李建斌 許金彤

（國網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電公司，浙江 杭州311201）

0 引言

國內(nèi)對于電力電纜防外力破壞已有相關(guān)研究基礎(chǔ)。文獻［1］講述了XLPE電力電纜的試驗條件、測試環(huán)境以及未來的發(fā)展前景；文獻［2］指出電力電纜運行故障的主要原因是外力破壞，并說明對其研究的重要性；文獻［3］設(shè)計電纜防外力破壞智能預(yù)警機制，進一步提高了系統(tǒng)識別振動事件的能力。

本文介紹的電力電纜防外力破壞的預(yù)警及檢測裝置，使用卡爾曼濾波器算法，有效消去噪聲的干擾影響，同時利用格拉布斯準則，可以很好地剔除偶然誤差。硬件由電源、傳感器、系統(tǒng)主機以及手持終端等部分組成，實現(xiàn)了對電力電纜運行環(huán)境的良好檢測。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 卡爾曼濾波器算法

卡爾曼濾波器是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入、輸出來觀測數(shù)據(jù)，并對系統(tǒng)狀態(tài)做出最優(yōu)估計的算法［4］。具體介紹如下：

假設(shè)線性離散方程為：

式中，xk為狀態(tài)變量；Zk為量測變量；ωk為系統(tǒng)噪聲量；γk為量測噪聲變量；Ak為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Hk為量測轉(zhuǎn)移矩陣。

其遞推方程如下：

狀態(tài)預(yù)測：

式（3）～（7）是隨機線性離散系統(tǒng)卡爾曼濾波的基本方程。給定初值x0、P0、Qk和Rk，根據(jù)k時刻的觀測值Zk，就可以遞推計算得到k時刻的狀態(tài)估計xk（k＝1，2，…）。

卡爾曼濾波器是一個最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法，對于解決很多問題，它是最優(yōu)的且應(yīng)用廣泛。

1.2 格拉布斯準則

常用的拉依達準則雖然簡單，并且無需查表，使用方便，但當測量次數(shù)不大于10次時則失效。出于對較高可靠性的考慮，該裝置選擇格拉布斯準則。下面介紹格拉布斯準則原理：

計算樣本均值：

根據(jù)測量值個數(shù)及顯著性水平α，查表得格拉布斯準則數(shù)T（N，α）。其中，α的取值通常情況下為0.05或0.01。

判斷準則：

若滿足式（11），則可認為該樣本含有較大誤差，應(yīng)予以舍棄。重復(fù)上述步驟，直至所有樣本都經(jīng)格拉布斯準則判斷過。

2 硬件構(gòu)成

本裝置主要包含電源采集單元、防外力破壞系統(tǒng)主機、傳感采集單元和現(xiàn)場巡檢手持終端（圖1）。

圖" 硬件結(jié)構(gòu)圖

電源管理主要由電池管理模塊和12V／100Ah蓄電池組成，負責(zé)控制蓄電池充放電。電池管理模塊主要分預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電3個過程對蓄電池進行充電，便于后端平臺人員實時了解和掌握現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)。

防外力破壞系統(tǒng)主機主要由電源管理、多通道A／D檢測單元、視頻監(jiān)控模塊、中央處理模塊、存儲模塊、報警模塊、通訊模塊、GPS定位模塊組成。短距離無線傳輸模塊主要用于同傳感采集單元和現(xiàn)場巡檢手持終端進行通訊，在傳感采集單元中部件功耗較低的情況下，低電量電池能滿足傳感器長時間工作情況下使用短距離無線傳輸模塊。當工作人員進行現(xiàn)場巡檢時，使用現(xiàn)場巡檢手持終端可通過短距離無線傳輸模塊與防外力破壞檢測裝置進行數(shù)據(jù)交互。光纖傳輸可以替代GSM傳輸，從而實現(xiàn)系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)對接。存儲模塊主要存儲系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如短信收發(fā)電話、傳感器報警門限、傳感器報警機制、圖片等。

3 軟件設(shè)計

當電力電纜存在外力破壞時，傳感采集單元中的振動傳感器、噪聲檢測傳感器同時觸發(fā)，通過振動信號和噪聲信號將輸出的電壓信號傳輸?shù)蕉嗤ǖ繟／D檢測單元進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)發(fā)送至中央處理模塊，中央處理模塊對傳感器采集數(shù)據(jù)先進行卡爾曼濾波處理，再利用格拉布斯準則有效剔除偶然誤差。數(shù)據(jù)進行濾波后，由中央處理模塊對比分析破壞振動源，然后使用GPIO控制打開視頻監(jiān)控模塊進行現(xiàn)場圖像信息采集，將現(xiàn)場視頻或圖片信息保存至存儲模塊，同時通過GPS定位模塊記錄當前破壞點的地理位置，打開溫度檢測、濕度檢測等綜合信息后，通過通訊模塊中的GSM模塊將告警信息短信發(fā)送給相關(guān)工作人員，從而實現(xiàn)快速準確的告警，工作人員收到短信后可通過GSM模塊進行實時喊話，及時制止現(xiàn)場的破壞行為。具體處理程序如圖2所示。

4 結(jié)語

本裝置的視頻監(jiān)控可提高電力電纜管理效率，節(jié)約工作記錄本、設(shè)備資料、復(fù)印等費用，大大降低辦公費用；通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時分析的方式，對大型施工機械違章超高作業(yè)行為實時抓拍照片，即時自動播報短信和語音提示信息，及時制止危險作業(yè)。該電力電纜防外力破壞裝置的提前預(yù)警功能和GPS定位功能，可精確定位到關(guān)鍵區(qū)域線路的狀態(tài)，對破壞行為進行提前預(yù)警，使關(guān)鍵區(qū)段線路巡視的工作效率提升。

圖- 處理程序框圖

［1］羅俊華，楊黎明，姜蕓，等.電力電纜運行、故障及試驗綜述［J］.電力設(shè)備，2004（8）：4－8.

［2］羅俊華，邱毓昌，楊黎明.10kV及以上電力電纜運行故障統(tǒng)計分析［J］.高壓電技術(shù)，2003，29（6）：14－16.

［3］譚康.地下電纜防外力破壞監(jiān)控中的振動信號識別［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［4］李江，王義偉，魏超，等.卡爾曼濾波理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42（6）：135－144.