CN112526401A - 高压电缆综合在线监测及故障预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压电缆综合在线监测及故障预警系统，其包括独立的电源模块、数据采集模块、数据边缘计算和传输模块、故障预警模块；电源模块利用太阳能电池板与大容量锂电池组结合的方式为整个装置供电；数据采集模块可实现对电缆工井井盖、水位、气体的在线监测，数据边缘计算和传输模块以及故障预警模块对电缆运行数据进行收集处理，可以通过连续的数据监测发现电缆运行中微小的隐患，让运维人员及时处理，降低了电缆运维难度，保证电缆的运行安全。本发明的监测装置适用范围广，能够帮助运维人员及时发现高压电缆的运行缺陷，极大地降低了运维检修成本，缩短了故障停电时间，维护了电网稳定性。

Description

高压电缆综合在线监测及故障预警系统

技术领域

本发明涉及电力行业、电力电缆设备、电缆在线监测等领域，尤其是一种高压电缆综合在线监测及故障预警系统。

背景技术

为适应城市电网的建设和现代化企业的发展，保证供电系统的安全可靠，同时为了美化环境，节约线路走廊用地，城市中原本纵横交错的架空输电网络正逐渐被地下电缆供电系统所取代。随着电缆线路在输电线路中占比越来越高，电缆运维人员的任务越来越繁重，传统的人工电缆运维方式不仅成本高，而且不能及时发现电缆运行缺陷，已经不能满足电缆运维要求，因此实现电缆的在线监测变得尤为重要。

然而，近年来国内外高压电缆在线监测技术发展较为缓慢，推广范围较窄，主要由于该项技术一直存在三大难题。

(1)设备电源问题无法解决。目前电缆在线监测系统取电方式有低压电源供电和电流互感器取电两种，低压电源供电仅能用于隧道敷设的电缆，这极大地限制了设备的应用范围，电流互感器取电方式受限于电缆的运行情况，若电缆负荷低运行电流小则系统无法正常运行。

(2)缺少一种准确有效的电缆故障预测技术。电缆在线监测系统采集电流、温度、环境参数等实时数据的最终目的是对电缆运行状态进行评估发现电缆存在的隐患和缺陷，预测电缆故障，然而现有电缆故障预测技术准确度不高，电缆运行可靠性得不到保障。

(3)没有一种微功耗、高覆盖、安全性高的适用于电缆专业的数据传输方式。目前输电系统传输方式主要有两种，一种是采用无线公共流量GPRS、CDMA或4G传输，适用于远距离传输，但缺乏安全管控机制，信息安全存在风险，同时大量信息数据上传需要较大的工作电源；另一种是通过有线OPGW光缆传输，具有抗干扰性强、损耗低等特点，但成本较高，需要全范围敷设光纤网络。而高压电缆在线监测设备一般都安装在户外，无法长期满足以上两种方式的工作需求。

因此，亟需设计一种高压电缆综合在线监测系统，既能够采集到电缆运行状态数据和电缆运行环境数据，又能够有效解决以上三大难题，最终降低电缆运维成本，保障高压电缆的安全可靠运行。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种高压电缆综合在线监测及故障预警系统，其能够降低电缆运维成本，并保障高压电缆的安全可靠运行。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高压电缆综合在线监测及故障预警系统，包括独立的电源模块、数据采集模块、数据边缘计算和传输模块以及故障预警模块；

所述电源模块为整套监测及故障预警系统提供电源；

所述数据采集模块用于实时采集电缆运行状态数据和电缆运行环境数据；

所述数据边缘计算和传输模块利用物联网技术对所述数据采集模块所采集到的大量实时数据进行前端边缘计算，筛选出异常数据，并通过窄带物联网上传至后台服务器；

所述故障预警模块对所述数据边缘计算和传输模块上传的异常数据利用OMAAMF算法进行孤立点检测，检测出来的孤立点数据进入粗糙集运算系统，粗糙集运算系统自动将电缆故障数据库中与孤立点数据最为相似的故障数据挖掘出来，根据故障数据的类型确定电缆即将发生的电缆故障类型，并在第一时间向运维人员发出警报。

进一步地，所述窄带物联网的布置如下：NB-IoT传感器置于现场接地箱内，并与附近NB-IoT基站建立通信；向运营商申请NB-IoT专线，在室内放置符合GRE隧道的路由器，使该路由器与现场NB-IoT传感器组成NB-IoT专网，并在室内放置汇聚节点，汇聚节点的下行与NB-IoT专网组成网络、上行通过4G MQTT协议接入安全接入区，进而接入到后台服务器。

进一步地，所述电源模块包括太阳能电池板、大容量锂电池组和光伏控制器，其中所述太阳能电池板为所述大容量锂电池组充电，所述大容量锂电池组为整套监测及故障预警系统提供电源，所述光伏控制器控制所述大容量锂电池组的充放电并稳定所述大容量锂电池组的供电电压。

进一步地，所述数据采集模块包括五个监测单元，分别为电缆温度监测单元、电流监测单元、电缆工井井盖开合状态监测单元、电缆工井水位状态监测单元以及电缆工井气体监测单元，五个监测单元连接监测主机；其中，

所述电缆温度监测单元利用热电效应，能够连续产生与其长度所及范围内最高温度点温度相对应的毫伏信号，不仅能测定温度异变的幅度，而且能确定温度异变的地点，以达到测量电缆本体及接头温度的目的；

所述电流监测单元用于测取电缆的运行电流和接地电流是否符合要求；

所述电缆工井井盖开合状态监测单元用于监测井盖开合状态；

所述电缆工井水位状态监测单元用于监测工井水位高度并向系统反馈水位高度；

所述电缆工井气体监测单元用于监测工井内氧气、一氧化碳、硫化氢、二氧化碳的含量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.满足绝大多数高压电缆运行现场无可用低压工作电源环境的要求，利用太阳能电池板与大容量锂电池组结合的方式供电，稳定可靠，安全性高，即使连续的阴雨天气，系统也可以正常工作一周以上。

2.实现对高压电缆运行状态和运行环境全方位的监测，让运维人员不用前往现场即可知晓高压电缆的运行情况，满足智能化电网的需求；实现对电缆工井井盖、水位、气体的在线监测，保证了下井工作人员的人身安全。

3.打通了电缆专业物联网信息传输通道，对大量的运行数据进行前端处理，筛选出有效数据进行传输，大幅度降低了传输的数据量；窄带物联网的扩展应用克服了电缆专业设备环境恶劣、无可用传输工作电源，提供了一种微功耗、高覆盖、安全性强的数据传输方式。

4.故障预警模块对电缆运行数据进行收集处理，可以通过连续的数据监测发现电缆运行中微小的隐患，让运维人员及时处理，降低了电缆运维难度和运维成本，保证电缆的运行安全。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节来描述和解释本发明。

图1为本发明的整体结构分布示意图；

图2为本发明中电源模块的结构分布示意图；

图3为本发明中数据边缘计算和传输方式的示意图。

其中，1-太阳能电池板，2-大容量锂电池组，3-光伏控制器，4-RS485通讯接口，5-输出电压(Vout)。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细的说明：

如图1所示，本发明提供了一种高压电缆综合在线监测及故障预警系统(以下简称“本系统”)，主要包括四部分：独立的电源模块、数据采集模块、数据边缘计算和传输模块、故障预警模块。

1、独立的电源模块：该电源模块包括太阳能电池板1一块、大容量锂电池组2一组、光伏控制器3一个。

如图2所示，该电源模块的具体构成如下：

太阳能电池板1中PV组件：16V 80W；

大容量锂电池组2：12Vdc 50Ah；

大容量锂电池组2和光伏控制器3采用一体化封装；

RS485通讯接口4连接到监测主机，提供电源工作状态数据；

输出电压(Vout)5为本系统供电：

1)输出为监视主机供电，最大12V 1A；

2)输出为环流监测模块供电，最大12V 0.8A；

3)输出为传感器供电，最大12V 0.5A。

太阳能电池板1可以在光照条件下为大容量锂电池组2充电；大容量锂电池组2为本系统提供电源，充满电的情况下可以连续供本系统持续使用七天；光伏控制器3控制大容量锂电池组2的充放电，可以在大容量锂电池组2充满电的情况下断开与太阳能电池板1的连接，并稳定大容量锂电池组2的供电电压。

其中，大容量锂电池组2是容量为50AH磷酸铁锂电池(额定电压9-12.6V)，7天阴天能为系统持续提供电源。同时光伏控制器3起到控制电源及电压的作为，能向系统反馈电源状态。

2、数据采集模块：该模块包括电缆温度监测单元、电流监测单元、电缆工井井盖开合状态监测单元、电缆工井水位状态监测单元及电缆工井气体监测单元，五个监测单元连接监测主机。

其中，监测主机用USR-G780主机，采用的是IP68级防水外壳，通过简单的AT指令进行设置，即可轻松使用该主机实现各监测单元到后台服务器的双向数据透明传输。

电缆温度监测单元是利用利用热电效应，能够连续产生与其长度所及范围内最高温度点温度相对应的毫伏信号，不仅能测定温度异变的幅度，而且能确定温度异变的地点，达到测量电缆本体及接头温度的目的。具体地，电缆温度监测单元使用可测量电缆纵向温度的分布式温度传感器，使用单根光纤就可同时测量电缆多点故障时的温度，分布式温度传感器实时将电缆本体温度及接头温度传输给监测主机。

电流监测单元利用电流互感器测取电缆的运行电流和接地电流(接地电流仅适用于110千伏及以上高压电缆)是否符合要求。具体地，该电流监测单元采用ECS24-100电流互感器，该电流互感器变比50:5，测量范围0-100A，在三相电缆及三相接地缆上各装一组，实时将复合电流及接地电缆上传给监测主机。

电缆工井井盖开合状态监测单元利用红外漫反射传感器监测井盖开合状态，从而监测工井有无被非法开启。具体地，电缆工井井盖开合状态监测单元由两个漫反射红外探测仪和监测终端构成，当井盖被开启或破坏时，漫反射红外探测仪不能接受红外线，监测终端将井盖状态异常上传至监测主机。

电缆工井水位状态监测单元利用装在低中高三个不同高度的霍尔浮球传感器(水位传感器)监测工井水位高度，当工井水位没过水位传感器时向系统反馈水位高度，运维人员在水位过高时及时排水。具体地，电缆工井水位状态监测单元由三个霍尔浮球开关(霍尔浮球传感器或是水位传感器)和水位监测主机组成，水位传感器接口短路时有效，相应水位指示灯亮，开路时无效，相应水位指示灯灭。当出现水位传感器非正常时，水位监测主机会对传感器故障数据进行置位，可通过通讯判断水位传感器的工作状态。

电缆工井气体监测单元能够监测工井内氧气、一氧化碳、硫化氢、二氧化碳的含量，保障工井内工作人员的人身安全。具体地，电缆工井气体监测单元由气体测试仪和气体监测主机组成，气体测试仪使用电化学原理的传感器，可以监测工井内部氧气、一氧化碳、硫化氢、二氧化碳的含量，并由气体监测主机将数据反馈给监测主机。

3、数据边缘计算和传输模块：该模块主要包括边缘计算单元、NB-IoT传感器和汇聚节点(CPE)设备。边缘计算单元对日常数据进行前端边缘计算，从大量正常的运行数据中识别出异常数据后，将异常数据通过窄带物联网(NB-IoT)上传至后台服务器。NB-IoT传感器置于现场，与附近NB-IoT基站建立通信。向运营商申请NB-IoT专线(MPLS VPN+GRE),在室内放置符合GRE隧道的路由器，并使该路由器与现场NB-IoT传感器组成NB-IoT专网，并在室内放置汇聚节点(CPE)，汇聚节点(CPE)的下行与NB-IoT专网组成网络，汇聚节点(CPE)的上行通过4G MQTT协议接入安全接入区，进而接入到后台服务器。通过采用这种传输方式，克服了电缆专业设备环境恶劣、无可用传输工作电源、实时数据冗余等难题，打通了电缆专业物联网传输的技术路线。

4、故障预警模块：该模块对数据边缘计算和传输模块上传的异常数据利用OMAAMF算法进行孤立点检测，检测出来的孤立点数据进入粗糙集运算系统，粗糙集运算系统自动将电缆故障数据库中与孤立点数据最为相似的故障数据挖掘出来，根据故障数据的类型确定电缆即将发生的电缆故障类型，并在第一时间向运维人员发出警报。

故障预警模块布置在后台服务器中，属于后台数据处理软件。为保证信息安全性，后台数据处理软件采用用户权限识别的方式登录，在主界面实时显示电缆的运行状态和运行环境状态，并具有数据处理功能，通过长时间的数据采集预判电缆缺陷。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种高压电缆综合在线监测及故障预警系统，其特征在于，包括独立的电源模块、数据采集模块、数据边缘计算和传输模块以及故障预警模块；

所述电源模块为整套监测及故障预警系统提供电源；

所述数据采集模块用于实时采集电缆运行状态数据和电缆运行环境数据；

所述数据边缘计算和传输模块利用物联网技术对所述数据采集模块所采集到的大量实时数据进行前端边缘计算，筛选出异常数据，并通过窄带物联网上传至后台服务器；

所述故障预警模块对所述数据边缘计算和传输模块上传的异常数据利用OMAAMF算法进行孤立点检测，检测出来的孤立点数据进入粗糙集运算系统，粗糙集运算系统自动将电缆故障数据库中与孤立点数据最为相似的故障数据挖掘出来，根据故障数据的类型确定电缆即将发生的电缆故障类型，并在第一时间向运维人员发出警报。

2.根据权利要求1所述的高压电缆综合在线监测及故障预警系统，其特征在于，所述窄带物联网的布置如下：NB-IoT传感器置于现场接地箱内，并与附近NB-IoT基站建立通信；向运营商申请NB-IoT专线，在室内放置符合GRE隧道的路由器，使该路由器与现场NB-IoT传感器组成NB-IoT专网，并在室内放置汇聚节点，汇聚节点的下行与NB-IoT专网组成网络、上行通过4G MQTT协议接入安全接入区，进而接入到后台服务器。

3.根据权利要求1所述的高压电缆综合在线监测及故障预警系统，其特征在于，所述电源模块包括太阳能电池板、大容量锂电池组和光伏控制器，其中所述太阳能电池板为所述大容量锂电池组充电，所述大容量锂电池组为整套监测及故障预警系统提供电源，所述光伏控制器控制所述大容量锂电池组的充放电并稳定所述大容量锂电池组的供电电压。

4.根据权利要求1所述的高压电缆综合在线监测及故障预警系统，其特征在于，所述数据采集模块包括五个监测单元，分别为电缆温度监测单元、电流监测单元、电缆工井井盖开合状态监测单元、电缆工井水位状态监测单元以及电缆工井气体监测单元，五个监测单元连接监测主机；其中，

所述电缆温度监测单元利用热电效应，能够连续产生与其长度所及范围内最高温度点温度相对应的毫伏信号，不仅能测定温度异变的幅度，而且能确定温度异变的地点，以达到测量电缆本体及接头温度的目的；

所述电流监测单元用于测取电缆的运行电流和接地电流是否符合要求；

所述电缆工井井盖开合状态监测单元用于监测井盖开合状态；

所述电缆工井水位状态监测单元用于监测工井水位高度并向系统反馈水位高度；

所述电缆工井气体监测单元用于监测工井内氧气、一氧化碳、硫化氢、二氧化碳的含量。

Images