基于物聯(lián)網(wǎng)的電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)設計

一、引言

電力電纜局部放電監(jiān)測與電纜的運行安全水平息息相關，為了增強電力設備的運行安全，實現(xiàn)早期預警，感知設備的運行狀態(tài)，有必要利用物聯(lián)網(wǎng)技術，對電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)進行合理的設計。建立起靈敏的在線監(jiān)測系統(tǒng)，對系統(tǒng)運行情況進行實時監(jiān)測、穩(wěn)定監(jiān)測，了解電流泄漏情況、局部放電情況、溫度上升情況，并提高電纜運行系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)的電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)設計中的難點

在部署信息網(wǎng)絡框架的過程中，加強對先進科技的運用，能夠更好地執(zhí)行傳感器的傳感、計算、溝通等任務，進而促進信息的有效交換。這種交換不僅涵蓋了人與人之間的信息溝通、人與物之間的信息交換，還涵蓋了物與物之間的信息流通。通信技術憑借其低功率和遠距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，逐步擴大了應用規(guī)模，不僅在消費市場上得到了廣泛應用，在工業(yè)領域內的應用也日益廣泛。其成本低、便捷性強的特點，為構建信息網(wǎng)絡框架提供了有力支持，特別是在配電電纜監(jiān)測中展現(xiàn)出了巨大潛力。配電電纜監(jiān)測介人量較大，成本敏感且分布區(qū)域較為廣泛，利用通信技術，可以有效地提升監(jiān)測效果。在運用物聯(lián)網(wǎng)技術進行電纜局部放電分布式監(jiān)測的實踐中，要針對物理層面的技術問題進行改進。目前，利用微機電系統(tǒng)的集成化傳感器已經(jīng)得到逐步發(fā)展，技術趨于成熟，為這一改進提供了有力支撐。然而，在局部放電監(jiān)測中，傳感器的應用依然存在一些挑戰(zhàn)，特別是在互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測環(huán)境下，直接使用專用傳感器仍面臨困難。因此，無線局放傳感器和可擴展無線傳感器網(wǎng)絡作為物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知的基礎組成部分，是必要的應用資源，發(fā)揮其成本低、維護便捷和開發(fā)功耗低的應用優(yōu)勢，可以有效地實現(xiàn)對電纜運行情況的監(jiān)測。另外，電纜監(jiān)測中存在著較多的節(jié)點信息，匹配的復雜程度較高，數(shù)據(jù)的應用存在分散化的問題，因此，網(wǎng)絡框架要具備一定的靈活性和擴展性，能夠穩(wěn)定地運行，才能夠實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時傳輸，提高數(shù)據(jù)應用的有效性。由此可見，目前在物聯(lián)網(wǎng)支持下的電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)設計面臨著諸多的挑戰(zhàn)[1]。

三、利用物聯(lián)網(wǎng)技術設計電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)軟件的要點

基于對物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，對電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)的軟件進行設計，其中涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)多個模塊的設計，對信息進行檢測、匯總、建設、存儲，為運行管理人員提供一定的參考。在遠程終端系統(tǒng)軟件的設計中，借助物聯(lián)網(wǎng)技術，首先要在需求分析環(huán)節(jié)，確定要監(jiān)測的電纜類型、數(shù)量、分布位置等信息，了解電纜的運行環(huán)境和工作條件，例如，是監(jiān)測城市地下電纜、工廠內部電纜還是變電站電纜等。在此基礎上，明確系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，包括實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、局部放電定位、故障預警、歷史數(shù)據(jù)查詢、報表生成等。對系統(tǒng)的性能指標進行確認，了解系統(tǒng)的使用用戶群體。在系統(tǒng)架構設計中，要設計感知層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層，數(shù)據(jù)采集模塊中，實現(xiàn)與傳感器的通信。定時或實時采集電纜局部放電數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡層傳輸?shù)狡脚_層，采用可靠的通信協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密傳輸，傳輸過來的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。注意對采集到的原始數(shù)據(jù)進行清洗，去除噪聲、異常值和重復數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的質量，該環(huán)節(jié)可以采用濾波算法、統(tǒng)計分析方法等進行數(shù)據(jù)清洗[2]。

四、基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計策略

（一）設計無線傳感器總體架構

傳感器單元是一種檢測設備，可以對電纜放電情況進行直接檢測，將其安裝在電纜接地線上，在對電纜內部放電活動進行監(jiān)測的過程中，要對檢測收集到的數(shù)據(jù)進行處理，再經(jīng)過網(wǎng)關，在通信模塊的作用下，依據(jù)互聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡進行信息傳輸。使用無線傳感器，要發(fā)揮其續(xù)航能力強、免維護的優(yōu)勢，節(jié)約成本，在電纜附件上使用的傳感器節(jié)點應該具備低成本和小體積的優(yōu)勢，在能量管理單元中配備模擬信號單元、傳感器信號預處理系統(tǒng)、信號處理單元和通信單元。設計無線傳感器總體架構，完善其功能，檢測電纜局部放電情況，在總體架構設計環(huán)節(jié)，傳感器節(jié)點負責的是局部放電信號的采集，傳感器節(jié)點包括超聲波傳感器、高頻電流傳感器等局部放電傳感器，除此之外，還涵蓋了信號處理單元和無線通信模塊。

中繼節(jié)點是用于擴展網(wǎng)絡覆蓋范圍和傳輸距離的構成，主要起到數(shù)據(jù)中轉的作用，在網(wǎng)關節(jié)點設計中，要注重收集傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔掌骰虮镜財?shù)據(jù)處理中心，在數(shù)據(jù)處理中心進行數(shù)據(jù)存儲、分析和可視化，從而為運行管理人員提供監(jiān)測報告和預警服務。采用無線傳感器網(wǎng)絡技術，傳感器節(jié)點在無線通信協(xié)議中，與中繼節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，考慮信號傳輸距離、功耗和可靠性，選擇合適的通信協(xié)議和拓撲結構，例如星型、樹型或網(wǎng)格型拓撲。完善傳感器功能，使用高頻電流傳感器檢測電纜中流過的高頻電流信號，分析局部放電活動，借助超聲波傳感器檢測由局部放電引起的超聲波信號，超高頻傳感器負責檢測局部放電產生的電磁波信號。對原始信號進行濾波、放大等處理，以提高信號的信噪比，提取局部放電信號的特征參數(shù)，包括放電幅值、放電次數(shù)、放電相位等，并采取數(shù)據(jù)壓縮的方式，對提取的數(shù)據(jù)進行處理，減少傳輸數(shù)據(jù)量，提高通信效率。選擇低功耗、高可靠性的無線通信模塊，可以支持傳感器節(jié)點與中繼節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，并支持自組網(wǎng)功能，從而保證節(jié)點之間的通信穩(wěn)定。

（二）集成化傳感器的性能校驗

基于物聯(lián)網(wǎng)的電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)設計中，加強對集成化傳感器的性能校驗，目的是保證系統(tǒng)在實際應用中的可靠性、準確性，在出廠前對傳感器進行傳感器的標準化標定，保證每個傳感器的讀數(shù)在特定條件下是一致的。使用標準基準設備，例如高精度示波器，對傳感器進行比對，獲取準確的測量值，在此基礎上，對傳感器的靈敏度進行測試，檢測不同強度的局部放電信號。測試傳感器對不同頻率信號的響應，保證其能夠準確檢測局部放電信號的頻率特性，校驗傳感器輸出信號與輸入信號的線性關系，保證傳感器在整個測量范圍內保持線性輸出。在多個不同的輸入信號強度下進行校準，驗證傳感器的線性度，加強對傳感器的長期測試，評估其在長期使用中的穩(wěn)定性、可靠性，測試傳感器在不同溫度、濕度和電磁干擾條件下的性能，在各種環(huán)境下保持傳感器的穩(wěn)定性。

評估傳感器在電磁干擾環(huán)境中的性能，強化其抗干擾能力，測試傳感器在噪聲環(huán)境中的信噪比，可以有效抑制噪聲干擾，準確檢測局部放電信號，測試傳感器在不同信號強度下的響應，檢測到從微弱到強烈的局部放電信號，評估傳感器在強信號輸入情況下的保護機制，避免出現(xiàn)因過載而損壞的問題。在信號處理模塊校驗中，測試傳感器信號處理模塊的濾波、放大功能，評估信號處理模塊的特征提取功能，準確提取局部放電信號的幅值、次數(shù)、相位等特征參數(shù)。采取實驗室測試的方式，在實驗室環(huán)境下，對傳感器進行系統(tǒng)性的性能校驗，包括靈敏度、線性度、穩(wěn)定性和抗干擾性能等，使用標準信號源和測試設備，對傳感器進行重復測試。在實際使用環(huán)境中，對傳感器進行現(xiàn)場校驗，評估其在真實應用場景下的性能，實施長期監(jiān)測，評估其在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性和可靠性。注重收集和分析校驗數(shù)據(jù)，對傳感器的性能進行綜合評估，比較傳感器測量值與基準設備測量值，驗證傳感器是否準確、可靠[4]。

（三）傳感器的低功耗管理

傳感器節(jié)點有著分布范圍廣泛、數(shù)量多的特點，在對傳感器進行管理的過程中，應避免在設備檢修周期內對電池進行更換，加強對電池的高效化管理，制定精細化的運行策略。應把握關鍵點，對局部放電傳感器節(jié)點進行優(yōu)化設計，其中信號傳輸和接收部分作為主導功耗的部件，是傳感器管理中的要點，采取動態(tài)斷點檢測的方式，對傳感器的基礎功耗進行控制，實現(xiàn)傳感器高效、低功耗運行。加強動態(tài)斷點檢測，在傳感器系統(tǒng)中，根據(jù)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男枰瑒討B(tài)調整傳感器的工作狀態(tài)，使其在不需要工作時進入低功耗模式，降低整體功耗，傳感器在采集數(shù)據(jù)時處于工作模式，消耗較高的功率。例如，在短時間內不需要采集數(shù)據(jù)時，傳感器進入待機模式，功耗相對較低，在較長時間內不需要采集數(shù)據(jù)時，傳感器進入休眠模式，功耗最低。根據(jù)電纜局部放電活動的特性，設置適當?shù)臄?shù)據(jù)采集周期，采集周期可以是固定的，也可以根據(jù)檢測到的放電活動進行動態(tài)調整，當傳感器檢測到異常的局部放電活動時，應立即從低功耗模式切換到工作模式，進行詳細的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

設置局部放電信號的閾值。當檢測到的信號超過閥值時，將傳感器從低功耗模式切換到工作模式，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境變化，自適應調整閾值和采集周期，優(yōu)化功耗控制策略。加強硬件支持，選擇支持多種功耗模式的低功耗傳感器芯片，例如具有休眠、待機和工作模式的微控制器，設計高效的電源管理模塊，支持快速切換傳感器的工作模式，減少模式切換時的功耗，在傳感器固件中設定功耗管理程序，根據(jù)設定的策略控制傳感器的工作模式。實時監(jiān)控傳感器的狀態(tài)和檢測到的局部放電信號，動態(tài)切換傳感器的工作模式，設置傳感器的初始采集周期和閾值，根據(jù)電纜局部放電的特點進行合理配置，實時監(jiān)控傳感器的檢測信號，當信號超過設定閾值時，立即切換到工作模式進行詳細的數(shù)據(jù)采集，使用機器學習算法分析數(shù)據(jù)，預測局部放電活動的規(guī)律，進一步提高功耗控制的智能化水平[5]。

（四）基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)絡設計

傳感器在物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測中作為物理基礎，可以獲取采樣測量值和狀態(tài)變量的有關的參數(shù)，并對命令進行執(zhí)行，向傳感器節(jié)點進行命令分配，在互聯(lián)網(wǎng)技術支持下，設計傳感網(wǎng)絡，需要在上下鏈路網(wǎng)絡層的設計中合理利用網(wǎng)絡收發(fā)器，在上下鏈路中實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和功耗管理，優(yōu)化傳感網(wǎng)絡性能。傳感器節(jié)點負責采集局部放電數(shù)據(jù)，基于無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴弦患壒?jié)點，在中繼節(jié)點擴展網(wǎng)絡覆蓋范圍，轉發(fā)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)骄W(wǎng)關節(jié)點。在網(wǎng)關節(jié)點收集中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔掌骰虮镜財?shù)據(jù)處理中心，選擇網(wǎng)絡收發(fā)器時，應選擇低功耗、高效率的收發(fā)器，使用高帶寬、低延遲的收發(fā)器，如Wi-Fi、LTE等，適用于網(wǎng)關節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。

對采集到的數(shù)據(jù)進行初步處理和聚合，減少冗余數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸量，在中繼節(jié)點實現(xiàn)多跳傳輸，擴展網(wǎng)絡覆蓋范圍，采用可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，強調數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴蚀_性。在數(shù)據(jù)處理中心，基于對網(wǎng)關節(jié)點和中繼節(jié)點的運用，向傳感器節(jié)點下發(fā)命令，例如調整采集頻率、改變工作模式等，監(jiān)控傳感器節(jié)點的狀態(tài)，及時獲取傳感器的工作信息和電量情況。動態(tài)調整收發(fā)器的工作模式，降低傳感器節(jié)點的功耗，例如，在數(shù)據(jù)采集間隔期內，使收發(fā)器進人低功耗模式，根據(jù)實際網(wǎng)絡環(huán)境，動態(tài)選擇最佳通信信道，減少干擾，提高通信效率，在傳感器節(jié)點進行數(shù)據(jù)壓縮處理，減少傳輸數(shù)據(jù)量，降低收發(fā)器的工作負載。

（五）設計傳感層數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)

在物聯(lián)網(wǎng)應用下的電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)設計中，傳感層的數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)設計與數(shù)據(jù)高效、可靠傳輸密切相關，在傳感層數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)中，涉及了傳感器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸。在傳感層數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)設計中，有必要把握關鍵點，注重對傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的采集，傳感器節(jié)點包括高頻電流傳感器、超聲波傳感器、超高頻傳感器等，用于實時采集電纜局部放電信號，采取多通道采集的方式，同時監(jiān)測多個局部放電信號，保證數(shù)據(jù)的全面性和準確性。在傳感器節(jié)點進行初步的數(shù)據(jù)預處理，例如信號濾波、去噪和特征提取，提高數(shù)據(jù)的質量和信噪比，對多個傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行聚合處理，減少冗余數(shù)據(jù)，控制傳輸負載，對預處理后的數(shù)據(jù)進行壓縮，進一步減少數(shù)據(jù)量，提高傳輸效率，在傳感器節(jié)點進行初步的異常檢測，并標記局部放電事件，為后續(xù)的詳細分析提供基礎。

五、結束語

綜上所述，在電纜安全運行的管理中，要注重對電力電纜系統(tǒng)的局部放電情況的監(jiān)測，利用先進的設備和技術方法，對電纜運行中的數(shù)據(jù)進行采集和分析。加強對電力設備運行狀態(tài)的監(jiān)測，優(yōu)化電纜的系統(tǒng)運行效果，這樣才能助力電纜系統(tǒng)的高效率運行。

作者單位：金春雷保定天威新域科技發(fā)展有限公司

參考文獻

[1]生柯.分布式高壓電力電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].陜西：西安電子科技大學，2022.

[2]孫宇微，呂安強，謝志遠.電纜及其附件局部放電超聲波檢測技術研究進展[J].電工電能新技術，2022，41（09）：47-57.

[3]鄭午.10kV岸電電纜電磁-熱-力多物理場計算及試驗驗證[D].重慶：重慶大學，2022.

[4]徐曉春，章立宗，李奔，等.一種基于5G通信分布式監(jiān)測終端的智能重合閘方法[J].電氣應用，2022，41（11）：85-90.

[5]國網(wǎng)新疆電力公司哈密供電公司，國家電網(wǎng)有限公司.一種配電電纜諧波異動的監(jiān)測系統(tǒng)及預警方法：CN202111286252.1[P].2022-01-04.

[6]太原理工大學.一種多相位編碼的 Φ -OTDR電纜局部放電監(jiān)測系統(tǒng)及工作方法：CN202210939016.3[P].2022-11-01.