線的方式將采集信號傳給狀態監測終端，狀態監測終端將采集信號上傳到云端，進行大數據分析，作出故障診斷。巡檢人員可以在此判斷設備故障并實施搶修等，也可將診斷結果發送給遠程終端和移動終端，雙重確保診斷的準確性[3-6]。

2.2 數據采集與傳輸

系統采集信號量大通道多，且頻率高，導致數據量較大，對硬件要求較高，數據傳輸起來比較緩慢。所以，采用壓縮感知技術對信號進行壓縮和重構，既能節省硬件資源，又能緩解因數據量過大導致的傳輸緩慢。

壓縮感知理論實現了采集較少的信號，重構出大量數據信號，打破了奈奎斯特采樣定律。壓縮感知理論指出，當數據足夠稀疏時，范數L1最小化可以從欠采樣的樣本中有效地恢復頻率稀疏信號。

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，FFT）做為稀疏基，高斯隨機矩陣、部分哈達瑪矩陣為測量矩陣，L1范數、正交匹配追蹤算法（Orthogonal Matching Pursuit，OMP）為重建算法進行壓縮感知算法實現。

本文以模擬的電纜振動信號做為原信號，取原信號20%做為輸入，進行壓縮感知重建，如圖2所示。圖3為原始信號和重構后信號對比圖（K=14時）。

圖2 原始信號圖

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

圖3 原始信號和重構后信號對比圖

2.3 物聯網網關

本系統應用了兼容多協議的物聯網網關，可以將現場的各種采集數據進行統一標準化，分別支持104、61850及MODBUS等多種工業物聯網協議，能快速有效地將數據信息傳到應用的各個終端。

2.4 狀態監測終端

狀態監測終端集成了能檢測和管理各個傳感器狀態的上位機軟件，可以實時監測電纜狀態，并且進行數據庫比對，進行故障診斷[7-9]。如果有異常和故障狀態，系統可以實時進行預警處理，并可將預警信息實時傳給遠程/移動終端。圖4為某局部放電的上位機界面圖。

圖4 局部放電的上位機界面圖

3 系統創新點

（1）運用壓縮感知原理進行信號傳輸處理，降低了數據傳輸難度。

（2）構建了基于物聯網的電纜智能感知一站式診斷平臺，通過對多種信號進行檢測橫向比對，實現了高壓電纜故障快速診斷。

（3）所應用的物聯網網關兼容各種協議，解決了各種協議不兼容并存的問題。

4 結 論

本文針對高壓電纜運行故障，研制了一種高壓電纜智能感知一站式診斷平臺，有效地解決了運維巡檢人員在排查故障時單一測量的問題，將電纜常見問題與檢測集成在一個系統中，并運用云管邊端的方式，有效地監測了電纜運行中的各類故障。