一种高压电缆在线监测系统的制作方法

1.本公开属于高压电缆多状态量在线监测技术领域，尤其涉及一种高压电缆 在线监测系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在 先技术。
3.电力电缆在电网中的使用越来越多，电力电缆的安全运行是整个电缆网平 稳运行的基本保障，其对电网运行安全性与稳定性的意义日益凸显；电缆一旦 出现故障，由于敷设环境的特殊性，高低温、降水、覆冰和污秽等恶劣天气， 故障点的查找与排除非常困难，严重影响到电网的可靠性；施工安装工艺不当 是导致高压电缆故障的主要原因，占比47.1％；制造质量是高压电缆故障的根本 原因，占比25.3％；外力破坏是高压电缆故障的重要原因，占比17.2％。目前， 我国电力电缆检修的主要方式是以时间为标准的定期检修，对保证电缆的安全 运行起到了重要作用。
4.除电缆本体外，电力电缆极其附件的安全性和稳定性是整个电缆网络可以 平稳运行的基本保障；而电缆附件结构复杂、施工工艺要求精准，对安装现场 要求性高的特点让电缆附件发生故障的频率高于电缆本体，更容易产生故障； 国家电网公司2019年电缆线路故障数据统计表明，在电缆设备(包含电缆本体、 电缆接头和电缆终端)因缺陷引发的故障中，电缆接头和电缆终端故障次数的 占比最大，占比为85.4％，在这个占比中电缆终端占比为45.7％。
5.发明人发现，目前提出的各监测方法监测状态单一，监测方法在各自的领 域都已经成熟，但监测量单一，可能导致无法及时发现电缆故障，无法避免严 重的电缆事故的发生，总体检修效率不高；对高压电缆本体及户外终端的检修 及故障预防主要是定期检修模式；定期检修模式主要依赖于检修规章和人员经 验，检修手段全面但针对性不强，常常出现临时性检修频繁、检修不足或过剩、 盲目检修等问题，消耗了大量的人力物力但仍无法避免严重的户外电缆终端引 发的事故，总体检修效率不高；以上问题目前在电网运行中普遍存在，严重制 约了电缆故障的排查工作，不利于提高供电的可靠性稳定性。


技术实现要素：

6.本公开为了解决上述问题，提出了一种高压电缆在线监测系统；本公开实 现了电缆故障预警及对电缆问题高发区域进行问题排查功能，可视化数据方便 配电网故障排查人员进行电缆多状态在线监测，提高了电网事故查找能力和供 电可靠性。
7.第一方面，为了实现上述目的，本公开提供了一种高压电缆在线监测系统， 采用如下技术方案：
8.一种高压电缆在线监测系统，包括数据采集模块、主控模块、通信模块和 上位机；
9.所述数据采集模块，被配置为：采集电缆的接地环流、接地线温度和接地 箱振动
数据；
10.所述主控模块，被配置为：对电缆的接地环流、接地线温度和接地箱振动 数据进行解析和有效计算；
11.所述通信模块，被配置为：将所述主控模块中解析和有效计算后的数据上 传到所述上位机；
12.所述上位机，被配置为：对比所述通信模块上传的实时数据与电缆安全运 行数据，对电缆问题高发区域进行问题排查。
13.进一步的，所述主控制模块选用stm32l476rgt6芯片，是基于armcortex
‑
m4 内核的控制器。
14.进一步的，所述主控制模块中以freerots为核心设计软件，协调监测目前 的采集任务，同时借助stm32的浮点运算和乒乓缓冲存储结构，对采集到的电 流数据进行有效值计算。
15.进一步的，所述主控制模块以freertos为核心进行采集任务调度；每个采 集装置的子任务都能实现独立的数据采集、数据分析与数据上传。
16.进一步的，通过高传导热金属传感器，将电缆接头及接地线温度上传至主 控制器，通过软件分析环境温度与接头温度之间的差值关系，计算电缆的温升 速率，电缆线路的温升速率大于2℃/min或电缆设备温度超过70℃，数据上传 至上位机软件后启动温度预警功能。
17.进一步的，实时采集数据直接推送到gis地图展示，融合各种通信协议的 采集。
18.进一步的，所述上位机内置的gprs无线通讯采用sim900a模块。
19.第二方面，本公开提供了一种高压电缆在线监测方法，采用了如第一方面 所述的高压电缆在线监测系统，主要包括以下内容：
20.对接地环流、接地线温度和接地箱振动数据量，同时进行监测与数据采集；
21.在监测装置的主控模块中进行解析和有效值计算；
22.数据通过通信模块传输到上位机软件；
23.上位机软件分析数据历史数据比对问题排查。
24.第三方面，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在 存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现 第二方面中所述的高压电缆在线监测方法。
25.第四方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机 程序，该程序被处理器执行时实现第二方面中所述的高压电缆在线监测方法。
26.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
27.1.本公开以接地箱为载体，在传统的监测装置的基础上增加了接地环流、 金属护层温度、接地线温度及振动监测预警等数据的采集预警，并根据不同问 题故障，启动相应的预警措施，使问题可以得到及时的反馈。
28.2.本公开的监测装置的主控制器中以freertos为核心设计软件，协调监 测目前的采集任务，同时借助stm32的浮点运算和乒乓缓冲存储结构，对采集 的电流数据进行有效计算，缓解通信模块数据传输压力。
29.3.本公开以freertos为核心进行采集任务调度；每个采集装置的子任务 都能实
现独立的数据采集、数据分析与数据上传，提高数据的准确性。
30.4.本公开选择微服务解决方案springcloud，可轻松实现微服务项目的构 建，开发效率与系统效率较高；此外，springcloud采用开源机制，安全性、易 用性等皆可得到保证。
31.5.本公开上位机监测装置内置的gprs无线通讯采用sim900a模块，有利 于软件开发效率，简化数据通信流程。
32.6.本公开对户外电缆终端的源数据采集，远程pc获取数据后，可以对样 例数据进行整理，将数据按照类型、时间分类，以便于建立影响模型和进行数 据融合；采用数据挖掘的方法，对采集的多源数据进行处理与筛选；制定数据 清洗规则，对缺失数据进行补全处理，对精度不高的数据进行插值处理，提高 了数据挖掘的准确性。
附图说明
33.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解， 本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的 不当限定。
34.图1为本公开实施例1的系统整体框架图；
35.图2为本公开实施例1的软件架构图；
36.图3为本公开实施例1的户外终端的监测架构图。
具体实施方式：
37.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
38.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的 普通技术人员通常理解的相同含义。
39.实施例1：
40.如图1所示，本公开提供了一种高压电缆在线监测系统；系统结合电缆多 种故障问题产生时电缆数据的变化，对接地环流、接地线温度、接地箱振动等 数据量同时进行监测与数据采集；采集的数据会在监测装置的主控模块中进行 解析和有效值计算，之后数据通过通信模块传输到上位机软件，转换成可视化 数据变化图表；上位机软件对比实时数据与电缆安全运行数据，及时发出预警； 上位机软件具有分析电缆历史数据的功能，能及时对电缆问题高发区域进行问 题排查。
41.监测装置由主控制器、采集模块及数据传输模块组成。
42.在本实施例中，主控制器也是微控制器，是采集设备的核心器件，优选的， 所述主控制器选用stm32l476rgt6芯片，是基于armcortex
‑
m4内核的控制器， 功耗在同系列产品中较低，功能完善，能满足设备绝大部分要求。
43.在本实施例中，采集模块采用多状态量采集模式，采集高压电缆金属护层 接地环流幅值、高压电缆接地线温度及振动、主缆运行温度及电流等数据。
44.为了保证数据采集的稳定性、精确性及低功耗，在监测装置的主控制器中 以freerots为核心设计软件，协调监测目前的采集任务，同时借助stm32的浮 点运算和乒乓缓冲存储结构，对采集到的电流数据进行有效值计算，缓解通信 模块数据传输压力。
45.采集装置的主要任务是采集各目标数据；采集数据经简单处理后，通过通 信模块传输给上位机，所以在采集装置的软件设计中，为了保证装置稳定性和 扩展性，以freerots为核心进行采集任务的调度；每个子任务都能实现独立的 数据采集、数据分析与数据上传。
46.本实施例的工作过程为：
47.对接地环流、接地线温度、接地箱振动等数据量同时进行监测与数据采集；
48.在监测装置的主控模块中进行解析和有效值计算；
49.数据通过通信模块传输到上位机软件；
50.上位机软件分析数据历史数据比对问题排查。
51.本实施例是通过对接地环流数据的状态量监测，对接地电缆电流的精确测 量及高速录波，可协助检测线路故障类型，并快速定位故障区段，从而缩短线 路故障的响应和处理时间。
52.单芯电缆金属护层上的感应电压取决于电缆的负荷电流和同一回路中电缆 的排列方式及线路长度，也与周围回路的排列方式、距离有关。单芯电缆的导 线与金属护层的关系可看成一个变压器的初级绕组和次级绕组，当电缆导线通 过电流时在其周围产生磁通，磁通不仅与线芯回路相链，也与电缆的金属护层 耦合，在线芯和金属护层上分别产生感应电压。由于每个芯线专用一个金属护 层，负载电流或短路电流所产生的磁通与金属护层耦合，因此金属护层上有感 应电压始终存在。
53.根据电力系统等值电路末端电压计算公式可知u2(末端)＝u1(首端)
‑
(p1r q1x)/u1‑
j(p1x－q1r)/u1。线路重载时，p1和q1包括负载无功和电缆充电 功率；线路轻载时，p1很小，q1基本只包括电缆充电功率，也很小。因此，当 线路重载时u2小于；当线路轻载时u2大于u1。这种现象称为长线路的电容效应， 而且随着电压等级的提升和输电距离的增大，这种末端电压升高现象将更明显。
54.接地电流暂态录波信号接地电流主动进行暂态录波或异常突变触发暂态录 波。异常触发的参数可设置，mcu以1khz即20倍工频的采样频率采样接地电流。
55.当此时周波的峰值vpp或有效值vrms与前一周波的峰峰值或有效值的绝对 值大于阈值时，触发1s的暂态录波，即20个周波的暂态波形。通过对接地电 缆电流的精确测量及高速录波，可协助检测线路故障类型，并快速定位故障区 段，从而缩短线路故障的响应和处理时间，提高供电可靠性。
56.接地线温度及振动监测电缆运行过程中的接头温度是电缆的一个主要监测 点。通过小型高传导热金属传感器，快速将电缆接头及接地线温度上传至主控 制器，通过软件分析环境温度与接头温度之间的差值关系，计算电缆的温升速 率，一旦电缆线路的温升速率大于2℃、min或电缆设备温度超过70℃，数据上 传至上位机软件后会启动温度预警功能。高压电缆接头的振动是高压电缆故障 发生的一个预警点，选择mpu6050进行监测，该装置拥有6个维度的加速度计 算能力，可对x、y、z三轴加速度、角速度的运动数据进行同时监测。
57.如图2所示，该系统为多状态量监测，而mysql数据库能将不同的数据通 过不同的表单进行存储，多线程数据处理，因此mysql数据库符合本文要求， 最终选择mysql数据库进行数据的存储与分析。采用前后端分离架构，各类服 务器分离，便于接入微服务系统。采
用echarts报表展示各种电流数据。实时 采集数据直接推送到gis地图展示，融合了gprsdtu、rs
‑
485各种通信协议的 采集。模块化系统配置，整体架构利于后续扩展。
58.实施例2：
59.本实施例提供了一种高压电缆在线监测方法，采用了如实施例1中所述的 高压电缆在线监测系统，主要包括以下内容：
60.对接地环流、接地线温度和接地箱振动数据量，同时进行监测与数据采集；
61.在监测装置的主控模块中进行解析和有效值计算；
62.数据通过通信模块传输到上位机软件；
63.上位机软件分析数据历史数据比对问题排查。
64.实施例3：
65.如图3所示，对户外终端的监测，分4个步骤。
66.步骤1：泄露电流测量系统监测。
67.对高压电缆户外终端，尤其是复合绝缘户外终端来说，随着其投运时长的 增加，会发生一定程度的绝缘劣化现象。绝缘劣化现象通常在污秽条件下更为 明显，这主要是材料憎水性的减少导致的。由于憎水性下降，在绝缘套管表面 形成的连续水膜可能引起强烈的电弧放电。因此，泄露电流可以很好地表征户 外绝缘终端电气性能的优劣。为了测量沿户外终端表面流过的泄露电流，在终 端的接地引线中串联了测量电阻，以电压形式来记录电路变化，并将测量数据 传入数据采集系统(daq)和控制平台中。
68.步骤2：气象监测。
69.为了监测户外终端电气性能受气象环境影响产生的变化，本系统设计了三 个气象传感器，分别用来记录气象环境。首先，本系统使用了轻量、小型化的 综合天气传感器，用于测量风速、风向、气压、温度和相对湿度。传感器中采 用了加热装置以避免积雪影响测量数据的准确性。综合天气传感器由12v dc电 源供电并将数据输出至daq中。其次，本系统使用了“天气预警”传感器用于 判断当前的天气状态。其可以根据当前的温度、可见度、降水类型将当前天气 状态判断为“晴天、降雨、降雪、雨夹雪、有雾”中的一种。与综合天气传感 器类似，其由12v dc电源供电并将数据输出至daq。最后，本系统使用了一个 用于测量当前光照强度的光照传感器。光照是影响户外终端表面水分蒸发速度 的重要影响因素，同时对于复合绝缘套管，紫外线是加速其老化的重要因素之 一。光照传感器通过使用热电偶传感器输出0～20mv电压信号，用以表征最高可 达2000w/m 2的光照强度。
70.步骤3：图像监测。
71.作为状态监测系统的一部分，图像监测系统由三个图像传感器组成，一个 图像传感器用于观测户外终端的整体运行情况，另外两个摄像头用于观测户外 终端复合绝缘表面产生的变化，例如覆冰、污秽、破损和憎水性迁移等。三个 图像传感器由12v电源供电并支持ipx65级别防尘防水功能。
72.步骤4；数据采集、存储及传输。
73.为了收集各监测系统的数据进行存储，并上传至网络，本状态监测系统使 用了一款带有平台控制功能的商用数据采集系统(daq)。其中，泄漏电流数据 的采集频率为1000hz，气象监测系统数据的采集频率为0.2hz。与此同时，采 集到的泄漏电流与气象数据被存储于与daq相连的存储硬盘中，图像数据被存 储于图像传感器内置的sd卡中并通过控
制平台传输至存储硬盘中。daq与控制 平台通过网线连接至无线路由器，所有数据在打包后通过ftp脚本传输至与路 由相连的网络存储单元中，与此同时，数据也通过4g网络向云端传输。
74.实施例4：
75.本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并 可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如实施例1 中所述的高压电缆在线监测方法。
76.实施例5：
77.本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程 序被处理器执行时实现如实施例1中所述的高压电缆在线监测方法。
78.以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于 本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的 保护范围之内。