CN111077421A - 一种电缆线路智能运检系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电缆线路智能运检系统，包括总控制端以及分别通过无线监测装置与所述总控制端连接的局部放电检测系统、无线传感器系统和巡检机器人系统；所述局部放电检测系统MCU以及与所述MCU分别连接的超声波法局部放电检测电路和脉冲电流法局部放电检测电路；所述无线传感器系统内无线传感器集成国密SM1算法模块，在无线通信的设备之间进行身份认证和信息加密；所述巡检机器人系统在轨道边缘定点设置传感器，内设有图像处理系统完成图像处理工作后将数据上传至总控制端。本发明实现智能巡检，有效提升电缆线路运行水平和运检效率及效益，确保电缆线路的安全可靠运行。

Description

一种电缆线路智能运检系统
技术领域
本发明属于电网检测技术领域，具体涉及一种电缆线路智能运检系统。
背景技术
目前电缆在运行中的监控主要通过值班员日常巡视和远程视频监控实现，而日常巡 视的时效性非常差，监控手段单一，无法在线监测电缆工作状态和管廊内的环境状态，对于电缆发生故障、火灾以及运行过程中的不安全隐患难以及时发现。
由于现场存在环境复杂，通信资源匮乏、供电困难等问题，导致当前的综合监控系统存在电缆运行参数和环境参数监测手段较少、系统运行效率较低、故障诊断精度有待 进一步提升以及智能化程度偏低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电缆线路智能运检系统，实现智能巡检，有效提升电缆线 路运行水平和运检效率及效益，确保电缆线路的安全可靠运行。
本发明提供了如下的技术方案：
一种电缆线路智能运检系统，包括总控制端以及分别通过无线监测装置与所述总控 制端连接的局部放电检测系统、无线传感器系统和巡检机器人系统；
所述局部放电检测系统MCU以及与所述MCU分别连接的超声波法局部放电检测电路 和脉冲电流法局部放电检测电路，两电路获取的信号进入MCU进行小波自适应算法处理， 判断是否存在局部放电现象，当两种方法都判定出是局部放电信号后，确认出现局部放 电信号，当系统检测出局部放电信号后，将判断为局放的数据通过MCU传送至无线检测装置并将数据最终传输至总控制端；
所述无线传感器系统内无线传感器集成国密SM1算法模块，无线基站集成SM1、SM2算法模块，无线监测装置和集成SM1、SM2的密码机实时通信，利用国密SM7、SM1、SM2 算法模块，在无线通信的设备之间进行身份认证和信息加密；
所述巡检机器人系统在轨道边缘定点设置传感器，当机器人经过该点时，安装在机 器人上的传感器自动识别该位置传感器的位置信息，从而刷新机器人的位置信息，当机器人经过定位点后，通过伺服电机编码器的反馈信号和摩擦轮直径计算机器人的行进距离，计算机器人的实时位置；所述巡检机器人内设有图像处理系统完成图像处理工作后 将数据上传至总控制端。
优选的，所述超声波法局部放电检测电路包括依次连接的超声波探头、低通滤波电 路、高通滤波电路、放大电路和AD采样电路，所述AD采样电路连接所述MCU，超声波 探头接收的信号先通过低通滤波电路，设置截止频率为150KHZ，当信号通过高通滤波器 设置频率为50KHZ，信号放大后经过AD采样电路转换成数字量后进入MCU进行小波自适 应算法处理，判断是否存在局部放电现象。
优选的，所述脉冲电流法局部放电检测电路包括依次连接的PCB型罗氏线圈、积分器、低通滤波电路、高通滤波电路、放大电路和AD采样电路，所述AD采样电路连接所 述MCU，利用PCB型罗氏线圈采集的信号经过积分电路后，利用低通滤波电路和高通滤 波电路获取50KHZ—150KHZ的信号，经过放大电路后通过AD采样后进入MCU通过小波 变换算法分析是否存在局部放电现象。
优选的，局放检测系统采用电流互感器通过电缆取电，通过电流互感器二次侧输出 的电流经过整流电路变为直流，通过二极管控制输入电压为3.3V以下，使用ADP5091 芯片实现能量转换。
优选的，局部放电检测系统MCU软件部分为小波自适应算法识别局部放电信号出现 的时间、幅值和频率，当超声波法和脉冲电流法采集到的信号通过两个ADC通道转换位数字信号后，进入MCU通过小波自适应算法同时分析信号的时间、幅值以及频率，当分 析结果都判定为局部放电时则认为是局部放电信号，如果两组信号的分析结果不一致则 认为不是局部放电信号，识别出局部放电后将数据传输至总控制端，判定为不是局部放 电信号的数据只存储不传输至总控制端。
优选的，所述图像处理系统包括集成ARM Cortex-A8内核的S5PV210嵌入式处理器、 512M的DDR2 RAM，4片256M的Nand Flash，SD卡模块、RS232模块、RS485模块、USB Host模块、CCD摄像头模块和4.3寸触摸屏，集成ARM Cortex-A8内核的S5PV210嵌入 式处理器通过CCD摄像头采集图像，并对图像进行处理后将信息通过RS485总线传送给 总控制端。
优选的，远程操控机器人通过搭建服务器通过互联网建立上位机与总控制端的联系，通信方式采用GPRS、NB-loT、3G、4G以及直接通过工作站的互联网连接设备。
本发明的有益效果是：本系统将超声波法与脉冲电流法相结合制作电力电缆中间接 头局部放电检测系统，将脉冲电流法的简单实用、价格实惠与超声波传感器抗电磁干扰强的特点结合，以应对越来越复杂的环境、电缆密度越来越高、距离越来越长、监测内 容和精度不断增长的需要；利用巡检机器人电缆线路智能巡检技术，推动了智能电网信 息化、自动化、互动化的进程，提高电网状态检修的管理水平，最大限度降低电网事故 的发生；系统为远景电缆线路大规模入廊提供了安全运行的技术保障，增强对隧道内工 作人员的人身安全保障，并通过远程智能的管理办法和操作方式降低人员成本，提高了 隧道内应急处理的响应时间，有效避免电力仓对管廊其他管线的影响，对综合管廊大规 模应用有巨大的推动作用。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施 例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明整体系统结构示意图；
图2是本发明局部放电检测系统结构示意图；
图3是本发明局部放电检测系统运行流程示意图；
图4是本发明巡检机器人图像识别系统硬件结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种电缆线路智能运检系统，包括总控制端以及分别通过无线监测装置与所述总控制端连接的局部放电检测系统、无线传感器系统和巡检机器人系统；
所述局部放电检测系统MCU以及与所述MCU分别连接的超声波法局部放电检测电路 和脉冲电流法局部放电检测电路，两电路获取的信号进入MCU进行小波自适应算法处理， 判断是否存在局部放电现象，当两种方法都判定出是局部放电信号后，确认出现局部放 电信号，当系统检测出局部放电信号后，将判断为局放的数据通过MCU传送至无线检测装置并将数据最终传输至总控制端；
所述无线传感器系统内无线传感器集成国密SM1算法模块，无线基站集成SM1、SM2算法模块，无线监测装置和集成SM1、SM2的密码机实时通信，利用国密SM7、SM1、SM2 算法模块，在无线通信的设备之间进行身份认证和信息加密；
所述巡检机器人系统在轨道边缘定点设置传感器，当机器人经过该点时，安装在机 器人上的传感器自动识别该位置传感器的位置信息，从而刷新机器人的位置信息，当机器人经过定位点后，通过伺服电机编码器的反馈信号和摩擦轮直径计算机器人的行进距离，计算机器人的实时位置；所述巡检机器人内设有图像处理系统完成图像处理工作后 将数据上传至总控制端。
具体的，如图2所示，脉冲电流法与超声波法相结合的电缆中间接头局部放电监测系统硬件部分主要包括：超声波传感器、滤波电路、AD采样电路、MCU、射频模块、放 大电路、PCB型罗氏线圈等，检测系统整体原理结构如图2所示。使用超声波法检测局 部放电信号时超声波探头接收的信号先通过低通滤波电路，设置截止频率为150KHZ，当 信号通过高通滤波器设置频率为50KHZ，因为获取的信号十分微弱所以需要经过放大电 路放大，信号放大后经过AD采样电路转换成数字量后进入MCU进行小波自适应算法处 理，判断是否存在局部放电现象。使用脉冲电流法检测局部放电信号时利用PCB型罗氏 线圈采集的信号经过积分电路后，利用低通滤波电路和高通滤波电路获取50KHZ— 150KHZ的信号，经过放大电路后通过AD采样后进入MCU通过小波变换算法分析是否存 在局部放电现象。当两种方法都判定出是局部放电信号后，确认出现局部放电信号。为 了实现边缘计算，当系统检测出局部放电信号后，将判断为局放的数据通过MCU与射频 模块的通讯端口传送至射频模块并将数据传输至基站最终传输至监控中心，其余的数据 则不进行传输只存储在存储器中。为了节省能源，局放检测系统采用电流互感器通过电 缆取电，通过电流互感器二次侧输出的电流经过整流电路变为直流，通过二极管控制输 入电压为3.3V以下，使用ADP5091芯片实现能量转换，为检测系统提供合适的电压供 电并使系统稳定工作。
局部放电检测系统软件部分为小波自适应算法识别局部放电信号出现的时间、幅值 和频率，当超声波法和脉冲电流法采集到的信号通过两个ADC通道转换位数字信号后，进入MCU通过小波自适应算法同时分析信号的时间、幅值以及频率，当分析结果都判定 为局部放电时则认为是局部放电信号，如果两组信号的分析结果不一致则认为不是局部 放电信号，识别出局部放电后将数据传输至数据中心，判定为不是局部放电信号的数据 只存储不传输至数据中心。局部放电检测系统软件程序流程图如图3所示。
如图4所示，巡检机器人在实际工作中，需要实现定位并反馈其工作位置，当需要其前往特定位置作业时，也需其具有较强的定位功能。采用GPS定位方式由于信号传输 受限且定位精度较低，无法满足机器人的定位和导航。现较多巡检机器人采用的基于ROS 系统机器人导航技术，采用图像方式进行工作区域建模及自导航，由于管廊内各路段形 貌一致性较高，可能有较高的误识别率，故本方案采用传感器识别的方式进行定位导航。 轨道边缘定点设置传感器，当机器人经过改点时，安装在机器人上的传感器自动识别该 位置传感器的位置信息，从而刷新机器人的位置信息，当机器人经过定位点后，通过伺 服电机编码器的反馈信号和摩擦轮直径计算机器人的行进距离，计算机器人的实时位 置。当通过下一个定位点时再次刷新位置，消除编码器位置计算产生的累积误差。同时 通过定点安置位置信息的方式，使得机器人出现故障或丢失位置信息后能快速重定位， 找回准确的绝对位置信息。
其图像处理系统包括集成ARM Cortex-A8内核的S5PV210嵌入式处理器、512M的DDR2 RAM，4片256M的Nand Flash，SD卡模块、RS232模块、RS485模块、USB Host 模块、CCD摄像头模块和4.3寸触摸屏。图像识别系统的基本工作流程是集成ARM Cortex-A8内核的S5PV210嵌入式处理器通过CCD摄像头采集图像，并对图像进行处理 后将信息通过RS485总线传送给主控制模块。
巡检机器人远程通讯方案，在每个工作段设置上位机，上位机可以对机器人进行直 接控制，同时也可以作为通讯的桥梁建立总控制端与机器人之间的远程操控。每个机器人工作期间可以自由移动，故工作现场的通信采用无线通信方式设计思路，上位机与机 器人之间通过无线数据传输模块进行通信。机器人工作在强电磁环境下，需要对环境信 号干扰和无线数据传输模块的稳定性、抗干扰性进行研究，通过模拟工作环境，测试无 线数据传输模块性能，确定最优的发射功率、传输带宽，实现机器人与上位机之间的稳 定通信。可以采用APC240无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片 sx1212。采用高效的循环交织纠检错编码，有较好抗干扰和灵敏度。要实现远程操控机 器人需要建立上位机与总控制端通信，故考虑通过搭建服务器通过互联网建立上位机与 总控制端的联系，通信方式可采用GPRS、NB-loT(例如现有的部分共享单车采用的一种 通信方式)、3G、4G以及直接通过工作站的互联网连接设备等等。其中GPRS、NB-loT 带宽较小，传输速率不能满足同时传输含视频、图片、控制指令等大量信息的要求，3G、 4G通信成本较高。故可以选择通过工作站的互联网连接设备进行与服务器的连接，从而 实现上位机与总控制端的数据交换。上位机软件需要对机器人进行视频监控和手动控 制，与总控制端通信，总控制端软件需要实现对机器人进行远程操控。研究设置服务器 防火墙并对控制软件之间交换的数据进行加密，实现上位机软件和总控制端软件安全通 信。
巡检机器人的单次续航及长期供电方案：由于巡检机器人在隧道内运行距离很长， 故无法使用有线的方式为设备供电。本方案采用锂电池供电，实时监控剩余电量，定点返回充电的方式确保设备有较长的单次工作时间和无需人工干预的长期续航方式。考虑到巡检机器人工作位置的不确定性，每个工作段配置的单台巡检机器人需要配合多个充电桩，以免机器人当前工作位置离充电地点过远，导致其在来回充电的路上消耗过多电量。故本方案实施时，需在巡检机器人工作的电缆隧道内等间距布置巡检机器人充电桩，当巡检机器人电量不足30％时，系统自动控制巡检机器人停止当前作业并前往最近的充电地点进行充电。机器人充电时，充电桩与机器人之间采用传感器辅助定位和机械引导 并限位的方式，确保充电时触点有效接触。
如图1所示，系统整体通过无线监测装置IED，将变电站物联网感知终端获取的各类信息安全接入到变电设备状态监测系统中，无线传感器集成国密SM1算法模块，无线 基站集成SM1、SM2算法模块，IED和集成SM1、SM2的密码机实时通信。利用国密SM7、 SM1、SM2算法模块，可以在无线通信的设备之间进行身份认证和信息加密，保障信息安 全。
本发明解决后续电缆线路在综合管廊电力仓内大规模敷设的安全运行监测的迫切 问题，实现智能巡检，有效提升电缆线路运行水平和运检效率及效益，确保入廊电缆线路的安全可靠运行，有利于提高电缆线路运行管理现代化水平。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施 例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。

Claims (7)

1.一种电缆线路智能运检系统，其特征在于，包括总控制端以及分别通过无线监测装置与所述总控制端连接的局部放电检测系统、无线传感器系统和巡检机器人系统；
所述局部放电检测系统MCU以及与所述MCU分别连接的超声波法局部放电检测电路和脉冲电流法局部放电检测电路，两电路获取的信号进入MCU进行小波自适应算法处理，判断是否存在局部放电现象，当两种方法都判定出是局部放电信号后，确认出现局部放电信号，当系统检测出局部放电信号后，将判断为局放的数据通过MCU传送至无线检测装置并将数据最终传输至总控制端；
所述无线传感器系统内无线传感器集成国密SM1算法模块，无线基站集成SM1、SM2算法模块，无线监测装置和集成SM1、SM2的密码机实时通信，利用国密SM7、SM1、SM2算法模块，在无线通信的设备之间进行身份认证和信息加密；
所述巡检机器人系统在轨道边缘定点设置传感器，当机器人经过该点时，安装在机器人上的传感器自动识别该位置传感器的位置信息，从而刷新机器人的位置信息，当机器人经过定位点后，通过伺服电机编码器的反馈信号和摩擦轮直径计算机器人的行进距离，计算机器人的实时位置；所述巡检机器人内设有图像处理系统完成图像处理工作后将数据上传至总控制端。
2.根据权利要求1所述的一种电缆线路智能运检系统，其特征在于，所述超声波法局部放电检测电路包括依次连接的超声波探头、低通滤波电路、高通滤波电路、放大电路和AD采样电路，所述AD采样电路连接所述MCU，超声波探头接收的信号先通过低通滤波电路，设置截止频率为150KHZ，当信号通过高通滤波器设置频率为50KHZ，信号放大后经过AD采样电路转换成数字量后进入MCU进行小波自适应算法处理，判断是否存在局部放电现象。
3.根据权利要求1所述的一种电缆线路智能运检系统，其特征在于，所述脉冲电流法局部放电检测电路包括依次连接的PCB型罗氏线圈、积分器、低通滤波电路、高通滤波电路、放大电路和AD采样电路，所述AD采样电路连接所述MCU，利用PCB型罗氏线圈采集的信号经过积分电路后，利用低通滤波电路和高通滤波电路获取50KHZ—150KHZ的信号，经过放大电路后通过AD采样后进入MCU通过小波变换算法分析是否存在局部放电现象。
4.根据权利要求1所述的一种电缆线路智能运检系统，其特征在于，局放检测系统采用电流互感器通过电缆取电，通过电流互感器二次侧输出的电流经过整流电路变为直流，通过二极管控制输入电压为3.3V以下，使用ADP5091芯片实现能量转换。
5.根据权利要求1所述的一种电缆线路智能运检系统，其特征在于，局部放电检测系统MCU软件部分为小波自适应算法识别局部放电信号出现的时间、幅值和频率，当超声波法和脉冲电流法采集到的信号通过两个ADC通道转换位数字信号后，进入MCU通过小波自适应算法同时分析信号的时间、幅值以及频率，当分析结果都判定为局部放电时则认为是局部放电信号，如果两组信号的分析结果不一致则认为不是局部放电信号，识别出局部放电后将数据传输至总控制端，判定为不是局部放电信号的数据只存储不传输至总控制端。
6.根据权利要求1所述的一种电缆线路智能运检系统，其特征在于，所述图像处理系统包括集成ARM Cortex-A8内核的S5PV210嵌入式处理器、512M的DDR2 RAM，4片256M的NandFlash，SD卡模块、RS232模块、RS485模块、USB Host模块、CCD摄像头模块和4.3寸触摸屏，集成ARM Cortex-A8内核的S5PV210嵌入式处理器通过CCD摄像头采集图像，并对图像进行处理后将信息通过RS485总线传送给总控制端。
7.根据权利要求1所述的一种电缆线路智能运检系统，其特征在于，远程操控机器人通过搭建服务器通过互联网建立上位机与总控制端的联系，通信方式采用GPRS、NB-loT、3G、4G以及直接通过工作站的互联网连接设备。
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