一、引言

電力電纜局部放電監(jiān)測與電纜的運(yùn)行安全水平息息相關(guān)，為了增強(qiáng)電力設(shè)備的運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警，感知設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，有必要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。建立起靈敏的在線監(jiān)測系統(tǒng)，對系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、穩(wěn)定監(jiān)測，了解電流泄漏情況、局部放電情況、溫度上升情況，并提高電纜運(yùn)行系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)的電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)

在部署信息網(wǎng)絡(luò)框架的過程中，加強(qiáng)對先進(jìn)科技的運(yùn)用，能夠更好地執(zhí)行傳感器的傳感、計(jì)算、溝通等任務(wù)，進(jìn)而促進(jìn)信息的有效交換。這種交換不僅涵蓋了人與人之間的信息溝通、人與物之間的信息交換，還涵蓋了物與物之間的信息流通。通信技術(shù)憑借其低功率和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，逐步擴(kuò)大了應(yīng)用規(guī)模，不僅在消費(fèi)市場上得到了廣泛應(yīng)用，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也日益廣泛。其成本低、便捷性強(qiáng)的特點(diǎn)，為構(gòu)建信息網(wǎng)絡(luò)框架提供了有力支持，特別是在配電電纜監(jiān)測中展現(xiàn)出了巨大潛力。配電電纜監(jiān)測介人量較大，成本敏感且分布區(qū)域較為廣泛，利用通信技術(shù)，可以有效地提升監(jiān)測效果。在運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行電纜局部放電分布式監(jiān)測的實(shí)踐中，要針對物理層面的技術(shù)問題進(jìn)行改進(jìn)。目前，利用微機(jī)電系統(tǒng)的集成化傳感器已經(jīng)得到逐步發(fā)展，技術(shù)趨于成熟，為這一改進(jìn)提供了有力支撐。然而，在局部放電監(jiān)測中，傳感器的應(yīng)用依然存在一些挑戰(zhàn)，特別是在互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測環(huán)境下，直接使用專用傳感器仍面臨困難。因此，無線局放傳感器和可擴(kuò)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知的基礎(chǔ)組成部分，是必要的應(yīng)用資源，發(fā)揮其成本低、維護(hù)便捷和開發(fā)功耗低的應(yīng)用優(yōu)勢，可以有效地實(shí)現(xiàn)對電纜運(yùn)行情況的監(jiān)測。另外，電纜監(jiān)測中存在著較多的節(jié)點(diǎn)信息，匹配的復(fù)雜程度較高，數(shù)據(jù)的應(yīng)用存在分散化的問題，因此，網(wǎng)絡(luò)框架要具備一定的靈活性和擴(kuò)展性，能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，才能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，提高數(shù)據(jù)應(yīng)用的有效性。由此可見，目前在物聯(lián)網(wǎng)支持下的電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨著諸多的挑戰(zhàn)[1]。

三、利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)軟件的要點(diǎn)

基于對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，對電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)多個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，對信息進(jìn)行檢測、匯總、建設(shè)、存儲，為運(yùn)行管理人員提供一定的參考。在遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，首先要在需求分析環(huán)節(jié)，確定要監(jiān)測的電纜類型、數(shù)量、分布位置等信息，了解電纜的運(yùn)行環(huán)境和工作條件，例如，是監(jiān)測城市地下電纜、工廠內(nèi)部電纜還是變電站電纜等。在此基礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、局部放電定位、故障預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表生成等。對系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)，了解系統(tǒng)的使用用戶群體。在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，要設(shè)計(jì)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層，數(shù)據(jù)采集模塊中，實(shí)現(xiàn)與傳感器的通信。定時(shí)或?qū)崟r(shí)采集電纜局部放電數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)狡脚_層，采用可靠的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密傳輸，傳輸過來的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。注意對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去除噪聲、異常值和重復(fù)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，該環(huán)節(jié)可以采用濾波算法、統(tǒng)計(jì)分析方法等進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗[2]。

四、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)策略

（一）設(shè)計(jì)無線傳感器總體架構(gòu)

傳感器單元是一種檢測設(shè)備，可以對電纜放電情況進(jìn)行直接檢測，將其安裝在電纜接地線上，在對電纜內(nèi)部放電活動進(jìn)行監(jiān)測的過程中，要對檢測收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再經(jīng)過網(wǎng)關(guān)，在通信模塊的作用下，依據(jù)互聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸。使用無線傳感器，要發(fā)揮其續(xù)航能力強(qiáng)、免維護(hù)的優(yōu)勢，節(jié)約成本，在電纜附件上使用的傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具備低成本和小體積的優(yōu)勢，在能量管理單元中配備模擬信號單元、傳感器信號預(yù)處理系統(tǒng)、信號處理單元和通信單元。設(shè)計(jì)無線傳感器總體架構(gòu)，完善其功能，檢測電纜局部放電情況，在總體架構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的是局部放電信號的采集，傳感器節(jié)點(diǎn)包括超聲波傳感器、高頻電流傳感器等局部放電傳感器，除此之外，還涵蓋了信號處理單元和無線通信模塊。

中繼節(jié)點(diǎn)是用于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和傳輸距離的構(gòu)成，主要起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用，在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，要注重收集傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器或本地?cái)?shù)據(jù)處理中心，在數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、分析和可視化，從而為運(yùn)行管理人員提供監(jiān)測報(bào)告和預(yù)警服務(wù)。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳感器節(jié)點(diǎn)在無線通信協(xié)議中，與中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，考慮信號傳輸距離、功耗和可靠性，選擇合適的通信協(xié)議和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如星型、樹型或網(wǎng)格型拓?fù)洹Ｍ晟苽鞲衅鞴δ?，使用高頻電流傳感器檢測電纜中流過的高頻電流信號，分析局部放電活動，借助超聲波傳感器檢測由局部放電引起的超聲波信號，超高頻傳感器負(fù)責(zé)檢測局部放電產(chǎn)生的電磁波信號。對原始信號進(jìn)行濾波、放大等處理，以提高信號的信噪比，提取局部放電信號的特征參數(shù)，包括放電幅值、放電次數(shù)、放電相位等，并采取數(shù)據(jù)壓縮的方式，對提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，減少傳輸數(shù)據(jù)量，提高通信效率。選擇低功耗、高可靠性的無線通信模塊，可以支持傳感器節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，并支持自組網(wǎng)功能，從而保證節(jié)點(diǎn)之間的通信穩(wěn)定。

（二）集成化傳感器的性能校驗(yàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)對集成化傳感器的性能校驗(yàn)，目的是保證系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性、準(zhǔn)確性，在出廠前對傳感器進(jìn)行傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)定，保證每個(gè)傳感器的讀數(shù)在特定條件下是一致的。使用標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)設(shè)備，例如高精度示波器，對傳感器進(jìn)行比對，獲取準(zhǔn)確的測量值，在此基礎(chǔ)上，對傳感器的靈敏度進(jìn)行測試，檢測不同強(qiáng)度的局部放電信號。測試傳感器對不同頻率信號的響應(yīng)，保證其能夠準(zhǔn)確檢測局部放電信號的頻率特性，校驗(yàn)傳感器輸出信號與輸入信號的線性關(guān)系，保證傳感器在整個(gè)測量范圍內(nèi)保持線性輸出。在多個(gè)不同的輸入信號強(qiáng)度下進(jìn)行校準(zhǔn)，驗(yàn)證傳感器的線性度，加強(qiáng)對傳感器的長期測試，評估其在長期使用中的穩(wěn)定性、可靠性，測試傳感器在不同溫度、濕度和電磁干擾條件下的性能，在各種環(huán)境下保持傳感器的穩(wěn)定性。

評估傳感器在電磁干擾環(huán)境中的性能，強(qiáng)化其抗干擾能力，測試傳感器在噪聲環(huán)境中的信噪比，可以有效抑制噪聲干擾，準(zhǔn)確檢測局部放電信號，測試傳感器在不同信號強(qiáng)度下的響應(yīng)，檢測到從微弱到強(qiáng)烈的局部放電信號，評估傳感器在強(qiáng)信號輸入情況下的保護(hù)機(jī)制，避免出現(xiàn)因過載而損壞的問題。在信號處理模塊校驗(yàn)中，測試傳感器信號處理模塊的濾波、放大功能，評估信號處理模塊的特征提取功能，準(zhǔn)確提取局部放電信號的幅值、次數(shù)、相位等特征參數(shù)。采取實(shí)驗(yàn)室測試的方式，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對傳感器進(jìn)行系統(tǒng)性的性能校驗(yàn)，包括靈敏度、線性度、穩(wěn)定性和抗干擾性能等，使用標(biāo)準(zhǔn)信號源和測試設(shè)備，對傳感器進(jìn)行重復(fù)測試。在實(shí)際使用環(huán)境中，對傳感器進(jìn)行現(xiàn)場校驗(yàn)，評估其在真實(shí)應(yīng)用場景下的性能，實(shí)施長期監(jiān)測，評估其在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性和可靠性。注重收集和分析校驗(yàn)數(shù)據(jù)，對傳感器的性能進(jìn)行綜合評估，比較傳感器測量值與基準(zhǔn)設(shè)備測量值，驗(yàn)證傳感器是否準(zhǔn)確、可靠[4]。

（三）傳感器的低功耗管理

傳感器節(jié)點(diǎn)有著分布范圍廣泛、數(shù)量多的特點(diǎn)，在對傳感器進(jìn)行管理的過程中，應(yīng)避免在設(shè)備檢修周期內(nèi)對電池進(jìn)行更換，加強(qiáng)對電池的高效化管理，制定精細(xì)化的運(yùn)行策略。應(yīng)把握關(guān)鍵點(diǎn)，對局部放電傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中信號傳輸和接收部分作為主導(dǎo)功耗的部件，是傳感器管理中的要點(diǎn)，采取動態(tài)斷點(diǎn)檢測的方式，對傳感器的基礎(chǔ)功耗進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)傳感器高效、低功耗運(yùn)行。加強(qiáng)動態(tài)斷點(diǎn)檢測，在傳感器系統(tǒng)中，根據(jù)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男枰?，動態(tài)調(diào)整傳感器的工作狀態(tài)，使其在不需要工作時(shí)進(jìn)入低功耗模式，降低整體功耗，傳感器在采集數(shù)據(jù)時(shí)處于工作模式，消耗較高的功率。例如，在短時(shí)間內(nèi)不需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，傳感器進(jìn)入待機(jī)模式，功耗相對較低，在較長時(shí)間內(nèi)不需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，傳感器進(jìn)入休眠模式，功耗最低。根據(jù)電纜局部放電活動的特性，設(shè)置適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采集周期，采集周期可以是固定的，也可以根據(jù)檢測到的放電活動進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，當(dāng)傳感器檢測到異常的局部放電活動時(shí)，應(yīng)立即從低功耗模式切換到工作模式，進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

設(shè)置局部放電信號的閾值。當(dāng)檢測到的信號超過閥值時(shí)，將傳感器從低功耗模式切換到工作模式，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境變化，自適應(yīng)調(diào)整閾值和采集周期，優(yōu)化功耗控制策略。加強(qiáng)硬件支持，選擇支持多種功耗模式的低功耗傳感器芯片，例如具有休眠、待機(jī)和工作模式的微控制器，設(shè)計(jì)高效的電源管理模塊，支持快速切換傳感器的工作模式，減少模式切換時(shí)的功耗，在傳感器固件中設(shè)定功耗管理程序，根據(jù)設(shè)定的策略控制傳感器的工作模式。實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器的狀態(tài)和檢測到的局部放電信號，動態(tài)切換傳感器的工作模式，設(shè)置傳感器的初始采集周期和閾值，根據(jù)電纜局部放電的特點(diǎn)進(jìn)行合理配置，實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器的檢測信號，當(dāng)信號超過設(shè)定閾值時(shí)，立即切換到工作模式進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析數(shù)據(jù)，預(yù)測局部放電活動的規(guī)律，進(jìn)一步提高功耗控制的智能化水平[5]。

（四）基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

傳感器在物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測中作為物理基礎(chǔ)，可以獲取采樣測量值和狀態(tài)變量的有關(guān)的參數(shù)，并對命令進(jìn)行執(zhí)行，向傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行命令分配，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下，設(shè)計(jì)傳感網(wǎng)絡(luò)，需要在上下鏈路網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)中合理利用網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，在上下鏈路中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和功耗管理，優(yōu)化傳感網(wǎng)絡(luò)性能。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集局部放電數(shù)據(jù)，基于無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴弦患壒?jié)點(diǎn)，在中繼節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器或本地?cái)?shù)據(jù)處理中心，選擇網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器時(shí)，應(yīng)選擇低功耗、高效率的收發(fā)器，使用高帶寬、低延遲的收發(fā)器，如Wi-Fi、LTE等，適用于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。

對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和聚合，減少冗余數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸量，在中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多跳傳輸，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，采用可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、?zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)處理中心，基于對網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的運(yùn)用，向傳感器節(jié)點(diǎn)下發(fā)命令，例如調(diào)整采集頻率、改變工作模式等，監(jiān)控傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，及時(shí)獲取傳感器的工作信息和電量情況。動態(tài)調(diào)整收發(fā)器的工作模式，降低傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，例如，在數(shù)據(jù)采集間隔期內(nèi)，使收發(fā)器進(jìn)人低功耗模式，根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，動態(tài)選擇最佳通信信道，減少干擾，提高通信效率，在傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理，減少傳輸數(shù)據(jù)量，降低收發(fā)器的工作負(fù)載。

（五）設(shè)計(jì)傳感層數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用下的電纜局部放電分布式監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳感層的數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)高效、可靠傳輸密切相關(guān)，在傳感層數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)中，涉及了傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸。在傳感層數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有必要把握關(guān)鍵點(diǎn)，注重對傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，傳感器節(jié)點(diǎn)包括高頻電流傳感器、超聲波傳感器、超高頻傳感器等，用于實(shí)時(shí)采集電纜局部放電信號，采取多通道采集的方式，同時(shí)監(jiān)測多個(gè)局部放電信號，保證數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。在傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)預(yù)處理，例如信號濾波、去噪和特征提取，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和信噪比，對多個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合處理，減少冗余數(shù)據(jù)，控制傳輸負(fù)載，對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)量，提高傳輸效率，在傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步的異常檢測，并標(biāo)記局部放電事件，為后續(xù)的詳細(xì)分析提供基礎(chǔ)。

五、結(jié)束語

綜上所述，在電纜安全運(yùn)行的管理中，要注重對電力電纜系統(tǒng)的局部放電情況的監(jiān)測，利用先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)方法，對電纜運(yùn)行中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。加強(qiáng)對電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，優(yōu)化電纜的系統(tǒng)運(yùn)行效果，這樣才能助力電纜系統(tǒng)的高效率運(yùn)行。

作者單位：金春雷保定天威新域科技發(fā)展有限公司

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