电缆状态监测系统及方法

1.本发明涉及电缆状态检测技术领域，尤其涉及一种电缆状态监测系统及方法。


背景技术：

2.电力电缆铺设在地下，运行环境相对恶劣，电缆故障时有发生，容易造成突发停电及火灾隐患，电缆线路还会发生被盗窃和其它人为破坏事故，这些都会给企业造成重大的经济损失。无论是供电企业还是用电企业，每年都要投入大量的人力物力对电缆进行维护和管理。现有的配电开关监控终端(简称ftu)可以提供配电系统运行情况和各种参数及监测控制所需的信息，并与配电自动化主站通信，执行配电主站下发的命令，对配电设备进行调节和控制。
3.然而，现有的ftu只能安装在10kv、33kv配电架空线路上，无法提供配电网电缆线路的状态信息；而且使用电力系统内部网络，电子地图更新慢，无法实时显示配电网当前运行状态，当线路发生故障时，无法第一时间得知故障类型与故障点，一线运维人员工作量巨大。上述问题主要原因有：(1)当前ftu采用传统互感器采集电压电流信息，无法监测三芯电缆每相电流大小；(2)当前ftu不具备物联网通讯功能，无法将设备测得的线路运行状态信息实时更新在电子地图中；(3)现有ftu结构复杂，造价昂贵，无法大规模分布式安装。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种电缆状态监测系统及方法，旨在解决现有技术中难以准确监测电缆状态的问题。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种电缆状态监测系统，包括传感器、监测模组、云端服务器、用户终端以及远程服务器，所述传感器的输出端与所述监测模组的输入端连接，所述监测模组通过无线网络与云端服务器连接，所述云端服务器通过无线网络与远程服务器连接；
6.所述传感器用于获取电缆线路的感应电压并发送至所述监测模组；
7.所述监测模组用于根据所述感应电压判断电缆线路的状态信息，当电缆线路出现异常情况时生成告警信号，并将告警信号发送至云端服务器，所述状态信息至少包括电缆每相电流的状态量、三相电压不平衡度、电缆沟温度、电缆沟湿度；
8.所述云端服务器用于将告警信号推送至用户终端以及远程服务器。
9.第二方面，本发明实施例提供了一种电缆状态监测方法，其包括：
10.传感器监测配电网电缆线路的感应电压，并将所述感应电压发送至监测模组；
11.所述监测模组对所述感应电压进行转换处理，得到三相电压，并基于所述三相电压对电压不平衡度进行计算，得到配电网电缆线路的电压不平衡度，并基于所述电压不平衡度判断电缆线路是否存在异常，若存在异常，则生成告警信号并发送至云端服务器；
12.云端服务器将告警信号传递给远程服务器及用户终端。
13.本发明实施例提供了电缆状态监测系统及方法。该系统包括传感器、监测模组、云
端服务器、用户终端以及远程服务器，所述传感器的输出端与所述监测模组的输入端连接，所述监测模组通过无线网络与云端服务器连接，所述云端服务器通过无线网络与远程服务器连接；所述传感器用于获取电缆线路的感应电压并发送至所述监测模组；所述监测模组用于根据所述感应电压判断电缆线路的状态信息，当电缆线路出现异常情况时生成告警信号，并将告警信号发送至云端服务器，所述状态信息至少包括电缆每相电流的状态量、三相电压不平衡度、电缆沟温度、电缆沟湿度；所述云端服务器用于将告警信号推送至用户终端以及远程服务器。该系统基于电磁感应原理，通过传感器实时监测电缆中感应电压的大小，工作人员无需带电操作，极大保障了工作人员操作的安全性与可靠性，监测模组可快速部署，通过无线云端服务器实现远程监测，极大地方便了一线运维检修工作。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述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。
15.图1为本发明实施例提供的电缆状态监测系统的系统框图；
16.图2为本发明实施例提供的电缆状态监测方法的流程示意图；
17.图3为本发明实施例中传感器的结构示意图；
18.图4为本发明实施例提供的监测模组的结构示意图；
19.图5为本发明各状态三相不平衡度大小的对比示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
22.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
23.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
24.请参阅图1为本发明实施例提供的电缆状态监测系统的系统框图。
25.图1展示了电缆状态监测系统，该系统包括传感器1、监测模组2、云端服务器3、用户终端4以及远程服务器5；其中，传感器1的输出端与监测模组2的输入端连接，监测模组2通过无线网络与云端服务器3连接，云端服务器3通过无线网络4与远程服务器5连接；
26.传感器1用于获取10kv配电网电缆线路的感应电压并发送至监测模组2；
27.监测模组2用于根据感应电压判断电缆线路的状态信息，当电缆线路出现异常情
况时生成告警信号，并将告警信号发送至云端服务器3，状态信息至少包括电缆每相电流的状态量、三相电压不平衡度、电缆沟温度、电缆沟湿度；
28.云端服务器3用于将告警信号推送至用户终端4以及远程服务器5。
29.本实施例中，通过传感器1监测配电网电缆线路的感应电压，然后将感应电压发送至监测模组2，由监测模组2根据感应电压计算配电网电缆线路的电压不平衡度，根据电压不平衡度判断电缆线路是否存在异常，当电缆线路出现异常情况时生成告警信号，并将告警信号发送至云端服务器3；云端服务器将告警信号推送至用户终端4以及远程服务器5，实现电缆状态的远程监测。
30.在一实施例中，传感器由三个并排设置的跑道型线圈组成。如图3所示，三个线圈并列排布在绝缘布上，间距为电缆外周长的三分之一与线圈宽度的差值。传感器采用血压计式安装方式包覆在电缆上，包覆电缆后三个线圈在空间位置上相差120度。若电缆正常运行，电缆线路的三相电流产生圆形旋转磁场，传感器产生的三相感应电势幅值相等，且感应电势的大小与电缆电流成正比，可根据感应电势的大小判断三芯电缆中每相电流的大小。若电缆发生不平衡、缺相、开路故障，产生椭圆形磁场，此时传感器产生的三相感应电势幅值将不再相等，因此可根据电压不平衡度的大小判断电缆线路是否发生故障。
31.如图4所示，在一实施例中，监测模组包括调理电路8、dsp处理器9、电源管理模块11和报警模块10。调理电路8的输入端与传感器的输出端连接，调理电路的输出端与dsp处理器9的输入端连接，dsp处理器9的输出端与报警模块10的输入端连接，电源管理模块11的输出端分别与dsp处理器9、调理电路8和报警模块10连接。具体的，调理电路8用于将传感器输出的感应电压放大并转换成满足dsp输入范围的正值电压；dsp处理器9用于采集、计算调理电路8输出的电压数据，根据电压数据计算电缆的电压不平衡度，并根据电压不平衡度进行模数转换，若电压不平衡度低于预设阈值，则发送告警信号至报警模块10；电源管理模块11用于给dsp处理器9、调理电路8和报警模块10供电；报警模块10用于接收dsp处理器9发送的报警信号并报警。
32.在一实施例中，dsp处理器中的a/d转换模块将模拟量转化为数字量，选择iec61850标准规定的80点/周波作为采样率，共采样10个周期，可以获取800个点电压数据，每相电压有效值的计算公式如下所示：
[0033][0034]
式中，n表示采样点，为800，un表示第n个采样点的离散电压值。
[0035]
其中，不平衡度是指在电力系统中三相不平衡的程度，对于三相不平衡度的计算式目前还没有统一明确的标准，有很多不同的计算版本。本发明中不平衡度的计算方法采用ieeestd936-1987定义的电压不平衡度的计算方法，等于三相中最大电压的有效值与最小电压的有效值之差与三相平均相电压的比值，具体公式如下所示：
[0036][0037]
式中，u
ave
表示三相电压有效值的平均值；式中u
max
表示三相电压有效值的最大相电压；u
min
表示三相电压有效值的最小相电压。
[0038]
本实施例中，监测模组在安装时，工作人员登记对应监测模组的地理位置信息，云端服务器可结合地理信息系统直观实时显示本区域内的10kv电缆运行状态。同时，工作人员通过远程服务器访问云端服务器时，可以直观看到区域内的10kv电缆线路的带电状态以及三相电流、三相不平衡度的大小，当云端服务器获取到监测模组的告警信号后，也可将出现问题的对应监测模组的地理位置信息显示出来，方便工作人员排查。
[0039]
在一实施例中，调理电路包括隔离放大器、差分运算放大器和电压跟随器，隔离放大器的输入端分别与传感器中每相线圈的两个输出端子连接，隔离放大器的输出端与差分运算放大器的输入端连接；差分运算放大器的输出端与电压跟随器的输入端连接，电压跟随器的输出端与dsp处理器的输入端连接。其中，隔离运算放大器用于接收传感器输出的感应电压，并将感应电压发送至差分运算放大器；差分运算放大器用于接收隔离运算放大器输出的感应电压，并将感应电压进行放大处理后发送至电压跟随器；电压跟随器用于对差分运算放大器输出的感应电压进行检测，若感应电压为负值电压，则将负值电压转换为正值电压，并将转换后的正值电压发送至dsp处理器。
[0040]
在一实施例中，dsp处理器还包括模数转换模块和通信模块，模数转换模块用于获取感应电压的数值，通信模块为nb-i/ot模块，nb-i/ot模块通过串口与dsp处理器的串口通讯端口连接，dsp处理器通过nb-i/ot模块接收来自于云端服务器发送的命令，并将电缆线路的状态监测信息通过nb-i/ot模块发送给云端服务器。其中，dsp处理器通过串口端口与通信模块连接。dsp处理器具有低功耗、高性能、易编程、具有实时性等特点在信号处理方面具有天然的优势。dsp对调理电路处理后获取的数据进行采集、计算，得到三相不平衡度的数据,并将数据传输给远程服务器，其模数转换模块的主要作用是信号采样与处理，可以确保数据传输实时性。
[0041]
在一实施例中，报警模块包括报警灯和报警喇叭，报警灯和报警喇叭均通过i/o引脚与dsp处理器连接。
[0042]
本实施例中，报警模块具有灯光声音报警功能，当配电网电缆线路正常运行时，报警模块处于休眠状态；当配电网电缆线路发生缺相、短路、开路等故障时，报警模块接收告警信号并发出闪光报警信号和警示音提醒。
[0043]
在一实施例中，电源管理模块包括供电电池、电源变换电路以及电源转换ic，供电电池与电源变换电路连接，电源变换电路与电源转换ic连接，电源转换ic的输出端与dsp处理器的输入端连接。其中，电源转换ic包括电池和电池电量检测电路。
[0044]
本实施例中，电源管理模块给监测模组供电，采用四节3.7v供电电池串联，输出15v电压。电源变换电路将15v电源转化为5v电源，电源转换ic采用ttl转232模块，将5v电源转换成3.3v的稳压电源，为检测电路以及dsp处理器供电。
[0045]
参照图2，图2为本发明实施例提供的电缆状态监测方法的流程示意图；
[0046]
本发明实施例还提供了电缆状态监测方法，应用于如上的电缆状态监测系统，电缆状态监测方法包括：
[0047]
步骤s110、传感器监测配电网电缆线路的感应电压，并将所述感应电压发送至监测模组；
[0048]
步骤s120、所述监测模组对所述感应电压进行转换处理，得到三相电压，并基于所述三相电压对电压不平衡度进行计算，得到配电网电缆线路的电压不平衡度，并基于所述
电压不平衡度判断电缆线路是否存在异常，若存在异常，则生成告警信号并发送至云端服务器；
[0049]
步骤s130、云端服务器将告警信号传递给远程服务器及用户终端。
[0050]
本实施例中介绍了对配电网电缆线路的状态监测，通过传感器监测配电网电缆线路的感应电压，由监测模组根据感应电压计算三相电压，并基于三相电压对电缆的电压不平衡度进行计算，最后根据电压不平衡度判断电缆线路是否存在异常，若存在异常，则生成告警信号并发送至云端服务器；由云端服务器将告警信号传递给远程服务器及用户终端，从而实现电缆状态的远程监测。具体的，根据电压不平衡度判断电缆线路是否存在异常的过程包括：判断电压不平衡度是否达到预设阈值，若是，则判定电缆线路存在异常；若否，则判定电缆线路正常。
[0051]
本实施例中，搭建试验环境，由三相380v电源，三相空气开关，10kva三相调压器，300*3电缆，15欧姆/1000瓦负载电阻(三个，星形连接)，模拟短路与电压不平衡度的电阻若干、传感器、检测设备、示波器和电脑组成。电缆外包裹传感器，传感器由a、b、c三相线圈组成。系统正常运行的特征在于，感应电势的不平衡度能够满足小于5％，相位差约为120度。相较三相平衡的情况，系统不平衡运行的特征之一在于其电压不对称度有所增大，可通过dsp程序中电压不对称度的计算结果来判断此时系统是否处于不平衡运行。当电缆发生开路故障时，电压不平衡度达到60％左右且相位存在同相情况。若已知电缆中三根导线的位置分布，在其上方对应位置安装传感器，此时可判断具体开路相。a相开路，与a相对应的线圈感应电势是三相感应电势中最小的；b相开路时，则与b相对应的线圈感应电势最小；c相开路时，则与c相对应感应电势最小。在已判定系统开路的前提下，可以据此判断具体是abc哪一相发生了开路故障。如果三相电压不平衡度远小于60％但大于10％且三相相位差约为120度，则电缆三相不平衡。如图5所示为本发明各状态三相不平衡度大小的对比示意图。
[0052]
进一步的，为使传感器监测到的感应电势足够大，能够被后续设备检测到，本发明给出了设计传感器参数的方法。传感器需要确定的参数有四个，分别为导线线径φ、线圈匝数n、线圈宽度w、线圈长度l。为保证传感器具有较高的灵敏度，传感器检测到的感应电流应尽可能地大。线圈产生感应电势的大小与线圈长度、匝数成正比。记单位长度的单匝线圈产生感应电势为u，单位长度导线的电阻为r，单位长度线圈的感抗为x，则感应电流的表达式如下所示:
[0053][0054]
由上式可见线圈长度越长，感应电流越大，感应电势也越大，检测灵敏度越高，越容易检测到。但是相应的成本、加工难度也会相应增加，线圈长度需要与其他变量配合选取。线径φ影响线圈电阻大小，线径越大，导线截面积越大，电阻越小，感应电流越大。三相感应线圈不能发生电气接触，因此，线圈线径的大小会影响可使用的最大匝数。线圈两条边相差180
°
时，两条边产生的电势方向相反，此时检测的感应电势最大，但相应的线圈电阻也增加，线圈最大匝数要减小，需要找到一个线圈最佳宽w满足三相线圈之间的互感足够小且使线圈感应电流最大。由表达式可知，线圈匝数n的选取需要根据仿真计算的线圈感抗来确定。线圈线径、宽度、匝数三个变量相互影响，需要用控制变量法，通过使用comsol仿真软件
计算确定使感应电流大、灵敏度高、满足感应电势检测要求的最佳线圈参数，另外线圈参数的选取还要根据加工因素调整。
[0055]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的设备、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0056]
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，也可以将具有相同功能的单元集合成一个单元，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
[0057]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
[0058]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0059]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0060]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。