基于振动特征的智能电缆防外破监测技术研究

田汉霖 杨 煦 黄一甲 夏爱军

（国网杭州市钱塘新区供电公司，浙江 杭州 311225）

0 引言

随着我国经济社会的飞速发展和城市供电网络体系对可靠性要求的不断提高，城市电网运输体系设计的要求也越来越高，对智能电缆运行稳定性、科学性和可靠性的要求逐步提高。当前，各式各样的智能电缆露天铺设的情况随处可见，造成了很多安全隐患。但智能电缆在城市输配电系统中有重要价值，需要对智能电缆防外破监测技术进行探讨和研究，通过监督、控制智能电缆来增强其主动性和合理性，从而为正常开展智能电缆防外破工作打下坚实基础。

在该背景下，该文对基于振动特征的智能电缆防外破监测技术的探讨和研究就具有重要的理论意义与现实价值。

1 无线压电传感单元的设计

1.1 声波耦合模块

当智能电缆受到外力环境的破坏时，其信号通常为风镐信号、机械挖掘信号以及打桩信号等，上述外力信号在物体的不同频率资源振动条件下有不同的振动信号，因此，该文选择基于微机电系统（EMS）的加速度传感器作为其前端声波的耦合模块，利用具备线性频率响应特征的工具对其测量范围进行科学认证，使加速度传感器受外力破坏时的具体频率特征值如图1 所示。由图1 可知，通过计算、分析压力传感器所获取的振动信号中的加速度信号能够得到该传感器在频率范围内的具体倍数稳定值参数，也就是在未设置前端放大倍数的基础上得到实际输出的电压信号，该增幅往往与智能电缆的外界环境振幅呈线性关系，两者之间的比例系数即为无线压电传感单元传感器电灵敏系数。通过输出电压到震动加速度的换算公式能够得到声波耦合模块智能传感器实际输出的电压值范围，从而得到测量的加速度范围。在集合放大电路的基础上，将微弱的振动特征信号转化为电荷量输出，从而提高其测量精度，最后利用如图1 所示的加速度信号积分计算公式得到相应的速度信号，为在无线压电传感单元频率范围内分析滤波噪声频率以及提取参数特征等任务奠定基础。

图1 频率响应特征曲线

1.2 信号调理电路

无限压电传感单元的振动信号频率为几十赫兹到几百赫兹，无须经过过高的采样率设置就能够得到数据信号的采样和负荷。然而，智能电缆实际加速度幅度值的变化幅度往往较小，为了进一步合理利用其一定的存储空间，往往需要对微弱的振动信号进行一定倍数的放大以及积累原始数据，其放大电路如图2 所示。其中，图2 为原始振动信号的放大电路，主要采用LM324 构成的两级放大电路，是一种低功率单电源四通道运算放大器，其增益为20 dB，采用级联的方式能够尽可能保留振动信号，电阻======10kΩ，====100kΩ，电容======10 μF。采用两级放大电路结构消除整个电路图中直流电的偏执影响，利用隔离处理装置实现对放大电路的模拟，完全保留智能电缆在运行过程中的微弱振动特征，在较大的幅值差距条件下有效去除噪声信号。进一步分析可知，在稳定的电流和电压工艺条件下，无线压电传感单元的信号调理电路在长期工作的监听模式下能够保证电源稳定、持续地输出，所采用的CT结构采取电源能量和锂电池储能装置相结合的方式，能够维持该电路系统的传感器工作，从而在信号的预处理单元中利用电源电路的结构形式稳定输出电压值，对电源电池的实际充、放电过程进行合理控制。

图2 放大电路示意图

2 传感器的功耗管理

在振动特征频率下，传感器的功耗管理主要包括电磁感应线圈能量提取和充放电保护电路2 个部分。以充放电保护电路为例，探究不同模块的能耗损失，从而计算整个智能电缆运行装置的总功耗，根据单一电池供电的方式，其使用在一定时长后得到具体的运行参数，在循环使用容量衰减的电磁结构的过程中，反复利用充、放电路造成的具体能量值的工艺消耗，使充、放电过程及过电流导致的内部电源电池发生强烈的化学反应，影响电池的实际性能和使用寿命。因此，该文采用如图3 所示的保护电路，在整个智能电缆运行过程中防止电池的严重损耗。在电路系统中外接mos 管道集成芯片作为具体电路的开关（FET和FTE），当放电电流参数值过大时，利用自放电控制器断开的方式禁止电流向负极放电，执行其中的放电电流保护功能，电池的充电过程则利用充电装置检测到相应电压，从而禁止其充、放电的电流流向电池。

图3 保护电路示意图

3 典型电缆外力扰动的试验分析

智能电缆受到外力扰动的典型试验分析主要包括电缆外力扰动模式试验分析、电缆振动信号的时域特征分析以及电缆振动信号的时域和频域联合分析3 个部分。以电缆振动信号的时域特征分析为例，智能电缆的转动信号时域分析主要包括周期性振动信号分析和非周期性振动信号分析，周期性振动信号分析是指在无外界环境侵扰的条件下，智能电缆自身的振动振幅受交流场所的电磁力参数值的影响，当负载不平衡时，如果存在外界电磁流状态，就会存在振动信号影响，可使用传感器设备并安装在某智能电缆沟中，以采集其具体的周期性振动信号，探究运行过程中电缆振动测试信号的时域波形（如图4 所示）。由图4 可知，该智能电缆的频率波形图正常，表明该电缆处于正常运行状态，并未受到外界环境的不良干扰，整个震动基准波为50 Hz。

图4 周期性振动信号时域波形图

以非周期性的振动信号为例，非周期性的振动信号是指在模拟智能电缆实际运行状态下受到外在施工环境影响扰动下信号参数的变化情况，在实验室使用切割机、电钻等机械设备模拟相应的外界施工压力试验时，可将传感器固定于两端电缆的本体结构上，利用电钻在电缆本体结构上的刺激，使传感器得到非周期性振动信号波形（如图5 所示）。

图5 非周期性振动信号时域波形图

4 实际案例应用分析——以电缆通道太阳能防外破预警装置为例

目前，主要采用人工巡视和风险点管控等手段开展配电网电缆及通道运行维护及防外破管控工作，运维效率较低，难以实时掌握电缆通道的运行情况，缺乏有效的风险预警机制，难以对时间随机、空间分散的外力破坏事件进行管控。且外破风险点信息来源渠道多，随着施工进度的变化而变化，信息全面性收集难度大，会占用较多的人力资源。因此，需要研制电缆通道太阳能防外破装置、装置低功耗运行技术以及防外破预警装置监控系统对电缆通道智能防外破进行监测。其中，研制电缆通道太阳能防外破装置主要采用AI自学习震动报警识别算法，自适应学习安装环境，识别环境固有震动情况和异常施工震动情况，实时监测电缆管线通道上方施工情况，发现异常事件及时报警；装置低功耗运行技术主要采用太阳能和电池双模供电方式，保证装置可靠运行5 年以上；研究装置NB-LoT 低功耗通信模式，在保证装置正常运行的前提下，尽可能降低运行功耗；构建基于防外破预警装置的监控系统，实现装置运行工况监视、异常情况报警等功能，将防外破预警装置作为现场设备与信息化系统交互的载体，辅助开展电缆及通道运维工作。

综上所述，电缆通道太阳能防外破预警装置能对电缆通道上方的运行环境进行实时监测，采用AI 自学习震动报警识别算法，在自适应学习环境的条件下，自动识别现场出现震动的异常情况，并根据现场的实际情况向后台发出告警信号，辅助开展电缆及通道运维工作，提高巡检效率，保障电力通道安全、稳定地运行，有效提升电缆及通道精益化管理水平，方案示意图如图6 所示。该装置通过在电缆通道上方安装太阳能防外破装置来监控电缆通道方向上的震动幅频，并通过AI 自学习算法达到自适应学习安装环境的目的。当装置监控到振动幅频超过正常运行范围时，通过NB-LoT 低功耗通信模块给后台系统发送报警信息，提醒后台运维人员；同时，在现场发出声光报警信号，警示现场施工人员。该装置将电缆线路、附属设施以及通道建成电力物联网，实现对区域内电缆运行状态与运行环境状态的全面感知，初步实现电缆线路缺陷的自动研判，当安装场景出现小频、高幅振动时，触发中断，唤醒监测终端，给后台发送报警信息，且监测终端进行灯光警示。该产品采用太阳能面板持续为电池供电，能够保证产品拥有较长的使用时间。

图6 电缆通道太阳能防外破装置

通过研制电缆通道太阳能防外破装置，可以对电缆通道上方的运行环境进行实时监测，提供有关线路的异常告警，并将数据传输给后台运维人员。结合NB-IoT、移动通信等物联网技术构建基于太阳能防外破警示装置的电缆及管道防外破管理系统。将电缆通道太阳能防外破装置作为电缆及通道设备与信息化系统交互的载体，辅助开展电缆及通道运维工作，提高巡检效率，保障电力通道可以安全、稳定地运行，从而有效提升电缆及通道精益化管理水平。经过现场测试可知，所设计的智能“防外损”电缆标识牌能够对区域内电缆运行状态与运行环境状态进行全面感知，呈现后台所有信息数据，还能够通过后台对设备端进行管理及控制，使设备至少能运行5 a（其结构和功能也满足市场的相关标准）。

5 结论

综上所述，工程施工和智能电缆系统市政改造等引起的智能电缆外界环境问题频繁出现，长期威胁电缆运行系统的安全性和可靠性。由于智能电缆实际运行分布较广，运行所处的外界环境较为复杂，因此，科学有效的监测和预警方式是确保智能电缆无破损的重要途径。该文设计了一种基于自学习震动报警识别算法的电缆通道太阳能防外破预警装置，该装置能够对电缆通道上方的运行环境进行实时监测，提高巡检效率，也能够保障电力系统安全、稳定地运行，从而有效地提高智能电缆的精益化管控水平。