徐子峻，孙志鸿，游小华，徐宏斌，谢 维，陈朝晖
（国网福建省电力有限公司厦门供电公司，福建 厦门 361000）
电力电缆作为电网供电设施，具备安全、稳定、美观等优点，越来越多被应用于日常电网设施建设和运维工作中。随着电力电缆大规模投运，对电缆安全运行、事故预防工作的要求也越来越高。电力电缆的防盗主要是电缆附属的接地线和引流线的防盗。高压电缆载波防盗装置是一种专门针对电力电缆接地线和引流线的全新智能防盗系统，该系统采用载波监测、高频信号探测、无线组网等技术，集开放性、网络化、模块化、数字化的全新理念。
电力电缆近年发展迅速，总量不断上升，总体价值高，被盗现象时有发生。电力电缆有着分布广泛的特点，所以防盗工作也有很多实际困难，是电力部门重要的工作之一。电力电缆本体被盗是一个损失，其带来的间接损失也不可估量，电缆附属的接地线和引流线，均为铜质材料，日常电流很小或没有电流，易成为盗窃目标。接地线和引流线被盗造成的回流故障会进一步引发电缆主体故障，造成更大损失。所以对于电力电缆相关设备设施的日常防盗监测、告警装置和方法的研究具有重要意义。
目前城市建设缆化率高，电缆隧道、电缆沟及电缆接头工井分布广泛，大量的接地线和引流线分布在这些设施现场，日常的维护和检查工作量繁重，这些设施的损坏和丢失对于电缆本体、电缆接头及附属设备的安全运行造成严重威胁，电缆工井及隧道内的设施检查主要依靠人工巡视，不能及时发现破损和被盗情况。
物联网技术和边缘计算技术正是针对这种应用场景最佳的技术解决方案，采用物联网实时感知技术和边缘计算快速处理技术，有针对性对电缆接地线和引流线进行有效监测管理，同时建立一套结合实时数据采集预警系统，基于电缆隧道地理空间位置信息管理和导航定位功能，为电缆隧道安全运维管理工作的提升提供现代化信息手段，不断提升电缆隧道管理工作水平。
高压电缆载波防盗装置是一种专门针对电力电缆接地线和引流线的全新智能防盗系统。该系统以物联网和边缘计算为基础方案，采用最新载波监测、高频信号探测，无线组网等技术，集开放性、网络化、模块化、数字化的全新理念。电缆隧道或电缆沟加装高压电缆载波防盗装置，不仅能够实现对隧道和电缆沟、电缆工井内电缆接地线和引流线的实时动态监测，还能够在发生故障时第一时间通知相关责任人，及时处置，这是当前有效解决电缆接地线和引流线被盗及损坏问题的可行方法。
2.1 设计原则
电缆载波防盗监测系统方案的设计原则如下：
安全用电设计。系统所涉及到的电气设备均采用安全电压运行，且不引入影响电缆运行的额外危险电源。
工业防护设计。系统内的电气设备、辅助装置均按照工业运行准则进行密封防水设计，可满足高压电缆通道内的恶劣运行环境。
通信高可靠设计。系统所属硬件通信装置运行在高压电缆隧道内，均采用可靠的有线连接方式和5G 短距离稳定通信，再结合运营商级别的蜂窝通信方式完成监测信号实时通信，保障了可靠的实时监测和预警信息采集。
超长寿命设计。系统整体设计考虑到部署安装方式方法，传感器和运算模块均依照超低功耗目标进行设计生产，系统所涉及的设备设计工作寿命达5 年以上。
混合组网。采用4G、5G、自组网多种通信技术，在不同环境下采用灵活配置，适应不同的工作场所。
2.2 系统构成
高压电缆载波防盗装置由载波发生检测、边缘计算以及管理系统三大部分构成。其中载波发生检测实现对盗窃损坏事件的检测，边缘计算实现信号分析和预警分析，管理系统用来实现实时化、可视化的动态监测。
本系统中载波发生器、载波检测器、微基站集中器构成一个分组，与系统后台之间实现双向无线数据传输。载波发生器、载波检测器使用电力线载波通信机制实现对电缆实时运行状态的持续监测，电力线载波（power line carrier，PLC）通信是利用高压电力线在电力载波领域，作为信息传输媒介进行数据传输的一种特殊通信方式。电力线载波通信复用了现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输，不需要重新架设网络，具有投资小、灵活性强、覆盖范围广阔等特点，在电力系统被广泛使用。使用电力线通信方式发送数据时，发送器会先将数据调制到一个高频载波上，再经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上。图1 展示了载波装置通信发生的基本特征模型。
图1 通信发生模型
载波发生器、载波检测器综合考虑防水、防污、低成本、低耗电、高可靠等因素，选择电力线载波通信技术，避免了传统线缆缠绕检测技术带来的施工难、日常误报等问题。载波发生器、载波检测器全部按工业准则进行密封防水设计，设备绝缘性能优良，不受外部环境影响，方便部署，可选择在一个监测点，将载波发生器、载波检测器同时安装在一条被检测主体上，共同组成一个完整的载波传感器矩阵，提高监测的可靠性和稳定性。
微基站采集器负责定时采集载波检测控制器的数据，通过本地与内部逻辑运算并转换为该监测点状态值，从而达到监测电缆状态变化的目的，在异常发生时，第一时间发送预警信息，避免引发二次危险。
数据传输与无线组网采用了LoRa 自组网技术和4G 混合组网技术，LoRa 通信使用非授权频段，目前作为大范围使用的自组网技术，具有建设和维护双重低成本优点。现场设备与后台系统之间的数据通信采用4G/NB-IoT 通信技术，技术成熟，通信覆盖有保证，根据实际环境和对于传输控制的不同要求来灵活选择。
2.3 技术原理
针对现有线缆缠绕方式使用的物理装置结构不稳定，设备安装部署工序复杂，电缆隧道内能源获取不易以及通信环境差等问题，本系统采用最新的物联网传感技术，采用高防护等级、全密封非机械式传感方法，结合低功耗设计和多种可靠通信方式混合组网技术，从载波、传感、通信、能源、安装部署多个方面进行综合改良，解决高压电缆载波防盗监测难题，并通过了现场复杂环境的检验。
本系统高压电缆载波防盗装置采用载波检测原理，在电缆接地线和引流线上叠加高频无线电波并进行实时检测，监测电磁波变化。通过拟合差分边缘计算技术，有效排除因为介质不同（不同型号、材质的载波相位）导致误报。安装简便，混合供电，寿命可达5 年以上。适用于多种环境，可设置自适应功能，产品防护等级高于IP67，可在高温高湿环境下正常工作。
2.4 主要功能
该系统的整体功能如图2 所示。主要包括基础管理、监测及边缘计算、业务管理等内容，主要功能介绍如下。
图2 系统功能
传感设备管理。用于对井下的传感设备进行管理，可对传感的设备名称、地理位置等信息进行编辑。
监测点管理。用于对监测点分布的统一管理，可对监测点进行传感设备的标识及地理位置的管理。
实时信息管理。用于对实时上传的监测数据进行管理。可进行查询、查看等操作。
预警管理。记录损坏被盗事件的预警记录上传，同时系统也会下发信息告知相关管理人员。
数据统计报表。系统支持按照告警时间、地理位置、设备名称等条件的综合报表查询，以图形化形式进行展现。
微信小程序。在小程序中用户可查看GIS 地图，接收定位与告警信息，享受导航定位服务等，系统管理人员可实时了解电缆缺损变化情况，便于及时处理异常问题，有效避免安全隐患，保证正常运行。
2.5 软件支持
边缘计算微基站采集器通过无线通信方式实时监测载波发生器发送的载波信号变化状态，通过本地与内部逻辑运算后，转换为该监测点外破判断状态值，并将结果实时反馈主站。
载波监测功能。系统可对电缆状态进行实时监测，如超过某个指标，便会发出警报或以高亮形式进行提醒。
日常采集功能。在日常运行中，通过周期采集与载波信息情况分析，将相关监测点状态信息进行采集和展示，并实时与客户端联动。用户可对历史数据进行查询，如电子地图、表格界面等。在表格界面中包括数据类、报警类、故障类等多种形式，可将每日信息情况进行排列，点击列表信息，可弹出对应监测点数据窗口，并对其详细查询和设置，可更直观形象地看到报警与故障情况，还可通过图表形式将监测点信息展现出来。
2.6 硬件支持
载波通信设备，采用ZC7530A 为核心芯片，由RS485 接口电路，基于PLC 标准。内置功能模型如图3 所示，包括载波接收模块、载波发射模块、耦合变压器和控制芯片。载波接收模块的输入端通过耦合变压器与电力线连接，其输出端与控制芯片连接。载波发射模块的输入端与控制芯片连接。其输出端通过耦合变压器与电力线连接。控制芯片基于G3-PLC 标准通过载波接收模块和载波发射模块与电力线实现数据交互，具有很强的抗干扰能力，及具备抗电力线噪声能力。
长江流域水功能区管理的思路为：以严守纳污红线为目标，完善流域水功能区考核体系；
加强水功能区监测监督，推进不达标水功能区的通报力度和达标建设；
深化水功能区基础理论和技术研究，按行政区提出更明确的限排总量意见。
微基站采集器，如图4 所示，接收由载波通信设备产生信号信息，通过内置边缘计算分析当前电缆状态，以LoRa/2.4G/NB-IoT/4G 通信息方式传至后台主站。采集器与载波设备通过无线方式连接通信，定时采集或接收来自载波设备的数据信息，可实现远距离、超低功耗的无线传输，具有适应多种场景环境、使用寿命长、稳定可靠的特点。
图4 微基站采集器
2.7 程序实现
载波监测装置发送的实时载波监测信息，可根据电缆隧道现场情况实际需求，选择通过LoRa/2.4G/NB-IoT/4G 等多种稳定可靠的通信方式混合组网（电缆隧道有通信网络覆盖时，采用运营商NB/GPRS/4G 网络，当电缆管廊分散或无运营商信号时，采用自建LoRa 基站实现一对多组网方式，空旷区域覆盖2000 m 有效范围）传回监测主站软件采集后台。在异常发生时，第一时间发送预警信息，避免引发二次危险。系统整体结构如图5 所示。
图5 系统整体结构
边缘计算微基站采集器通过无线通信方式实时监测载波发生器发送的载波信号变化状态，通过本地与内部逻辑运算后，转换为该监测点外破判断状态值，并将结果实时反馈回主站，进一步完成预警信息发送、告警解除推送等，结合云计算对物联网实时数据分析管理，提供对监测点故障变化历史回溯和发展预判，为进一步指导电缆隧道防盗防外破工作改进提升做好数据保障。
3.1 安装标准与措施
载波设备能适应多种安装环境，安装时须定点牢固，更换方便即可，载波设备具有可靠的防震保护。载波供电电源应有独立的分路开关和熔断丝，避免多机共用，防止测试载波通道时引起继电保护装置误动，测试通道时，发送测试频率点的信号，不可连续变换频率，在确定测试频率点时，须注意避开被测线路及临近线路上的继电保护信号频率。待现场设备完全安装后，可与主站通信测试，系统只须简单配置或提前设置好后即可收到上报数据信息。
3.2 系统试运行
系统采用4G 技术与LoRa 组网相结合的方式，后者拥有终端模块成本低，且无其他日常费用等优势。现场设备与后台系统间的数据可利用4G/NBIOT 通信，技术成熟可靠，覆盖面积较大，可根据实际传输需求灵活调整。在该系统运行中载波检测器可将检测状态实时传递给微基站采集器，采集器对数据再次进行集中处理后发送到后台系统。后台在接收到无线指令后，即可完成信息展示、告警、电缆监测等。
系统自安装上线以来，运行良好、状态稳定，很好地解决了电缆防盗监测工作。取得成效包括以下几点：
采用物联网技术打通了物与物、物与人的连接性，利用现代科技手段，很好地规避了现场电缆被盗引起的二次灾害风险。
实现了对现场电缆实时监测、电缆质量安全及相应告警，且能做到快速定位故障点，为电缆防护工作提供有效的数据支撑，大大降低一线作业人员的巡检压力，提升部门中心对电缆防盗工作的效果及处置能力。
当前城市电缆地下建设范围逐渐扩大，由于经济利益驱使电缆被盗现象时常发生，给电力系统的安全造成严重影响。对此本研究结合物联网、边缘计算技术等关键技术，设计出高压电缆载波防盗系统。通过该系统的应用，可实时监测电缆相关设备的运行情况，并在损坏和丢失故障发生时能够及时通知运维人员进行处理，为电缆安全运维管理工作的提升提供了现代化信息管理手段，提升管理水平。
猜你喜欢电力线防盗载波古代陵墓中的防盗机关军事文摘(2018年24期)2018-12-26防火防盗报警器设计电子制作(2018年2期)2018-04-182017年凯迪拉克XT5电路图汽车维修技师(2018年10期)2018-03-14基于电力线载波通信的智能限电装置电子制作(2017年14期)2017-12-18一种压缩感知电力线信道估计机制电信科学(2016年11期)2016-11-23应急广播系统中副载波的构建与应用西部广播电视(2015年10期)2016-01-18剩女笔记晚报文萃(2015年6期)2015-08-12低压载波通讯测试仪的开发与应用电测与仪表(2014年15期)2014-04-04电力线载波通信标准PRIME和G3-PLC的研究电测与仪表(2014年13期)2014-04-04电力线通信中LDPC译码器的优化设计与实现电测与仪表(2014年20期)2014-04-04
