基于物聯(lián)網(wǎng)的電力電纜防外破監(jiān)測裝置的設計

國網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司 宋 珂 牟善仲 張 浩 韓雨真 史彥楠

引言

隨著城鎮(zhèn)現(xiàn)代化的發(fā)展，電力電纜逐漸由架空線轉(zhuǎn)為地下，然后在電纜上方安裝一個電纜警示樁，用于標識和對人員進行提示，這種電纜警示樁通常為普通的水泥混凝土材質(zhì)，如果維護不及時，容易造成傾倒、被泥土埋沒、甚至丟失的情況.隨著地下電纜的不斷增多，在道路施工時，電纜被挖斷的事故時有發(fā)生，給周圍企業(yè)的生產(chǎn)和附近居民的生活造成影響，造成巨大的經(jīng)濟損失[1]。為了保護地下電力電纜并實時的檢測電纜警示樁的狀態(tài)，設計了一種新型的電力電纜防外破監(jiān)測裝置，該裝置可對外界的震動進行精確的判別，及時阻止破壞電纜事故的發(fā)生，避免了挖斷電纜造成的經(jīng)濟損失，解決了地下電纜難以監(jiān)控的問題。

該裝置為不銹鋼外殼，呈圓餅狀，內(nèi)部嵌有震動檢測模塊、無線傳輸模塊、GPS/北斗衛(wèi)星定位模塊、太陽能充放電管理模塊、報警模塊等檢測模塊，當電纜周圍產(chǎn)生震動時，通過裝置內(nèi)部主控芯片的計算，能自動判別該震動為正常震動還是施工引起的震動，當施工進入電纜安全區(qū)域內(nèi)時，裝置自動報警，及時阻止可能破壞電纜的行為，并發(fā)出聲光報警，通過GPRS 無線通訊將報警信息發(fā)送至后臺客戶端，通知巡檢人員對可能的破壞行為及時進行處理。內(nèi)部的GPS/北斗衛(wèi)星定位模塊可對電纜進行精確定位，利用圖形化的方式在后臺呈現(xiàn)所有檢測電纜的具體位置和精確坐標[2]。

裝置采用大容量可充電鋰電池和太陽能雙重供電，確保裝置長期運行。裝置自動化程度高，識別精確，可有效杜絕施工可能對電纜造成的破壞，不需要人員到現(xiàn)場進行監(jiān)督巡檢，降低了人力成本，具有良好的市場推廣價值。

1 電力電纜防外破檢測裝置的工作原理

該電纜檢測裝置分為檢測部分、傳輸部分、報警部分和供電部分等模塊單元組成。檢測部分主要負責設備喚醒和震動檢測，自動判別引起震動的原因，并將震動信息傳送至主控制器。傳輸部分主要是LoRa 無線傳輸和GPRS 無線傳輸，負責將各個電纜檢測裝置的監(jiān)測信息進行集中，并將信息通過4G/5G 網(wǎng)絡實時的發(fā)送至管理后臺，使巡檢人員能及時了解各條電纜的實時狀態(tài)。報警部分采用聲光報警模式，當施工車輛進入的施工動作進入電纜安全范圍內(nèi)時報警器發(fā)出報警，及時提醒并阻止可能破壞電纜施工行為的繼續(xù)進行，有效避免破壞電纜行為的發(fā)生。裝置采用鋰電池和太陽能雙重供電，保證裝置長時間運行不受影響。

1.1 檢測模塊

該檢測部分包括一傾斜檢測和震動檢測模塊、一全方向滾珠開關。斜檢測和震動檢測模塊為MPU6050陀螺儀，內(nèi)部三個獨立的MEMS 速率陀螺儀，當陀螺儀圍繞任何軸轉(zhuǎn)動時，內(nèi)部的電容式傳感器就會檢測到震動，震動信號被內(nèi)部的放大器放大，解調(diào)濾波后經(jīng)片內(nèi)的ADC 轉(zhuǎn)換電力轉(zhuǎn)化成電壓信號，讀取角速度的電壓值即可實時的檢測物體的傾斜角度；讀取陀螺儀內(nèi)的加速度傳感器的加速度數(shù)值即可得出物體的震動幅度。為了節(jié)省電力、延長電池的使用壽命，平時狀態(tài)下，電纜檢測裝置處于低功率休眠狀態(tài)。

如果電纜檢測裝置受到外力震動，發(fā)生輕微的傾斜或碰撞，裝置內(nèi)部的全方向滾珠開關就會開啟，發(fā)出一個高電平信號，啟動主控MCU 單片機從低功耗狀態(tài)進入工作狀態(tài)，啟動太陽能充放電控制單元內(nèi)的電源通斷管理電路，裝置快速進入正常工作狀態(tài)，陀螺儀計算出目前電纜檢測裝置的角度，內(nèi)置的GPS/北斗定位模塊確定經(jīng)緯度，然后通過內(nèi)置LoRa 無線網(wǎng)絡模塊發(fā)射數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)無線集中器利用4G/5G 無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務器，云端服務器對數(shù)據(jù)進行處理、保存以及報警推送和顯示，可以通過手機端和電腦端直接讀取數(shù)據(jù)以及報警信息。

1.2 開關模塊

該電纜檢測裝置會被直接嵌入界樁、標識樁等內(nèi)部或表面及旁邊，一旦被安裝完成就很難再被拆卸開啟，即無法拆開更換電池。裝置內(nèi)傳感器較多，頻繁的對外發(fā)射信號會消耗大量的電能，如果裝置被物體遮蓋或者遇到長時間的陰雨天氣，裝置得不到及時的充電，就有可能會因為電量耗盡而停止工作。為了保證檢測裝置能夠持久工作，內(nèi)部設立了一個機械的全方向滾珠開關。當外界沒有震動發(fā)生時，裝置處于休眠狀態(tài)，每12小時發(fā)送一次裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息；一旦周圍產(chǎn)生震動，滾珠開關就會開啟，喚醒MCU 主控芯片，使整個裝置立刻處于正常工作狀態(tài)。該開關模塊可最大限度的節(jié)省電能，確保裝置一旦被安裝完成后可持續(xù)運行10年以上。

1.3 傳輸模塊

裝置的數(shù)據(jù)傳輸模塊分為兩部分，一個為近距離傳輸，采用NFC 傳輸模塊；一個為遠距離傳輸，采用LoRa 無線傳輸模塊。為了最大限度的延長電池的供電時間、提高電池的使用壽命，模塊在平時都處于休眠狀態(tài)，裝置只是定時的、低頻率的更新一次電纜狀態(tài)數(shù)據(jù)，大部分時間并不工作。如果巡檢人員在現(xiàn)場想要查看某一個電纜檢測裝置的信息和狀態(tài)，沒有供電就無法讀取信息。為了能隨時方便的查看近距離查看電纜檢測裝置的狀態(tài)，裝置內(nèi)置了一個NFC 模塊。NFC 為近距離被動式傳輸模式，目前已經(jīng)廣泛應用于各種磁卡的讀取工作中。裝置會定時的將檢測到的信息存儲到NFC 磁卡內(nèi)，讀取時只需要將帶有NFC 功能的設備靠近電纜檢測裝置即可。

遠距離傳輸時，裝置采用LoRa 無線通訊方式。LoRa 為低功耗無線遠距離傳輸技術(shù)，最遠傳輸距離可達15km，而且免費。電纜檢測裝置通過LoRa無線傳輸將信息傳送至集中器，集中器通過4G/5G網(wǎng)絡發(fā)送到云服務器，管理人員可通過后臺軟件查看各電纜檢測裝置采集的信息。一臺集中器可帶多個電纜檢測裝置，這樣就不用每個裝置都配備一張SIM 卡，可大大節(jié)省費用、降低成本。

1.4 報警模塊

裝置內(nèi)置一個聲光報警器。當行人和車輛從上面正常駛過時，裝置不報警；當有施工挖掘車輛在附近施工作業(yè)時，如果施工地點距離電纜小于安全距離，報警器就會發(fā)出報警聲，提示施工人員遠離，防止挖斷電纜的事故發(fā)生。內(nèi)置的DSP 處理器可對外界的震動進行精確計算，可辨別各種情況產(chǎn)生的震動原因，智能化自動化程度高，分辨精確。

1.5 電源供電模塊

該檢測裝置采用太陽能供電和鋰電池供電的雙重供電模式，無需市電供電、無需接線，直接安裝即可使用。裝置的大多數(shù)情況下處于低功耗休眠狀態(tài)，耗電量極少，在天氣晴好、沒有遮擋物的情況下，太陽能板充電足夠可以維持裝置的正常運行。如果遇到連續(xù)的陰雨天，內(nèi)置的鋰電池也可維持裝置正常運行三個月以上，不需要更換電池。設置安裝完成后，雙重的供電模式可保證設備正常運行10年以上，大大降低了更換電池設備的成本。

1.6 GPS/北斗定位模塊、主控制器模塊

監(jiān)測裝置安裝在電纜的上方，內(nèi)置的GPS/北斗定位模塊可以對電纜的地理坐標做出精確定位，后臺管理軟件根據(jù)定位呈現(xiàn)出電纜的線路圖。電纜圖形化可以使電纜的布局更加形象，便于巡檢人員就行統(tǒng)籌管理[3]；本檢測裝置采用超低功耗的STM32系列的32位單片機，為裝置的主控單元，對裝置內(nèi)的斜檢測單元、震動檢測單元、北斗/GPS模塊、太陽能充放電控制單元等模塊進行控制和數(shù)據(jù)通信，同時檢測內(nèi)置電池電壓，通過采集到的各種數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場分析，得出當前狀態(tài)，根據(jù)各種不同的狀態(tài)采取相應的任務策略。

1.7 后臺管理軟件

后臺管理單元主要為上位軟件部分，主要用來顯示采集到的數(shù)據(jù)、報警等信息。當檢測裝置感應到一定的傾斜角度或較大震動時，電纜樁中的控制單元立即轉(zhuǎn)入報警程序，對當前位置進行坐標采集，并啟動LoRa 無線傳輸模塊，將采集到的定位數(shù)據(jù)和報警信息上傳至集中器，集中器通過Internet 傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。當需要掌握監(jiān)測點的情況時，監(jiān)控人員可以在用戶終端上通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來查看、統(tǒng)計和分析服務器上數(shù)據(jù)中心的各項數(shù)據(jù)[4]。

后臺管理軟件主要由數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢、告警、查詢、存儲等功能構(gòu)成[5]。數(shù)據(jù)管理功能可對所檢測的電纜采集點進行設置、分級、巡檢等功能；數(shù)據(jù)采集可以對采集點的坐標、電纜防外破檢測裝置檢測到的震動情況及傾斜角度、電池電量等信息進行實時采集；告警功能主要是當檢測裝置發(fā)生傾斜、位移和電量不足時，及時發(fā)出告警信息，提醒巡檢人員及時到現(xiàn)場進行處理；查詢功能是指管理人員可在軟件內(nèi)隨時查詢檢測的實時信息和歷史數(shù)據(jù)記錄，便于對檢測電纜進行后續(xù)分析；存儲功能是利用數(shù)據(jù)庫對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲記錄。

2 試用結(jié)果分析

為了測試該電纜防外破檢測裝置的實際應用效果，在某道路施工區(qū)的電纜上方安裝了186個檢測裝置，經(jīng)過20多天的實驗觀測，并對裝置的性能及其實際效果進行了對比分析。經(jīng)測試，該電纜防外破檢測裝置的最遠感應距離可達15米，檢測到有效外界震動417次，其中挖掘機在感應區(qū)內(nèi)的挖掘施工時產(chǎn)生的震動54次、報警4次，經(jīng)過與現(xiàn)場巡檢人員的實際記錄對比，報警正確率100%，及時阻止了可能破壞地下電纜的施工行為，避免了由于可能的斷電造成的經(jīng)濟損失。對裝置的電量測試，將裝置用附著物進行遮蓋，在沒有外接進行充電的情況下，裝置正常工作超過30天、耗電量低，可滿足在各種復雜地區(qū)內(nèi)安裝使用，待機性能強。

該檢測裝置反應靈敏，判斷準確，提前感知并預警了可能的破壞行為。由于地下電纜數(shù)量眾多，施工人員往往難以確定地下是否有電纜存在，或者電纜的實際走向與下一步進行的施工地點距離有多遠，在施工前往往需要先進行電纜確定工作，需要使用電纜探測儀器對地下電纜進行監(jiān)測，工作繁瑣。該檢測裝置使用了人工智能自學算法，能夠準確的判別發(fā)生震動的震動源是來自于挖掘施工行為、還是正常的車輛和行人行走，使用了該檢測裝置后，只要是挖掘行為進入了可能破壞電纜的范圍內(nèi)，裝置就會發(fā)出聲光報警，這就為施工方省去了前期的電纜探測工序，節(jié)省了時間，提高了工作效率，間接提高了經(jīng)濟效益。

3 結(jié)語

隨著電力電纜入地工作的深入，越來越多的架空線被埋入地下，部分地區(qū)地面上的電纜標志樁由于維護不及時，會有傾斜、被泥土埋沒、甚至丟失的情況，這就使得在電纜線附近進行道路、管道施工時，常有挖斷電纜的事故發(fā)生，給周圍的供電居民造成了經(jīng)濟損失。對于在電纜附近施工時，傳統(tǒng)的做法是派專人去現(xiàn)場看護，但是由于地下電纜過多，再加上有些年代久遠，看護人員也可能不確定地下是否有電纜存在，這就造成了即使有專人看管依然會發(fā)生電纜被挖斷的情況發(fā)生。

為了能及時的檢測到地下各電纜的情況，避免挖斷電纜事故的發(fā)生，設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力電纜防外破檢測裝置。該裝置內(nèi)置震動和傾斜檢測模塊，可精確判別電纜周圍的震動情況，判定到施工車輛的施工行為進入電纜的安全距離后，啟動裝置內(nèi)的聲光報警器，及時阻止破壞電纜事故的發(fā)生，并通過4G/5G 網(wǎng)絡將報警信息發(fā)送至后臺軟件，管理人員通過軟件即可遠程監(jiān)控所有電纜的狀態(tài)。內(nèi)置的GPS/北斗衛(wèi)星定位模塊可將各條地下電纜進行精確定位，在后臺軟件形成圖形化界面，形象直觀。裝置采用太陽能和鋰電池雙重供電，保證裝置可長期使用。裝置體積小、質(zhì)量輕，安裝方便，一次安裝即可穩(wěn)定使用10年以上，大大提高了智能化水平，降低了人工成本，具有很好的實用和推廣價值。