基于电力物联网的电缆智能感知一站式诊断平台

郑建康，南 海，苏小婷，李昆霖，盖 净，张晨光，朱一猛，张有平

（1.国网西安供电公司，陕西 西安 710075；2.西安博源电气有限公司，陕西 西安 710043）

0 引 言

近年来，随着经济的发展，城乡用电需求急剧增加，对高压电缆的稳定运行提出了更高的要求。电缆在运行过程中会受到环境中的电、化学、热、机械等的影响，出现电缆绝缘老化而导致电缆运行故障。为了保证电缆的健康稳定运行，对正在运行的高压电力电缆的健康状况进行及时掌握就显得尤为重要。因此，对电缆的局放、环流、发热、振动等多种参数进行综合检测有着重大的意义和经济价值。

1 国内外研究水平综述

近年来，国内外专家对电气设备状态检测已经有了相对成熟的诊断技术和故障经验值。物联网、大数据等计算机领域新技术的发展，也为高压电缆检测带来新的解决思路和数据分析方法。文献[1]研究了基于云平台的变电站设备的智能诊断；文献[2]提出了基于电力物联网的配电设备智能感知诊断应用，提出了一种“云管边端”的系统架构，构建了基于电力物联网的配电设备智能诊断分析系统。现有检索的国内外相关文献主要研究的是智能变电站传感器和基于电力物联网的配电研究。在对高压电缆线路接头故障的检测上大多只能检测单一故障的判断，对于出现多种故障现象的线路无法精确判断其故障。因此，提出一种电缆智能感知一站式综合体检诊断平台，主要对电缆的局放、环流、发热及振动等多种参数进行综合分析，评估电缆的健康状况，以有效保证电力电缆安全、可靠地正常运行。

2 电缆智能感知体检诊断平台系统架构

电缆智能感知一站式诊断平台包括前端各类检测传感器设备、终端的高速数据采集模块、运维人员的移动终端设备、远程终端设备及云平台（见图1）。系统工作时，通过布置在电缆接头上的各类传感器采集信号，利用有线、无线的方式将采集到的数据传递给设备现场的智能终端，再通过智能终端对采集数据进行初处理（数据解析/重构），经电力物联网传输给云平台，然后应用压缩感知原理对信号进行压缩，传到状态监测终端进行信号重构，进而及时准确地进行故障预警。云平台对各种数据进行横向比对综合处理，如果发现有故障信息，就会将报警信息发送到远程监控终端和移动监控终端上。

2.1 前端传感器技术

本系统配有7种类型的有线/无线传感器，可用于测试7种类型的数据，并进行故障分析。

图1 系统框图

（1）交叉互联、接地线安装高频HFCT、高频CT进行局放及环流采集，本体负载电流检测安装适合电缆本体尺径的传感器，通过负载电流与接地环流大小判断环流是否异常，实现对电缆护套是否多点接地的判断。

（2）电缆接头处使用特高频传感器进行检测，以避免现场干扰的影响。检测数据可以与高频检测数据进行对比，减小误判。

（3）温度传感器通过对电缆接头处温度的监测来分析电缆可能出现的热故障。采用五线传输的方式，减小线路连接，方便携带。

（4）振动传感器采用内置的压电式传感器，可以测量位移量、速度量和加速度量。由于加速度量是3个参量中灵敏度最高的，能有效监测较高频率的振动。电缆振动时大多是高频振动，所以采用加速度传感器进行监测。该传感器稳定性好，抗干扰能力强。

（5）红外热像进行拍摄中，可以将数据上传至电缆一站式综合体检诊断平台系统，实现对电缆多状态信息的汇总。

这些传感器大都内置DSP数据采集功能，能将采集的传感信号通过串口/无线的方式传给检测终端，支持MODBUS、104、61850等多种物联网通信协议。采用有线或无线的方式将采集信号传给状态监测终端，状态监测终端将采集信号上传到云端，进行大数据分析，作出故障诊断。巡检人员可以在此判断设备故障并实施抢修等，也可将诊断结果发送给远程终端和移动终端，双重确保诊断的准确性[3-6]。

2.2 数据采集与传输

系统采集信号量大通道多，且频率高，导致数据量较大，对硬件要求较高，数据传输起来比较缓慢。所以，采用压缩感知技术对信号进行压缩和重构，既能节省硬件资源，又能缓解因数据量过大导致的传输缓慢。

压缩感知理论实现了采集较少的信号，重构出大量数据信号，打破了奈奎斯特采样定律。压缩感知理论指出，当数据足够稀疏时，范数L1最小化可以从欠采样的样本中有效地恢复频率稀疏信号。

本文用Matlab做仿真，分别以离散余弦变换基（Discrete Cosine Transform，DCT）和快速傅立叶变换基（Fast Fourier Transformation，FFT）做为稀疏基，高斯随机矩阵、部分哈达玛矩阵为测量矩阵，L1范数、正交匹配追踪算法（Orthogonal Matching Pursuit，OMP）为重建算法进行压缩感知算法实现。

本文以模拟的电缆振动信号做为原信号，取原信号20%做为输入，进行压缩感知重建，如图2所示。图3为原始信号和重构后信号对比图（K=14时）。

图2 原始信号图

信号的最佳稀疏度为14，从图3中可以看出，系统已经基本还原了原始信号，且能有效地提高信号的传输速率。

图3 原始信号和重构后信号对比图

2.3 物联网网关

本系统应用了兼容多协议的物联网网关，可以将现场的各种采集数据进行统一标准化，分别支持104、61850及MODBUS等多种工业物联网协议，能快速有效地将数据信息传到应用的各个终端。

2.4 状态监测终端

状态监测终端集成了能检测和管理各个传感器状态的上位机软件，可以实时监测电缆状态，并且进行数据库比对，进行故障诊断[7-9]。如果有异常和故障状态，系统可以实时进行预警处理，并可将预警信息实时传给远程/移动终端。图4为某局部放电的上位机界面图。

图4 局部放电的上位机界面图

3 系统创新点

（1）运用压缩感知原理进行信号传输处理，降低了数据传输难度。

（2）构建了基于物联网的电缆智能感知一站式诊断平台，通过对多种信号进行检测横向比对，实现了高压电缆故障快速诊断。

（3）所应用的物联网网关兼容各种协议，解决了各种协议不兼容并存的问题。

4 结 论

本文针对高压电缆运行故障，研制了一种高压电缆智能感知一站式诊断平台，有效地解决了运维巡检人员在排查故障时单一测量的问题，将电缆常见问题与检测集成在一个系统中，并运用云管边端的方式，有效地监测了电缆运行中的各类故障。