項(xiàng)恩新，王科，聶鼎，任明，李建發(fā)，楊秋昀

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

近幾年，隨著城市化進(jìn)程不斷加快，加之城市核心區(qū)域?qū)╇娞岢龈呖煽啃砸螅鞘须娋W(wǎng)電纜化率持續(xù)攀升，高壓電纜設(shè)備總量保持年均10%的增長水平。因此，地下電纜通道資源愈發(fā)緊張，各電壓等級電纜同通道密集敷設(shè)的情況不斷增多，防火、防外破問題突出。

隨著城市配網(wǎng)的不斷升級，電力電纜由于其占據(jù)城市空間少、受惡劣天氣破壞影響小等優(yōu)勢已經(jīng)逐漸替代架空線成為未來發(fā)展的必然趨勢。電力電纜的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系著城市輸配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和供電質(zhì)量[1-2]。近年來，因施工、偷盜、改造引起的電纜外力破壞問題長期威脅電纜運(yùn)行安全，但由于電纜分布廣、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，目前缺乏有效的監(jiān)測和預(yù)警方法，傳統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)因其改造成本和維護(hù)難度較大，且難以在城市電纜系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)主動預(yù)警。

目前，基于光時域反射計(jì)技術(shù)的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)[3-4]在防外力擾動的預(yù)警系統(tǒng)中有所應(yīng)用，其報警定位精確、數(shù)據(jù)處理電路相對簡單，但由于難以通過時域信號分析分辨擾動類型，系統(tǒng)誤報率較高，且敷設(shè)和后期維護(hù)成本較大。

外力擾動一般會引起振動聲波在電纜本體和支架上傳遞，因此通過壓電傳感器來監(jiān)測電纜振動聲波是一種方便有效的方法，其不僅能夠靈敏的反應(yīng)振動強(qiáng)度，還能根據(jù)振動模態(tài)進(jìn)行擾動分析。一般而言，傳統(tǒng)的電力設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)[5]包括信號耦合單元、模擬預(yù)處理單元、供電單元、傳輸單元、供電及通信線纜、數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)（SCADA）及數(shù)據(jù)接口。然而，上述的監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)雜性高、現(xiàn)場實(shí)施和后期維護(hù)成本大，不能滿足電纜饋電網(wǎng)絡(luò)對可靠性和經(jīng)濟(jì)性的要求。此外，電纜監(jiān)測數(shù)據(jù)接入量較大，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)較多，給數(shù)據(jù)存儲、信息匹配以及數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來了巨大挑戰(zhàn)[6-8]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）應(yīng)用模式的提出和發(fā)展[9-11]，為基于壓電式的傳感提出一種分布式電纜聲波振動傳感監(jiān)測方法。本文首先通過典型外力激勵下電纜振動試驗(yàn)，獲得了電纜振動信號的時域特征和時頻域特征，并提取了可用于振動模式識別的特征參量，然后基于壓電傳感器研制了無線分布式的電纜外力擾動智能傳感器，并對其數(shù)據(jù)處理、低功耗電源管理、取能單元以及物聯(lián)網(wǎng)通訊方法進(jìn)行了分析，基于此建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式電纜防外破智能預(yù)警系統(tǒng)。

1 無線壓電傳感單元的設(shè)計(jì)

無線傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，期望其電池續(xù)航時間與被監(jiān)測對象的停電檢修周期相一致，因此傳感器節(jié)點(diǎn)的電池續(xù)航時間應(yīng)至少1年以上。此外，電纜附件上部署的傳感器節(jié)點(diǎn)還應(yīng)滿足體積小、可插拔及低成本的要求?，F(xiàn)有商用化的物聯(lián)網(wǎng)傳感器大多是針對溫度、濕度、加速度等單一參量進(jìn)行監(jiān)測，并采取片上系統(tǒng)（System on a Chip, SoC）集成化設(shè)計(jì)或具有微電子機(jī)械系統(tǒng)（Microelectromechanical Systems, MEMS）的集成電路來實(shí)現(xiàn)。但是對于具有自感知和自診斷功能的傳感裝置而言，目前無商業(yè)化的集成式傳感可供利用，專門針對電纜外力擾動狀態(tài)的智能傳感技術(shù)還需進(jìn)一步探索；此外，對于電纜外力擾動下的信號耦合方法、振動特征和預(yù)警方法也需要結(jié)合智能傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。因此，本文基于MEMS加速度傳感器對傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，從信號耦合器、預(yù)處理單元、MPU、電源和無線數(shù)據(jù)收發(fā)器多方面解決功耗、靈敏度及時效性上的問題。本文所設(shè)計(jì)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)

其中包括三個主要部分：

1）模擬信號單元。其功能為：通過單軸的MEMS加速度傳感器耦合電纜外力引起的聲波，并通過有源檢波放大處理使信號的動態(tài)范圍和模擬帶寬與A/D采樣單元相匹配；

2）信號處理及存儲單元。其功能為：對有效振動信號快速甄別，形成規(guī)范的監(jiān)測狀態(tài)量（SMV）和傳感器狀態(tài)量（SV）信息，并對處理信號進(jìn)行存儲。另外，MPU還承擔(dān)對下行命令集處理和電源管理的任務(wù)；

3）LoRa通訊單元。其功能為：上下行數(shù)據(jù)的分包、發(fā)送和接收，其運(yùn)行模式由信號處理及存儲單元進(jìn)行控制。在該硬件構(gòu)架基礎(chǔ)上，基于ARM來實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算和就地化診斷，降低多點(diǎn)數(shù)據(jù)接入帶來的中心化計(jì)算壓力。

1.1 聲波耦合模塊

電纜受到外力破壞時，信號來源通常有幾種典型類別，包括風(fēng)鎬信號、機(jī)械挖掘或打樁信號等。這些外力信號主要為分布在幾百至千赫茲頻段的低頻振動信號，因此本文選用基于MEMS的加速度傳感器（ADXL1002）作為聲波耦合前端，其具有線性頻率響應(yīng)較寬（DC-11 kHz@3dB）、測量范圍較大（±50g），溫度系數(shù)較?。?%，?40℃~+125℃）、功耗典型值較低（1.0 mA）、熱噪聲密度較低（30 μg/√ Hz）、尺寸小（＜5 mm3）等優(yōu)點(diǎn)，可直接支持嵌入式開發(fā)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。圖2為MEMS加速度傳感器及頻率響應(yīng)特性曲線。

圖2 傳感器及頻率響應(yīng)特性

通過壓電傳感器直接獲取的是振動信息中的加速度信號。由于傳感器在頻響范圍內(nèi)的放大倍數(shù)穩(wěn)定在0dB，即沒有前置放大倍數(shù)，輸出的電壓信號幅值與振動加速度之間為線性關(guān)系，兩者的比例系數(shù)即為傳感器的電壓靈敏度s。由輸出電壓U換算為振動加速度a的關(guān)系式為：

式中A為放大倍數(shù)，在沒有放大的情況下A=1，則關(guān)系式簡化為：

例如傳感器的電壓靈敏度s為100 mV/g，則每g（9.8m/s2）對應(yīng)的輸出電壓為100 mV。傳感器輸出電壓范圍為-5V~+5V時，可測量的加速度范圍為0~50g。在集成了電荷放大電路后可將微弱振動產(chǎn)生的電荷量放大，提高測量精度。得到振動的加速度信號后，通過積分計(jì)算得到速度信號，其基本式為：

通過ARM對振動加速度進(jìn)行快速傅里葉變換可以得到振動信號的頻率譜，在頻域內(nèi)可以進(jìn)行濾波去噪、時頻分析、特征提取等計(jì)算。

1.2 信號調(diào)理電路

由上節(jié)可知，振動信號的主要頻率在幾百Hz范圍，不需要非常高的采樣率即可實(shí)現(xiàn)信號的采樣和復(fù)原。然而，振動信號的加速度幅值通常較小，為了合理利用儲存空間，需要對振動信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大。原始振動信號的放大電路如圖3所示，其中采用由LM324構(gòu)成的兩級放大電路，增益設(shè)定為20dB，為消除直流偏置，級聯(lián)做隔直處理，放大單元模擬帶寬為380 kHz，能夠完全保留振動信號的時、頻特征，同時可以與噪聲信號保持較大的幅值差距，方便去噪。

圖3 振動信號的放大電路

壓電傳感單元需要穩(wěn)定的恒流源供電，由于傳感器需要長期工作在監(jiān)聽模式，因此電源的穩(wěn)定性和持續(xù)性尤為重要。本文采用CT取能與鋰電池儲能相結(jié)合的方式來維持傳感器工作。在信號預(yù)處理單元中，采用電源管理電路來進(jìn)行穩(wěn)定輸出電平，如圖7所示。電源管理電路可對電池的充放電進(jìn)行控制，防止電池過充過放，同時也可以對處理器和傳感器功耗進(jìn)行控制，在滿足壓電傳感單元正常工作和數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯卤ＷC電池的使用壽命。CT取能單元和低功耗管理設(shè)計(jì)見2.1節(jié)。

圖4 電源管理電路

為了驗(yàn)證壓電傳感單元的性能，文中利用實(shí)驗(yàn)室的振動平臺進(jìn)行了測量試驗(yàn)。利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)振動臺，將電纜兩端通過支架固定于振動臺上，將壓電傳感單元固定在電纜本體上，調(diào)節(jié)振動臺輸出不同振動頻率、幅度的振動信號，檢測智能監(jiān)測單元的輸出信號波形，驗(yàn)證傳感器基本功能。圖5展示了50 Hz工頻外力激勵在電纜壓電傳感單元中的加速度響應(yīng)信號。從圖中可知，壓電傳感單元的輸出信號幅值穩(wěn)定，頻率響應(yīng)精準(zhǔn)，50 Hz基頻信號中包含了由電纜本身振動引起的高次諧波模態(tài)。

圖5 傳感單元測得的周期振動信號示例

圖6展示了在電纜上施加非周期信號（切割電纜）時，通過壓電傳感單元采得的振動加速度信號。

圖6 傳感單元測得的非周期振動信號示例

2 傳感器的功耗管理

2.1 電磁感應(yīng)線圈（CT）取能

由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，分布范圍廣，應(yīng)盡量避免在設(shè)備檢修周期內(nèi)更換電池。因此，高效的電源管理和低功耗運(yùn)行策略是設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本文采用磁耦合CT方式從電纜載流本體取能，為傳感器儲能單元供電。圖7為CT從高壓電纜取電原理圖，設(shè)N1(=1)、N2分別為初、次級匝數(shù)，i1(t)為高壓側(cè)正弦電流；i2(t)為實(shí)際流至負(fù)載的電流；im(t)為勵磁電流，根據(jù)電磁感應(yīng)定律及變壓器磁動勢平衡方程，可得到如下關(guān)系：

圖7 電纜感應(yīng)取電原理

考慮用電負(fù)載后的工作模型如圖8所示。其中，i1(t)/N2為初級折算到次級的等效電流，R1、L1為初級漏阻和漏電感，Rm、Lm為勵磁電阻和電感；R2、L2為次級漏阻和漏電感；u(t)為取電線圈兩端電壓；C為穩(wěn)壓電容，u0為負(fù)載電壓。由于高壓電纜的電流源性質(zhì)，初級漏阻抗可忽略；對取電線圈而言，次級漏阻抗相對勵磁阻抗非常小，可忽略；考慮到整流橋的壓降，在實(shí)際功率計(jì)算中可用實(shí)測電壓數(shù)據(jù)加上其壓降來逼近真實(shí)的輸出功率，因而在模型中也可忽略；在勵磁阻抗中Lm遠(yuǎn)大于Rm，即取電線圈輸出功率的分析也主要由Lm決定。

圖8 簡化取電CT負(fù)載工作模型

為保證輸出電壓和功率滿足后級傳感器需求，還需設(shè)計(jì)相應(yīng)的穩(wěn)壓電路，如圖9所示?？刂苹芈凡捎脺h(huán)比較方式，提高了控制速度并可減小輸出電壓紋波。第1級預(yù)穩(wěn)壓電路輸出電壓為24 V，通過第2級電路降至5 V，供負(fù)載使用。自啟動電路可將兩級輸出電壓24 V、5 V作為輸入，輸出控制回路芯片所需的供電電壓。電纜載流量的大小直接影響CT線圈取電的功率輸入，因此為了避免因載流量降低（啟動電流大約為150 A）或停電引起的負(fù)載電源斷供，傳感器中配合采用鋰電池作為旁路后備電源，并采用電平監(jiān)測方式來啟動鋰電池向負(fù)載的功率輸出，以及控制自啟動電路使Buck調(diào)壓電路輸出向鋰電池充電。

圖9 取電電源的工作原理

2.2 充放電保護(hù)電路

根據(jù)各模塊的能量損耗，對總功耗進(jìn)行計(jì)算，并按照單一電池供電使用時長為350小時進(jìn)行設(shè)計(jì)。循環(huán)容量衰減會使電池在反復(fù)充放電使用中造成的能量損耗，過充電、過放電和過電流將會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng)，會嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命，因此本文采用如圖10所示的保護(hù)電路來防止電池嚴(yán)重?fù)p耗。其中，兩個外接的MOS管（FET1、FET2）集成在另外一塊芯片上，作為開關(guān)。當(dāng)放電電流過大時，用于放電控制的FET1斷開，禁止電池向負(fù)載放電，以執(zhí)行過放電電流保護(hù)功能。電池充電至過充電檢測電壓時，F(xiàn)ET2斷開，禁止來自充電器的電流向電池充電。當(dāng)電池電壓下降到過放電檢測電壓時，放電控制FET1關(guān)斷，禁止電池向負(fù)載放電。

圖10 電池充放電保護(hù)電路

3 典型電纜外力擾動的試驗(yàn)分析

3.1 電纜外力擾動模擬試驗(yàn)

選取的特征參數(shù)是否適合分類，對于模式識別的結(jié)果是否準(zhǔn)確至關(guān)重要。一個合適的信號分類特征，應(yīng)該至少滿足以下兩點(diǎn)：

1）不同類別的信號在相同特征量的表現(xiàn)上，差別比較明顯；

2）同類別的信號在相同特征量的表現(xiàn)上差別盡量小。選擇正確有效的特征進(jìn)行信號識別，即可提高分類的準(zhǔn)確率，又可大大減輕分類算法的計(jì)算量。電纜在運(yùn)行過程中，所收到的外力擾動或潛在性破壞情形有以下幾種：

表1 典型電纜外力擾動情形及特征

針對上述情形開展振動模擬試驗(yàn)。首先對分布式電纜防外破監(jiān)測單元進(jìn)行組裝。傳感單元?dú)んw外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11a和圖11b所示。傳感器安裝在殼體的基座上，保證了其與殼體及電纜的連接剛度。為保證殼體和不同直徑的電纜都可以緊固安裝，在殼體下方使用膠木材質(zhì)的連接件，并在側(cè)面安裝綁扎帶，安裝示意圖如圖12c。膠木材料既可以在綁扎帶緊固條件下與電纜表面緊密接觸，而且具有一定的防滑能力，防止殼體在電纜表面移動，并且在較大的溫度范圍內(nèi)能夠保持較小的形變，維持與電纜本體的準(zhǔn)剛性連接，保證傳感器采得數(shù)據(jù)的可靠性。

圖11 壓電傳感單元外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及安裝方法

試驗(yàn)中采用用沖擊電鉆、電鋸、振動臺等人工模擬擾動作為電纜外力擾動源，對架設(shè)在支架上的一端長度約為16 m的電纜施加機(jī)械擾動，施加位置分為電纜本體和電纜支架。傳感器固定于電纜本體處（距電纜終端約5 m），采用Debug方式通過上位機(jī)實(shí)時接受前端傳感器信號調(diào)理后的波形數(shù)據(jù)，同時采用Lora/串口網(wǎng)關(guān)通訊方式接受經(jīng)傳感器處理后的狀態(tài)數(shù)據(jù)和特征量。電纜外力擾動模擬試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖12所示。

圖12 電纜外力擾動模擬試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3.2 電纜振動信號的時域特征

1）周期性振動信號

在無外侵性擾動時，電纜自身振動由基頻交流的電磁力引起，當(dāng)負(fù)載不平衡或存在環(huán)流時，還會存在非基頻振動信號。采用傳感器在某電纜溝道內(nèi)10 kV運(yùn)行電纜的振動測試時域波形如圖13a所示，經(jīng)頻率分析可知，對于正常運(yùn)行且無擾動的電纜，其振動基波為50 Hz，而100 Hz和150 Hz的非基波分量也有一定占比，如圖13b。

圖13 10 kV電纜運(yùn)行條件下的振動波形及頻域分布

試驗(yàn)中，采用標(biāo)準(zhǔn)振動臺（H/ZD-TF）作為50 Hz和100 Hz振動源，并采用本文研制傳感器對電纜的振動信號進(jìn)行測量，其時域波形結(jié)果分別如圖14a和圖14b所示。由圖可知，在周期性振動激勵下電纜振動信號幅值和頻率較為平穩(wěn)，信號振幅有限，可采用高通濾波器或鎖相環(huán)濾波器進(jìn)行信號處理。

圖14 施加50Hz和100Hz周期振動激勵下傳感器接收波形

2）非周期性振動信號

為模擬實(shí)際電纜運(yùn)行溝道受施工外力擾動的信號，在實(shí)驗(yàn)室通過電鉆、切割機(jī)等模擬相應(yīng)的信號。實(shí)驗(yàn)時將傳感器固定在兩支架中部電纜本體上。圖15為電鉆在電纜本體（圖15a）以及支架上（圖15b）施加激勵時傳感器得到的信號波形；圖16為切割機(jī)在電纜本體（圖16a）以及支架上（圖16b）施加激勵時傳感器得到的信號波形。

圖15 電鉆在不同位置激勵下傳感器接收波形（900轉(zhuǎn)/秒）

圖16 切割機(jī)在不同位置激勵下傳感器接收波形（900轉(zhuǎn)/秒）

從實(shí)測的信號可以看出，不同非周期性的振動信號差別明顯，振動源施加在支架上時信號高頻分量明顯大于振動源直接施加在電纜上的情況，這主要是因?yàn)殡娿@與電纜外護(hù)套非剛性接觸，所引起的振動信號軸向分量傳遞效率較低，而電鉆與電纜支架接觸為剛性接觸，所引起的軸向分量能量傳遞更多。對切割機(jī)切割支架的振動信號進(jìn)行頻譜分析如圖17所示，由圖可知，在900 Hz左右頻譜有峰值集中，同時存在其倍頻分量，幅值依次衰減。由此可以推斷不同施工方式下振動信號存在特征頻率分量，而頻譜分布則可能與電纜和支架的共振點(diǎn)有關(guān)。

圖17 切割支架時振動信號頻譜

在實(shí)際工況下監(jiān)測過程中，振動信號的幅值信息可以作為外力破壞事件的初步判定條件，當(dāng)信號幅值超過預(yù)警閾值時記為可疑信號。在對可疑信號進(jìn)行頻譜分析后，將其頻譜特征峰與數(shù)據(jù)庫對比可以判定其故障類別。

3.3 電纜振動信號的時-頻域聯(lián)合分析

對于周期性或非周期行信號分析，傳統(tǒng)分析方法主要采用傅立葉變換原理，對信號進(jìn)行全局性宏觀分析，獲取信號的幅度頻譜或功率頻譜，因而其僅在整體上將信號分解為不同的頻率分量，缺乏局部信息描繪。與工頻電壓下局放信號分析不同的是，振動信號與工頻激勵相關(guān)性較弱，振動激勵多為外力擾動所致，信號來源及傳播途徑的隨機(jī)性較強(qiáng)，相位統(tǒng)計(jì)信息難以應(yīng)用。因此本項(xiàng)目基于二次型短時傅立葉變換作為核函數(shù)，對振動傳遞信號進(jìn)行時-頻聯(lián)合分析，尋找時-頻特征。

若給定一個時間寬度很短的窗函數(shù)η(t)，讓窗滑動，則信號z(t)的二次型短時傅立葉變換(STFT)Sz(t,f)如式（5）所示。

式中：η(t)為窗函數(shù)。

Sz(t,f)為短時傅立葉變換STFT(t,f)模的平方，反映了信號在時頻平面的能量分布。由于窗函數(shù)η(t)的存在，使得二次型短時傅立葉變換具有了局域特性，它既是時間的函數(shù)，也是頻率的函數(shù)。對于給定的時間t，Sz(t,f)可看作該時刻的頻譜。

離散時間信號z(n)的二次型STFT如式（6）所示：

離散二次型STFT的Sz(n,ω)函數(shù)在等頻率間隔取樣點(diǎn)ωr=2πr/N(r=0,1,…,N-1)，則由式（6）可得：

令 m=l+n，l=k+s，k=0,1,…, N-1，則式（7）可變換為：

由式（8）可知，對于每一固定的n，Sz(n,r)都可以由z(k,n)的N點(diǎn)離散傅立葉變換而求得。

圖18為施加50 Hz和100 Hz周期振動激勵傳遞時-頻特征分析結(jié)果。由圖可知，對于具有周期性的振動激勵信號而言，其振動幅值在時間軸上較為平穩(wěn)，其頻率主成分隨時間推移分布在較低頻段，而高頻分布較為平坦，幅值較弱。

圖18 施加50 Hz和100 Hz周期振動激勵時的信號時-頻特征分析

圖19為施加單次或多次沖擊激勵傳遞時-頻特征分析結(jié)果。由圖可知，對于單次敲擊激勵而言，其振動幅值的低頻主成分在時間軸上呈現(xiàn)不規(guī)則變動，次高頻成分在時間軸上相對平坦，更高頻次成分相對較弱；對于連續(xù)打夯激勵而言，其振動幅值的低頻主成分在時間軸上呈現(xiàn)規(guī)則變動，在次高頻上幅值相對于單次敲擊的結(jié)果更高，且更高頻次成分相對較強(qiáng)，幅值的動態(tài)范圍更廣。

圖19 施加單次或多次沖擊激勵時的信號時-頻特征分析

圖20為電鉆激勵傳遞時-頻特征分析結(jié)果。由圖可知，當(dāng)電鉆振動在電纜本體上傳遞時，其振動幅值的低頻主成分在時間軸上呈現(xiàn)不規(guī)則變動，次高頻成分在時間軸上相對平穩(wěn)，更高頻次成分相對較弱；電鉆振動在電纜支架上傳遞時，其振動幅值的低頻主成分在時間軸上呈現(xiàn)規(guī)則變動，在次高頻和高頻區(qū)域特征與前者相似。

圖20 電鉆作用電纜時的信號時-頻特征分析

圖21為電鋸切割電纜時測量信號的時-頻特征分析結(jié)果。由圖可知，當(dāng)電鋸切割電纜本體時，檢測得到的振動幅值的低頻主成分在時間軸上呈現(xiàn)不規(guī)則變動，次高頻成分在時間軸上相對平穩(wěn)但幅值較低，更高頻次各成分相對較弱；當(dāng)電鋸切割電纜支架時，其振動幅值的低頻主成分在時間軸上呈現(xiàn)規(guī)則變動，幅值較為平穩(wěn)，在次高頻和高頻區(qū)域各有一些較為平穩(wěn)的頻率分布。

圖21 電鋸切割電纜時的信號時-頻特征分析

3.4 電纜外力擾動特征狀態(tài)量

為了保證較低的數(shù)據(jù)傳輸量，降低通訊單元和中心化計(jì)算的壓力，經(jīng)傳感器向網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù)為精簡狀態(tài)量數(shù)據(jù)，此時需要依靠傳感器本身的ARM來提取電纜振動的特征量。根據(jù)電纜振動信號，可計(jì)算得到加速度、視在強(qiáng)度、累積能量、事件頻率、時頻分布中心，以及判斷得到的振動模式和預(yù)警等級。其中，將視在強(qiáng)度和累積能量作為預(yù)警閾值來啟動ARM中的運(yùn)算，并將精簡狀態(tài)集通過通訊單元及時上傳至上位機(jī)。

為了以精簡數(shù)據(jù)量來描述外力擾動信號的特征，本文基于時-頻分布分析結(jié)果引入以下幾個狀態(tài)特征量：

1）振動累積能量均值（Eint）；

2）時頻能量中心（tm,fm）；

3）80%能量釋放時長（t80）；

4）周期性強(qiáng)度（Rp）。上述狀態(tài)特征量的具體計(jì)算方法如下：

式中，t0和t1分別為振動信號首次超過測量閾值時刻和監(jiān)測時長，F(xiàn)為傳感器模擬帶寬上限值。

式中，fm和tm分別為時頻能量密度中心頻率極值和對應(yīng)時刻，k為極值數(shù)量。

式中，t80為80%能量釋放時長。

式中，fbw為3dB中心頻率帶寬。

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到上述狀態(tài)特征量的典型值，如表2所示。在實(shí)際電纜擾動預(yù)警系統(tǒng)中，這些狀態(tài)量可作為電纜擾動模式識別和危險度等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，并在實(shí)際應(yīng)用中不斷積累和修正。

表2 電纜外力擾動典型狀態(tài)特征量

4 結(jié)束語

電力電纜是城市輸配電系統(tǒng)的重要組成成分，其運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系著城市供電的可靠性。近年來，因施工、偷盜、改造引起的電纜外力破壞問題長期威脅電纜運(yùn)行安全，但由于電纜分布廣、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，目前缺乏有效的監(jiān)測和預(yù)警方法，傳統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)因其改造成本和維護(hù)難度較大，且難以在城市電纜系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)主動預(yù)警。

本文首先基于MEMS加速度傳感器研制了無線分布式的電纜外力擾動智能傳感器，并對其數(shù)據(jù)處理、低功耗電源管理、取能單元以及物聯(lián)網(wǎng)通訊方法進(jìn)行了分析；通過典型外力激勵下電纜振動試驗(yàn)，獲得了電纜振動信號的時域特征和時頻域特征，并提取了可用于振動模式識別的特征參量，然后探索了基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式傳感器和精簡狀態(tài)特征量的電纜防外破智能預(yù)警方法。