CN115277465A - 一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置及方法，包括线缆数据采集模块、数据处理模块、多频段通讯模块、远程监测模块和电源模块。线缆数据采集模块与数据处理模块相连，数据处理模块通过多频段通讯模块与远程监测模块无线通讯连接。电源模块分别与数据处理模块、线缆数据采集模块和多频段通讯模块相连。多频段通讯模块包含至少两个以上的通讯频段。本发明通过具有多频段通讯模块将采样数据发送至远程监测平台，在电缆发生故障或高频部分故障时，切换多频段通讯模块的通讯频段，通过变换所述多频段通讯的模块得到最大有效信息判据，保障装置基本的通讯链路，使得电缆状态在线监测变得更加稳定可靠。

Description

一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置及方法
技术领域
本发明涉及电力电缆状态监测技术领域，特别涉及一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置及方法。
背景技术
随着我国城市化进程的加快，高压电力电缆在输电系统中的作用越来越重要。然而，电力电缆在运行中因受多方面因素影响而经常出现如施工操作不当、水分浸入、外力破坏等故障。并且，由于电力电缆网络的日益复杂化，电缆的故障巡检和排查工作对于电缆运维管理部门造成了极大的工作压力。
近年来，电力系统供电可靠性和运行智能化的发展涌现出了丰富的电缆在线监测方法研究，如直流成分法、频域反射法等，但这些方法仍未在实际中得到广泛应用，其主要的限制原因在于：在工频稳态下测量的绝缘相关监测信号微弱、绝缘监测效果不佳，而人工扰动信号又会对电力系统造成额外的干扰。发展可靠的电缆状态在线监测方法仍是电网运行的迫切需求。
现有电缆监测方式主要有光纤测温、分布式物联网监测、离线监测等方式。专利CN202111350139.5提出一种基于光纤传感技术的海缆故障在线诊断定位方法，但其在电缆外破、光纤断线等故障发生时将失去监测功能，同时光纤难以在较大折角使用，供电困难。专利CN202110622557.9提出基于物联网技术的电缆通道监控智能型边缘代理装置，该装置设置于电子井盖、检测装置和监测装置处，并未提及地下信号通讯困难问题。现有的电缆状态在线监测水平底，无法提供稳定可靠的通讯监测服务,仅能够实现正常工作状态下户外信号传输。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置及方法，提高电缆状态在线监测可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，包括线缆数据采集模块、数据处理模块、多频段通讯模块、远程监测模块和电源模块；
所述线缆数据采集模块与所述数据处理模块相连，所述数据处理模块通过所述多频段通讯模块与所述远程监测模块无线通讯连接；
所述电源模块分别与所述数据处理模块、所述线缆数据采集模块和所述多频段通讯模块相连；
所述多频段通讯模块包含至少两个以上的通讯频段。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：
一种多频自愈合的电缆运行状态监测方法，应用于上述的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，包括如下步骤：
S1、获取线缆数据采集模块的采样数据；
S2、判断是否发生电缆故障或所述多频段通讯模块部分故障，若是，则切换所述多频段通讯模块当前使用的通讯频段为可用的通讯频段，上传所述采样数据；
S3、通过变换所述多频段通讯模块的通讯频率、相位或分模块，得到最大有效信息判据Kmax，固定该判据下通讯频率、相位或分模块的通讯方式，完成电缆运行状态检测效果最优化；
其中，所述有效信息流判据的计算过程如下：
设电压监测节点数量A1，加权量P1；
电流监测节点数量A2，加权量P2；
温度监测节点数量A3，加权量P3；
视频监测节点数量A4，加权量P4；
局放监测节点数量A5，加权量P5；
所述有效信息流判据：
Figure BDA0003642831570000021
其中，i＝{1，2，3，4，5}，Ai为整数，Pi为0-1任一小数。
本发明的有益效果在于：提供一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置及方法，通过具有多频段通讯模块将线缆数据采集模块的采样数据发送至远程监测平台，在电缆发生故障或多频段通讯模块的高频部分故障时，切换多频段通讯模块的通讯频段并继续上传采样数据，通过变换多频段通讯模块的通讯频率、相位或分模块，完成电缆运行状态检测效果最优化，从而在电缆故障时保障装置基本的通讯链路，使得电缆状态在线监测变得更加稳定可靠。
附图说明
图1为本发明实施例的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置的系统框图；
图2为本发明实施例涉及的一种多频自愈合的电缆运行状态监测方法的步骤示意图。
图3为本发明实施例涉及的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置的自组网星形、网状、多网格通讯结构示意图；
图4为本发明实施例涉及的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置的多频段通讯模块之间的通讯链路示意图。
标号说明：
1、线缆数据采集模块；2、数据处理模块；3、多频段通讯模块；4、远程监测模块；5、电源模块；6、运算放大器；7、模数采样模块；8、视频监控模块；9、电流采样模块；10、局放监测模块；11、电压采样模块；12、温度监测模块；13、控制模块；14、显示模块；15、外设接口。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1、图3和图4，一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，包括线缆数据采集模块1、数据处理模块2、多频段通讯模块3、远程监测模块4和电源模块5；
所述线缆数据采集模块1与所述数据处理模块2相连，所述数据处理模块2通过所述多频段通讯模块3与所述远程监测模块4无线通讯连接；
所述电源模块5分别与所述数据处理模块2、所述线缆数据采集模块1和所述多频段通讯模块3相连；
所述多频段通讯模块3包含至少两个以上的通讯频段。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过具有多频段通讯模块3将线缆数据采集模块1的采样数据发送至远程监测平台，在电缆发生故障或多频段通讯模块3部分故障时，切换多频段通讯模块3的通讯频段并继续上传采样数据，从而在电缆故障时保障装置基本的通讯链路，使得电缆状态在线监测变得更加稳定可靠。
进一步地，所述多频段通讯模块3包括组网切换模块、高频收发模块和低频收发模块；
所述数据处理模块2与所述组网切换模块相连；
所述组网切换模块分别通过所述高频收发模块和低频收发模块与所述远程监测模块4无线通讯连接。
从上述描述可知，设置高频收发模块和低频收发模块两种通讯方式，通过组网切换模块进行切换，以便于对采样数据的内容进行分频段通讯传输。
进一步地，两个以上的所述高频收发模块之间为网状的无线通讯连接结构，两个以上的所述低频收发模块之间为链状和星形结合的无线通讯连接结构。
从上述描述可知，高频收发模块之间为网状的无线通讯连接结构，具有较大的通讯覆盖范围，缓解地下电缆状态监测的监测压力，而低频收发模块之间为链状和星形结合的无线通讯连接结构，不仅能够提高通讯可靠性，还能够延伸长度，保证采样数能够远程稳定传输。
进一步地，所述数据处理模块2包括运算放大器6和模数采样模块7；
所述运算放大器6分别与所述线缆数据采集模块1和所述模数采样模块7相连；
所述模数采样模块7通过所述多频段通讯模块3与远程监测模块4无线通讯连接。
从上述描述可知，利用运算放大器6对线缆数据采集模块1的采样数据进行放大处理，通过模数采样模块7对采样数据进行模数转化，以便于进行无线通信传输和数据分析。
进一步地，所述多频段通讯模块3包括多跳网格网络通讯模块、紫蜂网络通讯模块、蓝牙通讯模块以及LoRa模块中的至少一个；
所述多跳网络通讯模块、所述紫蜂网络通讯模块、所述蓝牙通讯模块以及所述LoRa模块的通讯频率为1Mhz-6Ghz。
进一步地，所述多频段通讯模块3为可切换通讯频率单一通讯协议模块，通讯频率从1Mhz-6Ghz可切换。
从上述描述可知，多频段通讯模块3具有多跳网络、紫蜂网络以及蓝牙通讯等多种无线通讯方式，其功能多样，实用性强，有助于保障基本的通信链路。
进一步地，所述线缆数据采集模块1包括视频监控模块8、电流采样模块9、局放监测模块10、电压采样模块11和温度监测模块12。
从上述描述可知，线缆数据采集模块1包含有视频监控模块8、电流采样模块9等多种类别的数据监测功能，可对电缆进行更加全面的状态监测，提高电力检修速度。
进一步地，所述远程监测模块4包括控制模块13、显示模块14和外设接口15；
所述控制模块13分别与所述多频段通讯模块3、所述显示模块14和所述外设接口15相连。
从上述描述可知，远程监测模块4配设有显示模块14，用于显示采样数据，便于检测人员直观了解电缆的运行状态。外设接口15可供人们调取数据，使用方便。
进一步地，所述电源模块5包括电池供电模块、太阳能供电模块和无线感应供电模块中至少一个。
从上述描述可知，电源模块5具有电池供电、太阳能供电和无线感应供电等多种供电方式，以便于在电缆故障时保障装置的基本供电，维持数据传输。
请参照图2，一种多频自愈合的电缆运行状态监测方法，应用于上述的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，包括如下步骤：
S1、获取线缆数据采集模块1的采样数据；
S2、判断是否发生电缆故障或所述多频段通讯模块3部分故障，若是，则切换所述多频段通讯模块3当前使用的通讯频段为可用的通讯频段，上传所述采样数据；
S3、通过变换所述多频段通讯模块的通讯频率、相位或分模块，得到最大有效信息判据Kmax，固定该判据下通讯频率、相位或分模块的通讯方式，完成电缆运行状态检测效果最优化；
其中，所述有效信息流判据的计算过程如下：
设电压监测节点数量A1，加权量P1；
电流监测节点数量A2，加权量P2；
温度监测节点数量A3，加权量P3；
视频监测节点数量A4，加权量P4；
局放监测节点数量A5，加权量P5；
所述有效信息流判据：
Figure BDA0003642831570000061
其中，i＝{1，2，3，4，5}，Ai为整数，Pi为0-1任一小数。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过具有多频段通讯模块3将线缆数据采集模块1的采样数据发送至远程监测平台，在电缆发生故障或多频段通讯模块3部分故障时，切换多频段通讯模块3的通讯频段并继续上传采样数据，通过变换多频段通讯模块3的通讯频率、相位或分模块，完成电缆运行状态检测效果最优化，，从而在电缆故障时保障装置基本的通讯链路，使得电缆状态在线监测变得更加稳定可靠。
进一步地，所述步骤S2具体为：
判断是否发生电缆故障或所述多频段通讯模块3的高频部分故障，若是，则采用所述低频收发模块上传所述采样数据；否则通过组网切换模块以高频收发模块为主，低频收发模块为辅的方式上传所述采样数据。
从上述描述可知，在正常情况下使用以高频收发模块为主的数据传输方式，而当电缆故障或多频段通讯模块3部分故障时，采用低频收发模块作为主要的传输方式，从而实现通讯线路的自愈合不间断传输。
本发明的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置及方法能够适用于的电缆状态监测的场景，以下通过具体的实施方式进行说明：
请参照图1、图3和图4，本发明的实施例一为：
一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，如图1所示，包括线缆数据采集模块1、数据处理模块2、多频段通讯模块3、远程监测模块4和电源模块5。其中，多频段通讯模块3包括组网切换模块、高频收发模块和低频收发模块。线缆数据采集模块1与数据处理模块2相连，数据处理模块2通过多频段通讯模块3与远程监测模块4无线通讯连接。数据处理模块2与组网切换模块相连。组网切换模块分别通过高频收发模块和低频收发模块与远程监测模块4无线通讯连接。
在本实施例中，如图3所示，为了进一步地提高通信质量，两个以上的高频收发模块之间为网状的或多网格的无线通讯连接结构，两个以上的低频收发模块之间为链状和星形结合的无线通讯连接结构。
在本实施例中，数据处理模块2包括运算放大器6和模数采样模块7。运算放大器6分别与线缆数据采集模块1和模数采样模块7相连。模数采样模块7通过多频段通讯模块3与远程监测模块4无线通讯连接。
在本实施例中，多频段通讯模块3包括多跳网络通讯模块、紫蜂网络通讯模块、蓝牙通讯模块以及LoRa模块中的至少一个。其中，多跳网络通讯模块、紫蜂网络通讯模块、蓝牙通讯模块以及LoRa模块的通讯频率为1Mhz-6Ghz。并且，以通信频率小于或等于1Ghz的通讯模块作为低频收发模块，而在1Ghz至6Ghz之间的通讯模块作为高频收发模块。
在本实施例中，如图1所示，线缆数据采集模块1包括视频监控模块8、电流采样模块9、局放监测模块10、电压采样模块11和温度监测模块12。在其他等同实施例中，线缆数据采集模块1还可以包括采样环境水位等其他数据的模块。并且，视频监控模块8、电流采样模块9、局放监测模块10和电压采样模块11使用高频收发模块进行传输，而温度监测模块12和一些对采样数据的判断结果使用低频收发模块进行传输。
在本实施例中，如图1所示，远程监测模块4包括控制模块13、显示模块14和外设接口15。控制模块13分别与多频段通讯模块3、显示模块14和外设接口15相连。
在本实施例中，电源模块5分别与数据处理模块2、线缆数据采集模块1和多频段通讯模块3相连。并且，为了保障装置的基本用电，电源模块5包括电池供电模块、太阳能供电模块和无线感应供电模块中至少一个。
如图4所示，其中数字1-5为电缆节点，3点为分支接头，分支电缆3.1、3.2、3.3。字母A-F为多频段通讯模块3，较密的线显示高频信号，用于传输视频、图像、局部放电以及电流参数；较疏虚的线表示低频信号，用于传输电缆电压和温度信号。当关键电缆3.1节点因故障断开，传统在线监测装置即失去3.1之所有信息，但是本装置可通过低频信号中继，通过检测F、E点数据精准判断故障范围在EF之间，提高在线监测可靠性，延长监测距离。
请参照图2，本发明的实施例二为：
一种多频自愈合的电缆运行状态监测方法，应用于实施例一的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，如图2所示，包括如下步骤：
S1、获取线缆数据采集模块1的采样数据；
在本实施例中，利用运算放大器6对采样数据进行放大处理，再通过模数转换模块转换成数字信号。
S2、判断是否发生电缆故障或所述多频段通讯模块3部分故障，若是，则切换所述多频段通讯模块3当前使用的通讯频段为可用的通讯频段，上传所述采样数据。
S3、通过变换所述多频段通讯模块3的通讯频率、相位或分模块，得到最大有效信息判据Kmax，完成电缆运行状态检测效果最优化；
其中，所述有效信息流判据的计算过程如下：
设电压监测节点数量A1，加权量P1；
电流监测节点数量A2，加权量P2；
温度监测节点数量A3，加权量P3；
视频监测节点数量A4，加权量P4；
局放监测节点数量A5，加权量P5；
有效信息流判据：
Figure BDA0003642831570000091
其中，i＝{1，2，3，4，5}，Ai为整数，Pi为0-1任一小数。
在本实施例中，优选地，P1＝0.3；P2＝0.3；P3＝0.2；P4＝0.1；P5＝0.1。
在本实施例中，步骤S2具体为：
判断是否发生电缆故障或所述多频段通讯模块3的高频部分故障，若是，则采用所述低频收发模块上传所述采样数据；否则通过组网切换模块以高频收发模块为主，低频收发模块为辅的方式上传所述采样数据。
综上所述，本发明提供的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置及方法，通过具有多频段通讯模块将线缆数据采集模块的采样数据发送至远程监测平台，在平常使用以高频收发模块作为主要电缆运行状态监测传输方式，在电缆发生故障或多频段通讯模块的高频部分故障时，切换为低频收发模块作为状态监测传输方式，并且设置了紫蜂、蓝牙等多种无线通讯方式，配设有电池、太阳能等多种供电方式，从而在电缆故障时保障装置基本的通讯链路，使得电缆状态在线监测变得更加稳定可靠。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，其特征在于，包括线缆数据采集模块、数据处理模块、多频段通讯模块、远程监测模块和电源模块；
所述线缆数据采集模块与所述数据处理模块相连，所述数据处理模块通过所述多频段通讯模块与所述远程监测模块无线通讯连接；
所述电源模块分别与所述数据处理模块、所述线缆数据采集模块和所述多频段通讯模块相连；
所述多频段通讯模块包含至少两个以上的通讯频段。
2.根据权利要求1所述的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，其特征在于，所述多频段通讯模块包括组网切换模块、高频收发模块和低频收发模块；
所述数据处理模块与所述组网切换模块相连；
所述组网切换模块分别通过所述高频收发模块和低频收发模块与所述远程监测模块无线通讯连接。
3.根据权利要求2所述的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，其特征在于，两个以上的所述高频收发模块之间为网状的无线通讯连接结构，两个以上的所述低频收发模块之间为链状和星形结合的无线通讯连接结构。
4.根据权利要求1所述的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，其特征在于，所述数据处理模块包括运算放大器和模数采样模块；
所述运算放大器分别与所述线缆数据采集模块和所述模数采样模块相连；
所述模数采样模块通过多频段通讯模块与所述远程监测模块无线通讯连接。
5.根据权利要求1所述的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，其特征在于，所述多频段通讯模块包括多跳网络通讯模块、紫蜂网络通讯模块、蓝牙通讯模块以及LoRa模块中的至少一个；
所述多跳网络通讯模块、所述紫蜂网络通讯模块、所述蓝牙通讯模块以及所述LoRa模块的通讯频率为1Mhz-6Ghz。
6.根据权利要求2所述的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，其特征在于，所述线缆数据采集模块包括视频监控模块、电流采样模块、局放监测模块、电压采样模块和温度监测模块。
7.根据权利要求1所述的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，其特征在于，所述远程监测模块包括控制模块、显示模块和外设接口；
所述控制模块分别与所述多频段通讯模块、所述显示模块和所述外设接口相连。
8.根据权利要求1所述的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，其特征在于，所述电源模块包括电池供电模块、太阳能供电模块和无线感应供电模块中至少一个。
9.一种多频自愈合的电缆运行状态监测方法，应用于权利要求1至8任一所述的一种多频自愈合的电缆运行状态监测装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取线缆数据采集模块的采样数据；
S2、判断是否发生电缆故障或所述多频段通讯模块部分故障，若是，则切换所述多频段通讯模块当前使用的通讯频段为可用的通讯频段，上传所述采样数据；
S3、通过变换所述多频段通讯模块的通讯频率、相位或分模块，得到最大有效信息判据，完成电缆运行状态检测效果最优化；
其中，所述有效信息流判据的计算过程如下：
设电压监测节点数量A1，加权量P1；
电流监测节点数量A2，加权量P2；
温度监测节点数量A3，加权量P3；
视频监测节点数量A4，加权量P4；
局放监测节点数量A5，加权量P5；
所述有效信息流判据：
Figure FDA0003642831560000021
其中，i＝{1，2，3，4，5}，Ai为整数，Pi为0-1任一小数。
10.根据权利要求9所述的一种多频自愈合的电缆运行状态监测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
判断是否发生电缆故障或所述多频段通讯模块的高频部分故障，若是，则采用所述低频收发模块上传所述采样数据；否则通过组网切换模块以高频收发模块为主，低频收发模块为辅的方式上传所述采样数据。
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