CN103995210B - 适用于地下电缆配电系统的监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于地下电缆配电系统的监测系统及其方法，系统包括前端监测单元、监测主机和管理单元；基于系统，通过前端监测单元实施数据采集并周期性向监测主机上报数据，通过监测主机管理前端监测单元并进行数据传输，通过管理中心管理各个监测主机并处理各个监测主机所传输的数据。本发明无需使用运营商的无线网络，既节省了运营费用，也保证了数据的安全；同时确保了环网柜不会受运营商网络覆盖不全的限制；本发明的智能型前端监测单元只要电缆通电就能开始工作，无需考虑电能耗尽的问题，且一次安装无需更换；同时，本发明实现了预警性管理，具备了更广泛的应用性。

Description

适用于地下电缆配电系统的监测系统及其方法

技术领域

本发明涉及地下电缆配电系统监测技术领域，更具体地，涉及一种采用无线自组网技术，以感应取电技术为核心的适用于地下电缆配电系统的监测系统，以及对应该系统的监测方法。

背景技术

在10KV电力的城市配网中，每条10KV的电缆回路在支线位置上都会建设有环网柜及其对应的检测系统。环网柜监测系统主要用于监测柜内主线和分支线路的工作状态，以便判断是否出现单项接地故障或者相间短路故障等。目前市面上的环网柜监测系统，主要分为以下两种类型。

（1）本地故障监测系统

属于本地故障监测类型的环网柜监测系统，只在柜内的线路上安装了电缆型故障指示器。当线路发生短路或者单相接地故障后，由维护人员到达环网柜直接观察指示器，如指示器上面的指示灯发出红光，则表示是对应的那条线路出现了故障。这种方式可以在线路跳闸后，方便维护人员到达现场快速的找到故障线路。但这种类型的监测系统由于不带通信，因此线路出现故障后，必须要维护人员到达现场，才能确定故障点，并制定排障方案，所以效率很低，同时由于故障指示器采用电池供电，当电池耗尽将无法工作，也会造成工作上的消极影响。

（2）带通信的故障监测系统

此类带通信的故障监测系统，包括环网柜主机和电缆型故障指示器两部分，其中在电缆型故障指示器上增加光模块或增加低功耗短距离的通信模块，采用无线方式或者塑料光纤的方式将故障指示器上的故障信息传送至环网柜主机。环网柜主机一般采用GSM、GPRS或3G等运营商的公网资源将数据回传到供电局的接收器上。这种类型的环网柜监测系统可以在线路发生故障时，将故障点信息回传至供电局，使维护人员可以在出发前预判故障情况，提前准备，因此明显提高了工作效率。

但是这种方式也有其缺点，例如：

每个环网柜主机都需要向运营商购买SIM卡，因此传送数据时都会产生费用，而且还需要投入专人管理、维护各个SIM卡，以及正常缴费，以保证主机的正常运行，因此增加了人力和资源成本；

由于采用公共网络传送数据，因此所有的电力运行数据都需要经过运营商网络，依照现有的市场情况，无法保证数据的安全性，存在数据安全隐患；

采用运营商的网络传送报警数据，所以发送报警数据的时间过于依赖运营商网络的稳定性，而如果采用短信猫方式发送报警数据甚至可能发生数据丢弃的问题；

电力环网柜遍布城市的每个角落，所以，如果有环网柜刚好处在信号的盲区，则其将无法使用；

由于故障指示器采用电池供电，当电池耗尽时将无法工作，因此有时会对效率产生消极影响。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

本发明的首要目的是提供适用于城市10kV地下电缆配电系统，用于监测环网柜内环境温湿度，以及主线出线、主线入线、支线的各相工作电流、电缆线温，并实检测线路的短路故障，可以快速的实现智能电网的故障定位和数据采集的监测系统。

本发明的进一步目的是提供一种基于上述监测系统的适用于地下电缆配电系统的监测方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

适用于地下电缆配电系统的监测系统，包括前端监测单元、监测主机和管理单元。

其中，在辖区内设置不少于一组的管理单元，实际当中，管理单元的具体数量依照实际需求决定；此外，在辖区内的各个环网柜内均设置监测主机，同时在各个环网柜内的主线出线、主线入线、支线上的各相电缆上分别安装前端监测单元。

其中，管理单元与各个监测主机相连，同一个环网柜内的监测主机和前端监测单元相互连接，不同的环网柜内的监测主机相互连接。监测系统内相关部件的连接，可根据需求选择无线或有线连接方式，而主要采用无线连接为较佳选择。

布置监测系统时，监测系统通过管理单元、监测主机、前端监测单元之间的分层连接构成自组网。

在上述自组网中，为便于通信及管理，通过不同的环网柜形成多个通信回路；且在每一条通信回路中选择一个监测主机作为主节点，作为主节点的监测主机实现通道转换作用，完成自组网内的数据传输；其中，作为主节点的监测主机与管理中心之间采用光纤连接方式为佳，而管理中心与其它监测主机之间，以及同一个环网柜内的监测主机与前端监测单元之间均采用无线连接方式为佳。

前端监测单元是本系统具体实施数据采集的设备，根据实际需要，安装在环网柜内主线出线、主线入线、支线上的各相线缆上面，实施数据采集并周期性向智能监测主机上报数据。工作状态下，前端监测单元直接感应对应的线缆的电能，通过线缆电能为前端监测单元的电池进行供电；其中，当线缆电流超过10A时前端监测单元启动工作，当线缆断电后，前端监测单元在电池的驱动下延时工作，工作时间约10分钟。

前端监测单元中设有电流监测线圈、采样电路、数字温度传感器和电池。

具体的，前端监测单元基于电流监测线圈和采样电路，检测线缆的短路情况和单相接地故障并进行告警，同时，前端监测单元基于电流监测线圈和采样电路对线缆进行电流监测，当电流超过该线缆的设定值时，主动发出告警。

此外，前端监测单元通过数字温度传感器监测线缆温度，监测主机监测环境湿度，当线缆温度对比环境温度超过温升设定值时，主动发出告警。

其中，前端监测单元将上述的各个告警信息以及检测数据周期性发送至同一环网柜内的监测主机，其发送周期根据实际需求而定，一般来说以一分钟为佳。

在实际应用中，会随需求增加前端监测单元，为便于管理，预先为每个前端监测单元配备唯一的MAC地址，新安装的前端监测单元主动向同一环网柜内的监测主机报告其MAC地址，该监测主机将新增的前端监测单元的MAC地址在显示终端上显示出来，并配给编号。

监测主机用于管理前端监测单元并进行数据传输，因此监测主机安装在环网柜内部为佳。

具体的，监测主机包括主板、CT取能单元、显示终端、电源单元、光纤单元、I/O控制单元、环境传感单元、一组2.4GHZ的无线路由单元和两组230MHz的自组网通信单元。

其中，监测主机通过I/O控制单元、光纤单元和无线路由单元进行外部连接和通讯，并通过自组网通信单元设定自组网内的频点，以及通过环境传感单元采集环网柜内环境湿度。

其中，主板分别与CT取能单元、显示终端、电源单元、光纤单元、I/O控制单元、环境传感单元、一组2.4GHZ的无线路由单元和两组230MHz的自组网通信单元相连，同时，所述电源单元与CT取能单元相连，通过所述CT取能单元为电源单元供电。

管理中心管理辖区内所有监测主机以及监测主机内的各个前端监测单元。实际应用中，可以根据实际管辖的区域来进行部署。比如一个供电分局可以只在分局架设一套管理中心，通过无线或有线网络与辖区内所有的环网柜相连，实现对辖区内所有前端监测单元的管理。

具体的，管理中心包括设有图形化界面的监控管理单元。监控管理单元实时呈现前端监测单元采集回来的数据，当有线缆线路故障时，发出报警信息并指示故障点。管理中心通过监控管理单元进行历史数据的分析，提前排除一些潜在的可能故障点。

监测主机能够在主机模式和从机模式之间切换，当监测主机切换为主机模式后，通过自组网通信单元设定自组网无线模块的频点，发起一个通信网络；当监测主机切换为从机模式，通过自组网通信单元设定自身频点，当所设定频点与自组网中其它处于主机模式的监测主机的频点一致时，该监测主机加入对应的通信回路，并自动选择到达作为主节点的监测主机的最短路径。其中，监测主机的模式切换功能，显然能够令系统的功能更具丰富性，也增强了系统的运行管理能力。

其中，监测主机作为主节点与管理中心相接时，通过其光纤单元，采用光纤连接方式进行连接。

基于上述监测系统实现的适用于地下电缆配电系统的监测方法，包括如下步骤：

S1、在辖区内设置不少于一组的管理单元，管理单元的数量依照实际需求决定。

S2、在辖区内的各个环网柜内均设置监测主机，同时在各个环网柜内的主线出线、主线入线、支线上的各相电缆上分别安装前端监测单元。

S3、将管理单元与各个监测主机相互连接，同一个环网柜内的监测主机和前端监测单元相互连接，不同的环网柜内的监测主机相互连接，进而构成自组网；在自组网中，通过不同的环网柜形成多个通信回路；且在每一条通信回路中选择一个监测主机作为主节点；

其中，为每个前端监测单元配备唯一的MAC地址，新安装的前端监测单元主动向同一环网柜内的监测主机报告其MAC地址，该监测主机将新增的前端监测单元的MAC地址在其显示终端上显示出来，并配给编号；

其中，当增设新的监测主机时，令该监测主机切换为从机模式，通过其自组网通信单元设定自身频点，并在自组网中寻找频点一致的其它处于主机模式的监测主机，寻找到频点一致的处于主机模式的监测主机后，加入对应的通信回路，并自动选择到达该通信回路中作为主节点的监测主机的最短传输路径。

S4、各个线缆上的前端监测单元基于电流监测线圈和采样电路，检测线缆的短路情况和单相接地故障并进行告警；同时，前端监测单元基于电流监测线圈和采样电路对线缆进行电流监测，当电流超过该线缆的设定值时，主动发出告警；此外，前端监测单元通过数字温度传感器监测线缆温度，监测主机监测环境湿度，当线缆温度对比环境温度超过温升设定值时，主动发出告警。

S5、前端监测单元将各个告警信息以及检测数据周期性发送至同一环网柜内的监测主机。

S6、监测主机通过环境传感单元采集环网柜内环境湿度；同一环网柜内的监测主机将各个前端检测单所发送的数据与监测主机采集到的环境湿度统一打包处理，通过该监测主机所处的通信回路，将打包处理的数据发送至该通信回路中作为主节点的监测主机，再进一步传输至管理中心。

S7、管理中心通过监控管理单元实时呈现各个监测单元所发送的数据，当有线缆线路故障时，发出报警信息并指示故障点，此外，管理中心通过监控管理单元进行历史数据的分析，提前排除潜在的故障点。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明实现了远程对每个环网柜中的每条支线的状态的监测、检测和管理，其通过无线自组网技术，采用电力专用的230MHz频段工作，因此无需使用运营商的无线网络，既节省了运营费用，也保证了数据的安全；

本发明的专用网络沿环网柜独立建设，以环网柜为节点，使每个环网柜都可以接入，所以不会受运营商网络覆盖不全的限制；

本发明的智能型前端监测单元采用感应取电技术，只要电缆通电就能开始工作，无需考虑电能耗尽的问题，且一次安装无需更换；同时，由于解决了能耗问题，前端监测单元除了实现故障指示器的短路、接地故障检测外，还加入了电流、温度的实时监测，可通过管理中心进行趋势分析，将一些故障排除在未发生时，使系统实现了预警性管理，具备了更广泛的应用性。

附图说明

图1为本发明一实施例的系统拓扑结构图；

图2为图1中监测主机的拓扑结构图；

图3为图1中前端监测单元的拓扑结构图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面将结合本发明中的说明书附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，在辖区内设置一组管理单元。在辖区内的各个环网柜内均设置监测主机，同时在各个环网柜内的主线出线、主线入线、支线上的各相电缆上分别安装前端监测单元。

如图2所示，监测主机包括主板、CT取能单元、显示终端、电源单元、光纤单元、I/O控制单元、环境传感单元、一组2.4GHZ的无线路由单元和两组230MHz的自组网通信单元。

如图3所示，前端监测单元中设有电流监测线圈、采样电路、数字温度传感器和电池。

进行自组网的布置：本实施例的监测系统采用分层组网的方式进行工作，具体的，是将管理单元与各个监测主机相互连接，同一个环网柜内的监测主机和前端监测单元相互连接，不同的环网柜内的监测主机相互连接，进而构成自组。

在自组网中，通过不同的环网柜形成多个通信回路；且在每一条通信回路中选择一个监测主机作为主节点。

其中，作为主节点的监测主机通过其光纤单元，采用光纤连接方式与管理中心相接；非主节点的监测主机与管理中心之间、非主节点的监测主机与其它监测主机之间均通过各自的无线路由单元进行无线连接。此外，作为主节点的监测主机只是起到通道转换作用，通过无线路由单元与光纤单元进行数据传输。

其中，为每个前端监测单元配备唯一的MAC地址，新安装的前端监测单元主动向同一环网柜内的监测主机报告其MAC地址，该监测主机将新增的前端监测单元的MAC地址在其显示终端上显示出来，并配给编号。实际应用中，前端监测单元的MAC地址可以打印并贴在设备上，也可以通过相应无线调试工具进行读取。

具体的，前端监测单元的编号设定规则可以如表格1所示：

表格1

各个线缆上的前端监测单元基于电流监测线圈和采样电路，检测线缆的短路情况和单相接地故障并进行告警；同时，前端监测单元基于电流监测线圈和采样电路对线缆进行电流监测，当电流超过该线缆的设定值时，主动发出告警；此外，前端监测单元通过数字温度传感器监测线缆温度，当线缆温度对比环境温度超过温升设定值时，主动发出告警。

前端监测单元将各个告警信息以及检测数据周期性发送至同一环网柜内的监测主机。

监测主机通过环境传感单元采集环网柜内环境湿度；同一环网柜内的监测主机将各个前端检测单所发送的数据与监测主机采集到的环境湿度统一打包处理，通过该监测主机所处的通信回路，将打包处理的数据发送至该通信回路中作为主节点的监测主机，再进一步传输至管理中心。

其中，在每个环网柜内部，监测主机是管理者，管理同一环网柜内的所有前端监测单元，监测单元可以根据需求进行安装。比如环网柜一进一出两个分支，每相都安装一个前端监测单元，就需要安装12个前端监测单元，这12个前端监测单元都是直接与监测主机进行通信，组成一个点对多点的星形网络。一般情况下，可设定前端监测单元通过监测主机的无线路由单元每分钟向监测主机发送一次监测数据，再由监测主机将12个前端监测单元的数据与监测主机采集到的环境温度统一打包处理，通过自组网将数据发送至管理单元。

为便于数据传输和整个系统的管理，监测主机能够在主机模式和从机模式之间切换，其转换方式可选择借助外部软件实现。

当监测主机切换为主机模式后，通过自组网通信单元设定自组网无线模块的频点，发起一个通信网络；当监测主机切换为从机模式，通过自组网通信单元设定自身频点，当所设定频点与自组网中其它处于主机模式的监测主机的频点一致时，该监测主机加入对应的通信回路，并自动选择到达作为主节点的监测主机的最短路径。各个前端监测单元所采集的数据即通过自组网中的各个监测主机汇总至管理中心。

其中，当增加环网柜即增设新的监测主机时，令该监测主机切换为从机模式，通过其自组网通信单元设定自身频点，并在自组网中寻找频点一致的其它处于主机模式的监测主机，寻找到频点一致的处于主机模式的监测主机后，加入对应的通信回路，并自动选择到达该通信回路中作为主节点的监测主机的最短传输路径。

管理中心可通过监控管理单元实时呈现各个监测单元所发送的数据，当有线缆线路故障时，发出报警信息并指示故障点，此外，管理中心通过监控管理单元进行历史数据的分析，提前排除潜在的故障点，比如某条线路的线温相对负荷电流偏离正常值时，可能是接头位置出现了松动等。

Claims (9)

1.适用于地下电缆配电系统的监测系统，其特征在于包括前端监测单元、监测主机和管理中心；前端监测单元实施数据采集并周期性向监测主机上报数据，监测主机管理前端监测单元并进行数据传输，管理中心管理各个监测主机并处理各个监测主机所传输的数据；

其中，在辖区内设置不少于一组的管理中心；在辖区内的各个环网柜内均设置监测主机，同时在各个环网柜内的主线出线、主线入线、支线上的各相电缆上分别安装前端监测单元；

其中，管理中心与各个监测主机相互连接，同一个环网柜内的监测主机和前端监测单元相互连接，不同的环网柜内的监测主机相互连接；

其中，监测系统通过管理中心、监测主机、前端监测单元之间的分层连接构成自组网；在自组网中，通过不同的环网柜形成多个通信回路；且在每一条通信回路中选择一个监测主机作为主节点，作为主节点的监测主机实现通道转换作用，完成自组网内的数据传输；

所述的前端监测单元包括电流监测线圈、采样电路、数字温度传感器和电池；将前端监测单元设在相应的线缆上，当线缆电流超过10A时前端监测单元启动工作，当线缆断电后，前端监测单元在电池的驱动下延时工作；其中，前端监测单元基于电流监测线圈和采样电路，检测线缆的短路情况和单相接地故障并进行告警；同时，前端监测单元基于电流监测线圈和采样电路对线缆进行电流监测，当电流超过该线缆的设定值时，主动发出告警；此外，前端监测单元通过数字温度传感器监测线缆温度，当线缆温度对比环境温度超过温升设定值时，主动发出告警；前端监测单元将各个告警信息以及检测数据统一发送至同一环网柜内的监测主机。

2.根据权利要求1所述的适用于地下电缆配电系统的监测系统，其特征在于作为主节点的所述监测主机与管理中心之间采用光纤连接；管理中心与非主节点的监测主机之间、位于不同环网柜内的监测主机之间以及同一个环网柜内的监测主机与前端监测单元之间均采用无线连接。

3.根据权利要求1所述的适用于地下电缆配电系统的监测系统，其特征在于将所述的前端监测单元设在相应的线缆上，直接感应对应的线缆的电能，通过线缆电能为前端监测单元的电池进行供电。

4.根据权利要求1所述的适用于地下电缆配电系统的监测系统，其特征在于所述的监测主机包括主板、CT取能单元、显示终端、电源单元、光纤单元、I/O控制单元、环境传感单元、一组2.4GHZ的无线路由单元和两组230MHz的自组网通信单元；

其中，监测主机通过I/O控制单元、光纤单元和无线路由单元进行外部连接和通讯，并通过自组网通信单元设定自组网内的频点，以及通过环境传感单元采集环网柜内环境湿度；

其中，所述主板分别与CT取能单元、显示终端、电源单元、光纤单元、I/O控制单元、环境传感单元、一组2.4GHZ的无线路由单元和两组230MHz的自组网通信单元相连，同时，所述电源单元与CT取能单元相连，通过所述CT取能单元为电源单元供电。

5.根据权利要求4所述的适用于地下电缆配电系统的监测系统，其特征在于所述的监测主机能够在主机模式和从机模式之间切换，当监测主机切换为主机模式后，通过自组网通信单元设定自组网无线模块的频点，发起一个通信网络；当监测主机切换为从机模式，通过自组网通信单元设定自身频点，当所设定频点与自组网中其它处于主机模式的监测主机的频点一致时，该监测主机加入对应的通信回路，并自动选择到达作为主节点的监测主机的最短传输路径。

6.根据权利要求4所述的适用于地下电缆配电系统的监测系统，其特征在于所述的前端监测单元通过监测主机的无线路由单元周期性向监测主机发送其获取的数据，由监测主机将各个前端监测单元所发送的数据与监测主机采集到的环境湿度统一打包处理，通过该监测主机所处的通信回路，将打包处理的数据发送至该通信回路中作为主节点的监测主机，再进一步传输至管理中心。

7.根据权利要求1所述的适用于地下电缆配电系统的监测系统，其特征在于为每个所述的前端监测单元配备唯一的MAC地址；新安装的前端监测单元主动向同一环网柜内的监测主机报告其MAC地址，监测主机将新增的前端监测单元的MAC地址配给编号，并进行显示。

8.根据权利要求1所述的适用于地下电缆配电系统的监测系统，其特征在于所述的管理中心包括设有图形化界面的监控管理单元；监控管理单元实时呈现各个前端监测单元所传输的数据，当有线缆线路故障时，发出报警信息并指示故障点， 此外，管理中心通过监控管理单元进行历史数据的分析，提前排除潜在的故障点。

9.根据权利要求1～8任一所述的监测系统实现的适用于地下电缆配电系统的监测方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、在辖区内设置不少于一组的管理中心；

S2、在辖区内的各个环网柜内均设置监测主机，同时在各个环网柜内的主线出线、主线

入线、支线上的各相电缆上分别安装前端监测单元；

S3、将管理中心与各个监测主机相互连接，同一个环网柜内的监测主机和前端监测单元相互连接，不同的环网柜内的监测主机相互连接，进而构成自组网；在自组网中，通过不同的环网柜形成多个通信回路；且在每一条通信回路中选择一个监测主机作为主节点；其中，为每个前端监测单元配备唯一的MAC地址，新安装的前端监测单元主动向同一环网柜内的监测主机报告其MAC地址，监测主机将新增的前端监测单元的MAC地址在其显示终端上显示出来，并配给编号；

其中，当增设新的监测主机时，令该监测主机切换为从机模式，通过其自组网通信单元设定自身频点，并在自组网中寻找频点一致的其它处于主机模式的监测主机，寻找到频点一致的处于主机模式的监测主机后，加入对应的通信回路，并自动选择到达该通信回路中作为主节点的监测主机的最短传输路径；

S4、各个线缆上的前端监测单元基于电流监测线圈和采样电路，检测线缆的短路情况和单相接地故障并进行告警；同时，前端监测单元基于电流监测线圈和采样电路对线缆进行电流监测，当电流超过该线缆的设定值时，主动发出告警；此外，前端监测单元通过数字温度传感器监测线缆温度，监测主机监测环境湿度，当线缆温度对比环境温度超过温升设定值时，主动发出告警；

S5、前端监测单元将各个告警信息以及检测数据周期性发送至同一环网柜内的监测主机；

S6、监测主机通过环境传感单元采集环网柜内环境湿度；同一环网柜内的监测主机将各个前端监测单元所发送的数据与监测主机采集到的环境湿度统一打包处理，通过该监测主机所处的通信回路，将打包处理的数据发送至该通信回路中作为主节点的监测主机，再进一步传输至管理中心；

S7、管理中心通过监控管理单元实时呈现各个前端监测单元所发送的数据，当有 线缆线路故障时，发出报警信息并指示故障点，此外，管理中心通过监控管理单元进行历史数据的分析，提前排除潜在的故障点。