高壓電纜載波防盜裝置系統

徐子峻，孫志鴻，游小華，徐宏斌，謝 維，陳朝暉

（國網福建省電力有限公司廈門供電公司，福建 廈門 361000）

電力電纜作為電網供電設施，具備安全、穩定、美觀等優點，越來越多被應用于日常電網設施建設和運維工作中。隨著電力電纜大規模投運，對電纜安全運行、事故預防工作的要求也越來越高。電力電纜的防盜主要是電纜附屬的接地線和引流線的防盜。高壓電纜載波防盜裝置是一種專門針對電力電纜接地線和引流線的全新智能防盜系統，該系統采用載波監測、高頻信號探測、無線組網等技術，集開放性、網絡化、模塊化、數字化的全新理念。

1 電纜載波防盜監測現狀與最優方案確定

電力電纜近年發展迅速，總量不斷上升，總體價值高，被盜現象時有發生。電力電纜有著分布廣泛的特點，所以防盜工作也有很多實際困難，是電力部門重要的工作之一。電力電纜本體被盜是一個損失，其帶來的間接損失也不可估量，電纜附屬的接地線和引流線，均為銅質材料，日常電流很小或沒有電流，易成為盜竊目標。接地線和引流線被盜造成的回流故障會進一步引發電纜主體故障，造成更大損失。所以對于電力電纜相關設備設施的日常防盜監測、告警裝置和方法的研究具有重要意義。

目前城市建設纜化率高，電纜隧道、電纜溝及電纜接頭工井分布廣泛，大量的接地線和引流線分布在這些設施現場，日常的維護和檢查工作量繁重，這些設施的損壞和丟失對于電纜本體、電纜接頭及附屬設備的安全運行造成嚴重威脅，電纜工井及隧道內的設施檢查主要依靠人工巡視，不能及時發現破損和被盜情況。

物聯網技術和邊緣計算技術正是針對這種應用場景最佳的技術解決方案，采用物聯網實時感知技術和邊緣計算快速處理技術，有針對性對電纜接地線和引流線進行有效監測管理，同時建立一套結合實時數據采集預警系統，基于電纜隧道地理空間位置信息管理和導航定位功能，為電纜隧道安全運維管理工作的提升提供現代化信息手段，不斷提升電纜隧道管理工作水平。

高壓電纜載波防盜裝置是一種專門針對電力電纜接地線和引流線的全新智能防盜系統。該系統以物聯網和邊緣計算為基礎方案，采用最新載波監測、高頻信號探測，無線組網等技術，集開放性、網絡化、模塊化、數字化的全新理念。電纜隧道或電纜溝加裝高壓電纜載波防盜裝置，不僅能夠實現對隧道和電纜溝、電纜工井內電纜接地線和引流線的實時動態監測，還能夠在發生故障時第一時間通知相關責任人，及時處置，這是當前有效解決電纜接地線和引流線被盜及損壞問題的可行方法。

2 電纜載波防盜監測系統設計與實現

2.1 設計原則

電纜載波防盜監測系統方案的設計原則如下：

安全用電設計。系統所涉及到的電氣設備均采用安全電壓運行，且不引入影響電纜運行的額外危險電源。

工業防護設計。系統內的電氣設備、輔助裝置均按照工業運行準則進行密封防水設計，可滿足高壓電纜通道內的惡劣運行環境。

通信高可靠設計。系統所屬硬件通信裝置運行在高壓電纜隧道內，均采用可靠的有線連接方式和5G 短距離穩定通信，再結合運營商級別的蜂窩通信方式完成監測信號實時通信，保障了可靠的實時監測和預警信息采集。

超長壽命設計。系統整體設計考慮到部署安裝方式方法，傳感器和運算模塊均依照超低功耗目標進行設計生產，系統所涉及的設備設計工作壽命達5 年以上。

混合組網。采用4G、5G、自組網多種通信技術，在不同環境下采用靈活配置，適應不同的工作場所。

2.2 系統構成

高壓電纜載波防盜裝置由載波發生檢測、邊緣計算以及管理系統三大部分構成。其中載波發生檢測實現對盜竊損壞事件的檢測，邊緣計算實現信號分析和預警分析，管理系統用來實現實時化、可視化的動態監測。

本系統中載波發生器、載波檢測器、微基站集中器構成一個分組，與系統后臺之間實現雙向無線數據傳輸。載波發生器、載波檢測器使用電力線載波通信機制實現對電纜實時運行狀態的持續監測，電力線載波（power line carrier，PLC）通信是利用高壓電力線在電力載波領域，作為信息傳輸媒介進行數據傳輸的一種特殊通信方式。電力線載波通信復用了現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸，不需要重新架設網絡，具有投資小、靈活性強、覆蓋范圍廣闊等特點，在電力系統被廣泛使用。使用電力線通信方式發送數據時，發送器會先將數據調制到一個高頻載波上，再經過功率放大后通過耦合電路耦合到電力線上。圖1 展示了載波裝置通信發生的基本特征模型。

圖1 通信發生模型

載波發生器、載波檢測器綜合考慮防水、防污、低成本、低耗電、高可靠等因素，選擇電力線載波通信技術，避免了傳統線纜纏繞檢測技術帶來的施工難、日常誤報等問題。載波發生器、載波檢測器全部按工業準則進行密封防水設計，設備絕緣性能優良，不受外部環境影響，方便部署，可選擇在一個監測點，將載波發生器、載波檢測器同時安裝在一條被檢測主體上，共同組成一個完整的載波傳感器矩陣，提高監測的可靠性和穩定性。

微基站采集器負責定時采集載波檢測控制器的數據，通過本地與內部邏輯運算并轉換為該監測點狀態值，從而達到監測電纜狀態變化的目的，在異常發生時，第一時間發送預警信息，避免引發二次危險。

數據傳輸與無線組網采用了LoRa 自組網技術和4G 混合組網技術，LoRa 通信使用非授權頻段，目前作為大范圍使用的自組網技術，具有建設和維護雙重低成本優點。現場設備與后臺系統之間的數據通信采用4G/NB-IoT 通信技術，技術成熟，通信覆蓋有保證，根據實際環境和對于傳輸控制的不同要求來靈活選擇。

2.3 技術原理

針對現有線纜纏繞方式使用的物理裝置結構不穩定，設備安裝部署工序復雜，電纜隧道內能源獲取不易以及通信環境差等問題，本系統采用最新的物聯網傳感技術，采用高防護等級、全密封非機械式傳感方法，結合低功耗設計和多種可靠通信方式混合組網技術，從載波、傳感、通信、能源、安裝部署多個方面進行綜合改良，解決高壓電纜載波防盜監測難題，并通過了現場復雜環境的檢驗。

本系統高壓電纜載波防盜裝置采用載波檢測原理，在電纜接地線和引流線上疊加高頻無線電波并進行實時檢測，監測電磁波變化。通過擬合差分邊緣計算技術，有效排除因為介質不同（不同型號、材質的載波相位）導致誤報。安裝簡便，混合供電，壽命可達5 年以上。適用于多種環境，可設置自適應功能，產品防護等級高于IP67，可在高溫高濕環境下正常工作。

2.4 主要功能

該系統的整體功能如圖2 所示。主要包括基礎管理、監測及邊緣計算、業務管理等內容，主要功能介紹如下。

圖2 系統功能

傳感設備管理。用于對井下的傳感設備進行管理，可對傳感的設備名稱、地理位置等信息進行編輯。

監測點管理。用于對監測點分布的統一管理，可對監測點進行傳感設備的標識及地理位置的管理。

實時信息管理。用于對實時上傳的監測數據進行管理。可進行查詢、查看等操作。

預警管理。記錄損壞被盜事件的預警記錄上傳，同時系統也會下發信息告知相關管理人員。

數據統計報表。系統支持按照告警時間、地理位置、設備名稱等條件的綜合報表查詢，以圖形化形式進行展現。

微信小程序。在小程序中用戶可查看GIS 地圖，接收定位與告警信息，享受導航定位服務等，系統管理人員可實時了解電纜缺損變化情況，便于及時處理異常問題，有效避免安全隱患，保證正常運行。

2.5 軟件支持

邊緣計算微基站采集器通過無線通信方式實時監測載波發生器發送的載波信號變化狀態，通過本地與內部邏輯運算后，轉換為該監測點外破判斷狀態值，并將結果實時反饋主站。

載波監測功能。系統可對電纜狀態進行實時監測，如超過某個指標，便會發出警報或以高亮形式進行提醒。

日常采集功能。在日常運行中，通過周期采集與載波信息情況分析，將相關監測點狀態信息進行采集和展示，并實時與客戶端聯動。用戶可對歷史數據進行查詢，如電子地圖、表格界面等。在表格界面中包括數據類、報警類、故障類等多種形式，可將每日信息情況進行排列，點擊列表信息，可彈出對應監測點數據窗口，并對其詳細查詢和設置，可更直觀形象地看到報警與故障情況，還可通過圖表形式將監測點信息展現出來。

2.6 硬件支持

載波通信設備，采用ZC7530A 為核心芯片，由RS485 接口電路，基于PLC 標準。內置功能模型如圖3 所示，包括載波接收模塊、載波發射模塊、耦合變壓器和控制芯片。載波接收模塊的輸入端通過耦合變壓器與電力線連接，其輸出端與控制芯片連接。載波發射模塊的輸入端與控制芯片連接。其輸出端通過耦合變壓器與電力線連接。控制芯片基于G3-PLC 標準通過載波接收模塊和載波發射模塊與電力線實現數據交互，具有很強的抗干擾能力，及具備抗電力線噪聲能力。

長江流域水功能區管理的思路為：以嚴守納污紅線為目標，完善流域水功能區考核體系；加強水功能區監測監督，推進不達標水功能區的通報力度和達標建設；深化水功能區基礎理論和技術研究，按行政區提出更明確的限排總量意見。

微基站采集器，如圖4 所示，接收由載波通信設備產生信號信息，通過內置邊緣計算分析當前電纜狀態，以LoRa/2.4G/NB-IoT/4G 通信息方式傳至后臺主站。采集器與載波設備通過無線方式連接通信，定時采集或接收來自載波設備的數據信息，可實現遠距離、超低功耗的無線傳輸，具有適應多種場景環境、使用壽命長、穩定可靠的特點。

圖4 微基站采集器

2.7 程序實現

載波監測裝置發送的實時載波監測信息，可根據電纜隧道現場情況實際需求，選擇通過LoRa/2.4G/NB-IoT/4G 等多種穩定可靠的通信方式混合組網（電纜隧道有通信網絡覆蓋時，采用運營商NB/GPRS/4G 網絡，當電纜管廊分散或無運營商信號時，采用自建LoRa 基站實現一對多組網方式，空曠區域覆蓋2000 m 有效范圍）傳回監測主站軟件采集后臺。在異常發生時，第一時間發送預警信息，避免引發二次危險。系統整體結構如圖5 所示。

圖5 系統整體結構

邊緣計算微基站采集器通過無線通信方式實時監測載波發生器發送的載波信號變化狀態，通過本地與內部邏輯運算后，轉換為該監測點外破判斷狀態值，并將結果實時反饋回主站，進一步完成預警信息發送、告警解除推送等，結合云計算對物聯網實時數據分析管理，提供對監測點故障變化歷史回溯和發展預判，為進一步指導電纜隧道防盜防外破工作改進提升做好數據保障。

3 電纜載波防盜監測安裝標準與措施

3.1 安裝標準與措施

載波設備能適應多種安裝環境，安裝時須定點牢固，更換方便即可，載波設備具有可靠的防震保護。載波供電電源應有獨立的分路開關和熔斷絲，避免多機共用，防止測試載波通道時引起繼電保護裝置誤動，測試通道時，發送測試頻率點的信號，不可連續變換頻率，在確定測試頻率點時，須注意避開被測線路及臨近線路上的繼電保護信號頻率。待現場設備完全安裝后，可與主站通信測試，系統只須簡單配置或提前設置好后即可收到上報數據信息。

3.2 系統試運行

系統采用4G 技術與LoRa 組網相結合的方式，后者擁有終端模塊成本低，且無其他日常費用等優勢。現場設備與后臺系統間的數據可利用4G/NBIOT 通信，技術成熟可靠，覆蓋面積較大，可根據實際傳輸需求靈活調整。在該系統運行中載波檢測器可將檢測狀態實時傳遞給微基站采集器，采集器對數據再次進行集中處理后發送到后臺系統。后臺在接收到無線指令后，即可完成信息展示、告警、電纜監測等。

系統自安裝上線以來，運行良好、狀態穩定，很好地解決了電纜防盜監測工作。取得成效包括以下幾點：

采用物聯網技術打通了物與物、物與人的連接性，利用現代科技手段，很好地規避了現場電纜被盜引起的二次災害風險。

實現了對現場電纜實時監測、電纜質量安全及相應告警，且能做到快速定位故障點，為電纜防護工作提供有效的數據支撐，大大降低一線作業人員的巡檢壓力，提升部門中心對電纜防盜工作的效果及處置能力。

當前城市電纜地下建設范圍逐漸擴大，由于經濟利益驅使電纜被盜現象時常發生，給電力系統的安全造成嚴重影響。對此本研究結合物聯網、邊緣計算技術等關鍵技術，設計出高壓電纜載波防盜系統。通過該系統的應用，可實時監測電纜相關設備的運行情況，并在損壞和丟失故障發生時能夠及時通知運維人員進行處理，為電纜安全運維管理工作的提升提供了現代化信息管理手段，提升管理水平。