高压电缆综合在线智能监测系统

技术领域

本发明属于电缆安全技术领域，尤其涉及一种高压电缆综合在线智能监测系统。

背景技术

随着电力系统的高速发展，高压电缆在电力系统中的应用范围也逐渐扩大。电缆线路大多建设在地下，美化了城市，节约了输电走廊的占地。城市电网改造，电缆线路取代传统的架空线路是必然趋势。北京、上海等大城市主要区域，架空线路已基本被高压电缆线路取代，成为城市核心区电网的首选。据统计，北京市拥有供电线路8000多千米，电缆18000多千米。电缆的运行状况对于保障电网的安全可靠运行具有重要意义。

高压电缆的基本结构主要包括四个部分，分别为纤芯、绝缘层、屏蔽层和保护层。在这四部分中，线芯是高压电缆中电流传播的载体，是高压电缆的重要组成部分。绝缘层起到的是将线芯与外界隔离的作用，而屏蔽层分为导体屏蔽层和绝缘屏蔽层，主要存在于15千瓦以上的高压电缆中。保护层则是保护高压电缆以防止电缆外杂质和环境中水分的渗入以及外力对电缆的损坏。当高压电缆频繁产生局部放电时，最终使高压电缆的附件绝缘体被击穿。由于电缆内部绝缘缺陷难以及时发现，若不及时采取相应措施，这种绝缘劣化呈恶性蔓延，长此以往将造成电缆绝缘击穿，严重威胁安全运行。

目前，国内大多数主干电缆的管理仍然处于计划检修阶段，定期试验和检修不仅增加运维成本，而且无法及时排查电缆绝缘缺陷和潜在故障隐患。超高压电缆的运行状态和性能在线监测是保障电缆安全可靠性的重要途径，国内外均没有明确的规范和标准可以直接借鉴，虽然在国内已经有企业和供电单位开始进行电缆运行状态在线监测的相关研究和探索，但是监测系统可实现的功能过于单一，大多局限于隧道内环境监测和防盗监测等方面，而对于超高压电力电缆金属护层接地电流、电缆接头温度、电缆内部局部放电监测与故障定位等综合性的电缆状态在线监测平台的建设尚无先例。

中国发明专利申请CN202011027621.0提出一种电缆沟环境状态监测方法，包括如下步骤：1)准备电缆沟环境状态监测系统，包括远程监测平台、集中器、无线水浸及感温感烟监测装置；同一条电缆沟上设有多个无线水浸及感温感烟监测装置，同一条电缆沟上所有的无线水浸及感温感烟监测装置与一个集中器无线通信连接，所有集中器均与远程监测平台无线通信连接；所述无线水浸及感温感烟监测装置包括水浸传感器、烟雾传感器、温湿度传感器、控制器、无线通信模块、电源模块；2)传感器实时监测电缆沟环境状态，一旦监测到有异常现象，将会产生报警信号，并发送给远程监测平台，远程监测平台主动实时把告警信息推送到各个监控维护人员。该方法提高了输电可靠性和安全性。

然而，发明人发现，传统的电缆监测系统一方面监测数据信息少，例如仅仅使用烟雾探测设备、热释离子探测设备、视频设备等，导致电缆火灾极早期的判断和预警不准，另一方面电缆本体的局放、环流、负荷等监测数据没有与电缆服役环境数据进行整合，无法对电缆的火灾的起源进行综合预警。同时，电缆的监测系统没有将所有监测数据与消防灭火装置控制信号进行联动，自动化和智能化程度低。这就导致往往火情发生到一定阶段后才能发出报警，此时已经错过了最佳处理时机，而且大量的火灾预警不准确，给电力系统造成不可挽回的损失或造成不必要的人财物的损耗；此外，现有技术的方案在数据传输和能耗方面也存在诸多缺陷，例如，多种设备需要时刻运行，存在极大的能耗。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种高压电缆综合在线智能监测系统，包括现场采集单元组、远端监控主机和系统通信后台。现场采集单元组包括局放采集单元、环流采集单元、振动采集单元、环境采集单元以及视频采集单元；局放采集单元包括第一紫外光检测单元、第二超声波检测单元、边缘数据处理单元以及局部放电在线监测组件；边缘数据处理单元获取第一紫外光监测单元采集的紫外光信号和第二超声波检测单元获取的超声波信号得出局部放电识别结果并得出所述高压电缆在本次时间区段内的智能监测结果。若所述局部放电识别结果满足预定条件，则激活所述局部放电在线监测组件。

具体而言，本发明提出的所述监测系统包括现场采集单元组、远端监控主机和系统通信后台，所述现场采集单元组包括局放采集单元、环流采集单元、振动采集单元、环境采集单元以及视频采集单元；

所述环流采集单元用于监测电缆护层接地电流，并将监测数据实时传输至接地电流采集主站；

所述振动采集单元用于检测所述高压电缆所在环境的外破信号；

所述环境采集单元包括微气象监测传感器、水位传感器以及井盖监测传感器；

所述视频采集单元包括图像采集单元以及入侵目标判别引擎；

作为概括性的介绍，本方面的一个重要改进在于：所述局放采集单元包括第一紫外光检测单元和第二超声波检测单元；

所述第一紫外光检测单元按照第一采样周期对所述高压电缆的预定范围进行紫外光信号采集；

所述第二超声波检测单元按照第二采样周期在所述高压电缆的所述预定范围内进行超声波信号检测；

所述局放采集单元还包括边缘数据处理单元；

所述边缘数据处理单元连接所述第一紫外光检测单元和所述第二超声波检测单元；

所述第二采样周期滞后于所述第一采样周期，并且一个所述第一采样周期和一个所述第二采样周期构成一个连续的时间区段；

在时间上连续的一个第一采样周期和一个第二采样周期构成的时间区段内，所述边缘数据处理单元获取所述第一紫外光监测单元采集的紫外光信号和所述第二超声波检测单元获取的超声波信号；

显然，上述过程为循环采样。

所述边缘数据处理单元基于所述紫外光信号和所述超声波信号得出局部放电识别结果；

基于所述局部放电识别结果以及所述环境采集单元的监测结果，得出所述高压电缆在本次时间区段内的智能监测结果。

本方面的再一个重要改进在于：所述局放采集单元还包括局部放电在线监测组件；

若所述边缘数据处理单元得出的所述局部放电识别结果为所述高压电缆的预定范围内存在局部放电，则激活所述局部放电在线监测组件。

进一步的，所述监测系统与隧道通风系统以及消防系统通信；

当所述微气象监测传感器监测到的第一目标参数满足第一预定条件时，自动启动所述隧道通风系统和/或消防系统。

所述监测系统与现场联动水泵通信；

当所述水位传感器监测到的第二目标参数满足第二预定条件时，启动所述现场联动水泵。

本发明提出的高压电缆综合在线智能监测系统，结合了物联网和智能传感器技术实现了电缆本体局放、环流、温度监测，以及隧道环境的视频、有害气体、温湿度等监测，并可无缝融合消防系统、水泵系统、风机系统等控制信号，形成了电缆的全息感知能力；结合人工智能方法，实现智能联动，建立电缆全周期管控策略，有效提高故障早期预警的准确性，为处理故障隐患赢得宝贵时间，保障电网运行安全。

本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的一种高压电缆综合在线智能监测系统整体示意图

图2是图1所述系统中现场采集单元组的数据通信示意图

图3是图1所述系统中局放采集单元的结构示意图

图4是图1所述系统中局放采集单元的不同采样周期的采样示意图

图5是图1所述系统中所述局放采集单元使用的局放采集主机的连接示意图

图6是图1所述系统中所述环流采集单元使用的环流采集主机的连接示意图

图7是图1所述系统中所述环境采集单元使用的环境采集主机的连接示意图

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。

首先，介绍本发明的不同实施例可能涉及到的技术术语：

1)电缆本体cable body指除去电缆接头和终端等附件以外的电缆线段部分。

2)电缆附件cable accessories电缆终端、电缆接头等电缆线路组成部件的统称。

3)电缆接头cable joint连接电缆与电缆的导体、绝缘、屏蔽层和保护层，以使电缆线路连续的装置。

4)局部放电Partial Discharge指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电，它是由于设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷，在高电场强度作用下发生重复击穿和熄灭的现象。

继续前背景技术所述，电力电缆作为电网运行的重要通道，对电网安全运行起着巨大的作用。近年，随着一次、二次变电设备的不断更换，电网设备装备水平不断提高，电缆防火问题随之突显出来，特别是老旧变电站及老旧线路。根据国家电网公司十八项反措的要求，结合变电站及电缆通道的实际情况，电缆防火治理工作就显得尤其重要。

电缆对整个电网的运行发挥着重要的作用，在变电站内其数量多而且遍布全站，输电线路中，地下电缆更是错综复杂，在电缆通道内，由于电缆沟内电缆沿着电缆沟、隧道、竖井纵横交错，距离长、路面窄、照明条件差，如果设计敷设不当、长期超负荷运行、遭受化学腐蚀、管理不到位等很容易引起电缆火灾。一旦发生火灾，会产生大量有毒气体和烟雾，有毒气体和烟雾会迅速充满沟道空间，能见度低，起火后虽然能利用排烟机排烟，但也难以及时排出有毒烟雾，同时沟道在大火猛烈燃烧时温度可达到600—800℃，会造成电缆支架烧熔，电缆线芯烧成珠状。由于沟道内通道狭窄，电缆燃烧产生的气体与水结合形成强烈的酸雾附着在电气装置上，不仅会破坏电气设备，还会导致有关电气设备短路，造成“二次灾害”，直接威胁灭火人员的生命安全，极易造成灭火人员发生中毒伤亡事故。电缆着火不仅直接烧毁大量有价值的电缆，“二次灾害”极易造成控制回路失灵，也破坏其它电气设备装置，引起其它装置燃烧爆炸，而且恢复运行时间长、难度大，后果更加严重，损失更大，严重影响设备的安全稳定运行。

目前，国内大多数主干电缆的管理仍然处于计划检修阶段，定期试验和检修不仅增加运维成本，而且无法及时排查电缆绝缘缺陷和潜在故障隐患。超高压电缆的运行状态和性能在线监测是保障电缆安全可靠性的重要途径，国内外均没有明确的规范和标准可以直接借鉴，虽然在国内已经有企业和供电单位开始进行电缆运行状态在线监测的相关研究和探索，但是监测系统可实现的功能过于单一，大多局限于隧道内环境监测和防盗监测等方面，而对于超高压电力电缆金属护层接地电流、电缆接头温度、电缆内部局部放电监测与故障定位等综合性的电缆状态在线监测平台的建设尚无先例。

发明人归纳，现有技术至少存在如下缺陷：

(1)监测数据信息少，例如仅仅使用烟雾探测设备、局放设备、视频设备等，导致电缆故障早期的判断和预警不准。

(2)电缆本体的局放、环流等监测数据没有与电缆服役环境数据进行整合，无法对电缆的故障的起源进行综合预警。

(3)没有智能联动，自动化和智能化程度低，电缆出现灾害时处理不及时；预警报警不及时。

(4)没有考虑电缆实际埋设环境的数据传输以及设备使用的能耗问题。

基于上述问题，接下来具体介绍本发明的各个实施例。

图1示出了一种高压电缆综合在线智能监测系统，所述监测系统包括现场采集单元组、远端监控主机和系统通信后台，所述现场采集单元组包括局放采集单元、环流采集单元、振动采集单元、环境采集单元以及视频采集单元。

在图1基础上，参见图2，图2示意性的示出了图1所述系统中现场采集单元组的数据通信示意图。

图2可见，系统采用模块化设计方式，可以根据不同需求进行模块化配置，监控主机和监测后台连接的采集单元，包括电缆接头本体的高频局放、护套环流、温度在线监测，隧道内液位、井盖、温度、湿度、CH4、CO、CO2、H2S、O2、烟雾、光照、视频、振动等整体环境监测以及联动消防系统、水泵系统、风机系统等控制信号，对电缆隧道进行综合监控和分析预警，实现电缆隧道的全面感知、主动预警。

在图1-图2基础上，参见图3。

所述局放采集单元包括第一紫外光检测单元、第二超声波检测单元以及局部放电在线监测组件；

所述第一紫外光检测单元按照第一采样周期对所述高压电缆的预定范围进行紫外光信号采集；

所述第二超声波检测单元按照第二采样周期在所述高压电缆的所述预定范围内进行超声波信号检测；

所述局放采集单元还包括边缘数据处理单元；

所述边缘数据处理单元连接所述第一紫外光检测单元和所述第二超声波检测单元；

所述第二采样周期滞后于所述第一采样周期，并且一个所述第一采样周期和一个所述第二采样周期构成一个连续的时间区段；

在时间上连续的一个第一采样周期和一个第二采样周期构成的时间区段内，所述边缘数据处理单元获取所述第一紫外光监测单元采集的紫外光信号和所述第二超声波检测单元获取的超声波信号；

所述边缘数据处理单元基于所述紫外光信号和所述超声波信号得出局部放电识别结果；

基于所述局部放电识别结果以及所述环境采集单元的监测结果，得出所述高压电缆在本次时间区段内的智能监测结果。

若所述边缘数据处理单元得出的所述局部放电识别结果为所述高压电缆的预定范围内存在局部放电，则激活所述局部放电在线监测组件。

进一步的，所述环境采集单元还包括温度传感器组件；

若所述边缘数据处理单元得出的所述局部放电识别结果为所述高压电缆的预定范围内存在局部放电，则激活所述微气象监测传感器与所述温度传感器组件。

需要指出的是，在上述实施例中，所述边缘数据处理单元是指能够在本地独立完成边缘计算的终端或者模块组件。

边缘计算，是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。

本实施例中，更特殊的，边缘计算是在靠近数据产生源段的一侧的本地计算，无需时刻与外界保持沟通，而仅在本地具备一定数据分析和处理能力的数据处理与引擎模型基础上，在本地独立进行数据分析和数据预测，其至少包括一种压电缆局部放电声的光联合检测或者声光联合预警模型。

所述第一采样周期和一个所述第二采样周期构成一个连续的时间区段的示意性例子可参见图4。

在图4中，示出了多个采样时间节点0-1→2→3→4→……i→i+1；

则在0-1这个时间段，所述第一紫外光检测单元对所述高压电缆的预定范围进行紫外光信号采集，此时所述第二超声波检测单元不动作(即不进行超声波检测)；

从时间节点1到时间节点2这个区间，所述第一紫外光检测单元不动作(停止紫外光检测)，而从时间节点1开始，所述第二超声波检测单元在所述高压电缆的所述预定范围内进行超声波信号检测，直到时间节点2停止；

从时间节点2开始，到时间节点3这个区间，所述第一紫外光检测单元对所述高压电缆的预定范围进行紫外光信号采集，此时所述第二超声波检测单元不动作(即不进行超声波检测)；

依次类推；

上述过程可以概括为：

所述第一紫外光检测单元按照第一采样周期对所述高压电缆的预定范围进行紫外光信号采集；

所述第二超声波检测单元按照第二采样周期在所述高压电缆的所述预定范围内进行超声波信号检测；

所述第二采样周期滞后于所述第一采样周期，并且一个所述第一采样周期和一个所述第二采样周期构成一个连续的时间区段。

进一步的，参见图5。

所述局放采集单元还包括局部放电在线监测组件；

所述局部放电在线监测组件利用高频法或特高频法对高压电缆局部放电进行在线监测，独立完成局放信号采集和调理、干扰和监测数据的处理、放电量、放电次数等局放参数的统计和分析并完成数据显示及上传，当被监测点电缆局部放电信号超过预定值时，自动发出报警信号。能够实时显示被监测点电缆的局部放电数值，能显示工频周期放电图、二维PRPD及三维PRPS放电谱图，也可显示历史趋势图等，便于对当前电缆局放强度趋势进行观察，评估电缆运行的可靠性。

更具体的，所述局部放电在线监测组件对高压电缆局部放电进行定量在线监测，获取多个局放参数值；

当至少一个所述局放参数值满足预警条件时，向所述远端监控主机发出报警信号。

所述定量在线监测包括计算所述高压电缆的预定范围内存在局部放电的预定单位长度的高压电缆的任一点的电压和电流关联比，并基于所述关联比表征计算的所述预定单位长度的高压电缆的电压变化值。

其中，所述电压和电流关联比可以定义如下：

其中，L

作为进一步的优选，所述监测系统与隧道通风系统、消防系统以及现场联动水泵通信。

更具体的，所述环流采集单元用于监测电缆护层接地电流，并将监测数据实时传输至接地电流采集主站；

所述振动采集单元用于检测所述高压电缆所在环境的外破信号；

所述环境采集单元包括微气象监测传感器、水位传感器以及井盖监测传感器；

所述视频采集单元包括图像采集单元以及入侵目标判别引擎。

结合图6-图7，对其联动机制给出进一步的实施例如下：

环流采集单元实现护套环流监测。系统具备有效监测电缆护层接地电流功能，实时监测并对异常数据进行上传及告警。通过安装于监控中心的接地电流采集主站，做到对电缆接地电流的实时监控；一旦电缆发生故障，导致接地漏电电流增大，系统会马上发出报警，提示相关人员对电缆故障进行及时处理。

系统具备对电缆本体及电缆接头温度的实时监测功能，并按照固定时间间隔实现数据刷新、显示和上传；可显示一段时间的温度趋势图，具备对异常温度的过标告警功能。(温度传感器包括表带式温度传感器和点阵式红外测温)。

隧道内环境监测

隧道内环境监测包括微气象监测，水位监测和井盖检测

微气象监测

系统可实现隧道内氧气、有害气体(CO、CO2、H2S、CH4)、烟雾、温湿度等参量的环境监测；实现数据的定期采集、显示及上传，并对异常数据实现实时告警。

监测气体浓度数据通过Lora网关上传至附近监控主机。当某气体浓度达到或低于(氧气)设定阈值时主机自上传至附近监控主机。当某气体浓度达到或低于(氧气)设定阈值时主机自动发出报警，提示管理人员远程手动控制或自动启动隧道通风系统或消防系统(烟雾报警)。风机需要与温度监测系统、气体监测系统等实现联动，风机下方的隧道墙体上安装风机控制箱，风机控制可选择手动和自动两种模式，手动模式下可现场启动关闭风机，自动模式下则可通过远程的控制终端(主机)控制风机的启闭。

系统具备对水位的监测，并可按照固定时间间隔实现水位数据的显示和上传，当水位超限时进行及时报警，以保障电缆服役的安全。

水位传感器可投放在集水井中，实时监测积水深度并上传至附近Lora网关，由网关定期上传数据至监控主机。一旦检测到水位达到或超过设定水位阈值，则由监控主机发出报警通知相关维护人员，并触发现场联动水泵，控制水泵抽水直到水位恢复到警戒值以下。也可允许远程控制水泵，可人为设定警戒值。

系统采用倾角传感器对井盖进行监测，当井盖被打开时，向系统后台发出信息，提示井盖被打开。

系统能在黑暗的隧道环境中实现对隧道内的防护目标进行准确、实时地监控，能清晰显示和记录防护目标的图像，无论何时发生入侵事件或异常现象都可以迅速地、适当地做出报警或联动应急措施。一方面保障进出人员的人身安全，一方面保障设备安全。

系统具备防外破监测，当监测到隧道遭到外力破坏时发出报警信号传送给系统后台，能够及时保障设备安全。

进一步的，作为优选，系统还包括综合监测后台，具体如下功能

1)数据记录功能

系统后台具备数据保存功能，能正确记录动态数据，装置异常时应能正确建立动态事件标识；保证记录数据的安全性；装置不应因电源中断、快速或缓慢波动及跌落丢失已记录的动态数据；应具备数据老化功能，根据时间维度对本地记录的无用历史数据进行清理。

2)基于云平台的远程监控功能

系统后台具备可靠的通讯能力，可以利用4G或无线网络将数据实时传送到指定的服务器，实现异地数据传输、异地操控设备，进行远程在线监测、运行状态分析和诊断，本地边缘计算及云端数据监控功能相结合，实现在‘任何时间、任何地点’掌握电缆的运行状态。

概括来说，本发明的高压电缆综合在线智能监测系统实现了多变量、智能关联全息在线监测，成为全面掌握“电缆—隧道”状态信息的必备手段。其优越性能主要包括以下几个方面：

(1)全面感知。涵盖电缆接头本体的高频局放、护套换流、温度在线监测，隧道内液位、井盖、温度、湿度、CH4、CO、CO2、H2S、O2、烟雾、光照、视频、振动等整体环境监测。

(2)边缘计算。采集的数据就地计算，并决策是传输实时数据还是特征数据，并且实现基于阈值的现场声光报警。

(3)多网融合。融合了Zigbee、Lora等传感网、WIFI、4G/5G等网络协议

(4)智能联动。实现了消防联动、视频联动、风机、水泵联动，还包括声光报警、防入侵、照明、语音播报、远程喊话等辅助联动。(5)辅助决策。整合了局放信息、环流信息、电缆温度、环境温度等信息综合判断电缆绝缘性能的劣化程度，并将有效信息与安防进行整合，远程控制安防措施的启停。

(6)安装便捷。设备体积小、无线连接，基于边缘计算降低设备能耗。总之，系统实现了电缆故障预警、分析处理，为运维人员提供可靠辅助决策、智能预警报告。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。