一種電力電纜線路防外力破壞的預警及檢測裝置設計與實現

李建斌 許金彤

（國網浙江杭州市蕭山區供電公司，浙江 杭州311201）

0 引言

國內對于電力電纜防外力破壞已有相關研究基礎。文獻［1］講述了XLPE電力電纜的試驗條件、測試環境以及未來的發展前景；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］設計電纜防外力破壞智能預警機制，進一步提高了系統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、系統主機以及手持終端等部分組成，實現了對電力電纜運行環境的良好檢測。

1 數據處理

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狀態方程，通過系統輸入、輸出來觀測數據，并對系統狀態做出最優估計的算法［4］。具體介紹如下：

假設線性離散方程為：

式中，xk為狀態變量；Zk為量測變量；ωk為系統噪聲量；γk為量測噪聲變量；Ak為狀態轉移矩陣；Hk為量測轉移矩陣。

其遞推方程如下：

狀態預測：

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

卡爾曼濾波器是一個最優化自回歸數據處理算法，對于解決很多問題，它是最優的且應用廣泛。

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：

根據測量值個數及顯著性水平α，查表得格拉布斯準則數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，應予以舍棄。重復上述步驟，直至所有樣本都經格拉布斯準則判斷過。

2 硬件構成

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

圖" 硬件結構圖

電源管理主要由電池管理模塊和12V／100Ah蓄電池組成，負責控制蓄電池充放電。電池管理模塊主要分預充電、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場設備狀態。

防外力破壞系統主機主要由電源管理、多通道A／D檢測單元、視頻監控模塊、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。當工作人員進行現場巡檢時，使用現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據交互。光纖傳輸可以替代GSM傳輸，從而實現系統后臺數據對接。存儲模塊主要存儲系統基礎數據，如短信收發電話、傳感器報警門限、傳感器報警機制、圖片等。

3 軟件設計

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，通過振動信號和噪聲信號將輸出的電壓信號傳輸到多通道A／D檢測單元進行模數轉換后將數據發送至中央處理模塊，中央處理模塊對傳感器采集數據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。數據進行濾波后，由中央處理模塊對比分析破壞振動源，然后使用GPIO控制打開視頻監控模塊進行現場圖像信息采集，將現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送給相關工作人員，從而實現快速準確的告警，工作人員收到短信后可通過GSM模塊進行實時喊話，及時制止現場的破壞行為。具體處理程序如圖2所示。

4 結語

本裝置的視頻監控可提高電力電纜管理效率，節約工作記錄本、設備資料、復印等費用，大大降低辦公費用；通過視頻監控系統實時分析的方式，對大型施工機械違章超高作業行為實時抓拍照片，即時自動播報短信和語音提示信息，及時制止危險作業。該電力電纜防外力破壞裝置的提前預警功能和GPS定位功能，可精確定位到關鍵區域線路的狀態，對破壞行為進行提前預警，使關鍵區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計分析［J］.高壓電技術，2003，29（6）：14－16.

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

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