基于物联网的电力电缆智能防盗报警系统

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　　摘   要：电力电缆在城市电网中应用越来越广泛，然而其被盗窃的事件却屡见不鲜。如何有效监测电力电缆，做好防盗、防外力破坏具有重要的意义。本文介绍了两种基于低功耗广域物联网的电力电缆智能防盗系统技术方案，包括监测电缆带电状态以及监测电箱门或电房门。对比分析表明，方案一监测电缆带电状态为最佳，监测终端不直接与电力电缆本体连接，不破坏电缆本体，具有电磁隔离、安全稳定的性能;现场只需安装一个监测终端，即可保护整条电缆，成本低、易于实现。最后，通过实际运用证明，方案一能够实现正确触发告警，避免电力电缆被盗损失。
　　关键词：物联网  电力电缆  感应电压  防盗报警
　　中图分类号：TM76                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0127-04
　　1  前言
　　随着智慧城市和智能电网建设步伐的不断推进，电力电缆因其具有较高的供电可靠性，节省地面空间、不影响城市美观等优点，在城市电网中应用越来越广泛，日益成为城市能源输送的地下大动脉。
　　然而，电力电缆，特别是10kV电力电缆，被盗窃的事件却屡有发生，给电网企业造成了不少的经济损失。
　　目前，国内外市场上的电力电缆防盗产品、装置系统，存在着许多不足，不能长期有效地起到防盗作用。在电缆沟道或井盖装设红外线探头：老鼠等其他物体遮挡光线时容易误报，敷设及后期维护成本高，装置电源供应不方便、不持久;实时监测线芯的电流电压：适用于220V/380V低压线路，且电缆在空载运行状态下无法防盗报警;电缆沿线加装光缆进行光谱分析：当盗贼剥割电力电缆而不破坏光缆时不报警，沿途敷设光缆，工程量大，费用高[1-3]。
　　文献[2]提出一种专门针对铠装电力电缆的智能防盗系统，主要通过检测电缆铠装层或屏蔽层被剥断的方式来触发报警，监测终端需串接到电力电缆铠装层与接地点之间。存在以下几个问题：（1）在电缆铠装层或屏蔽层被剥断后才触发报警，存在很大的延迟，且此时电缆已经被破坏掉，无法避免因此带来的较大损失;（2）安装监测终端需破坏电缆的外护套，容易导致钢铠层生锈腐蚀，继而给电缆长期运行带来安全隐患;（3）监测装置通常安装在地下电缆沟内，采用GSM或GPRS等传统的无线通讯方式，信号微弱、通讯质量不佳时容易导致数据丢失，从而无法防盗报警。
　　如何长期有效地防止电力电缆被盗窃、防外力破坏成为目前迫切需要解决的问题。本文介绍了物联网技术的特点及其在电网中的应用，分析了四种基于物联网的电力电缆防盗技术方案的可行性，最终得出方案三监测电缆带电状态为最佳。监测终端不直接与电力电缆本体连接，不破坏电缆本体，具有电磁隔离、安全稳定的性能;现场只需安装一个监测终端，即可保护整条电缆，成本低、易于实现，具有超高的性价比。
　　2  物联网技术在电网中的应用
　　2.1 低功耗广域物联网简介
　　“物联网”（Internet of Things），是在互联网基础上延伸和扩展的一种网络，通过信息传感器，按照事先约定的协议将万物连接起来，实现定位、跟踪、识别和监控等功能。物联网的快速发展对无线通信技术提出了更高的要求，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的LPWAN（Low-power Wide-Area Network，低功耗广域网）也快速兴起。NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）与LoRa（Long Range）是其中的典型代表，也是最有发展前景的两个低功耗广域网通信技术。
　　NB-IoT模块使用公网基站，一个设备配一张SIM卡，运营商覆盖范围即可。LoRa模块对应LoRa基站，基站需自行组建，覆盖半径2km。
　　基于蜂窝的NB-IoT只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM、UMTS或LTE，大大降低部署成本。从技术层面上来讲，NB-IoT有4大技术优势。首先是覆盖广，NB-IoT基于运营商的蜂窝网络，在同样的频段下，NB-IoT比现有的GSM增益20dB，覆盖面积扩大10倍，期望能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方;其次是海量连接，200kHz的带宽可以提供10万个连接;第三是低功耗，电源无需充电;第四是低成本，模组成本小于5美元。NB-IoT是物联网技术领域的一项革命性的创新技术，非常适合于环境监测、智慧水务、智慧穿戴、智慧抄表、智慧停车、智慧物流、智慧家庭及智慧社区等低速物联网应用领域[3]。
　　2.2 物聯网在电网中的应用
　　电网规模不断扩大，在此基础上构建了网络信息传输平台，并且不断提高电网运行的智能化。实时监测电网设备的运行状态，是确保电网运行的稳定性和安全性的关键。智能电网将物联网运用在发电、输电、变电、配电和用电环节，使用健壮的双向通信、高级传感器和分布式计算机来改善电力交换和使用的效率，提高可靠性;可以实现对运行状态的实时监测、负荷管理、线损分析和需求侧管理等功能，实现智能电网的高效一体化管理。
　　物联网在电网中应用的范围，还包括电网资产精益管理、输变电设备故障诊断、高电压线路监测、配电网故障定位、电网应急指挥、输变电设备状态监测、智能电网系统等[4]。
　　监测终端、监控后台、移动终端，三者之间可以两两连接，互相通讯、传输数据。监测终端通过物联网通讯技术与监控后台连接，该物联网技术可以是NB-IoT或LoRa通讯技术;监测终端通过短距离无线技术与移动终端进行连接，该短距离无线技术可以是蓝牙、WiFi、ZigBee中的任何一种;移动终端通过移动公网与监控后台进行连接。监控后台接收监控终端上传的数据，显示监测终端的状态，如通讯质量、电池电量等;还可以显示报警的情况，并同时发送至移动终端，其通知方式可以是短信、电话、震动或响铃中的一种或多种方式。 　　移动终端可以是手机、平板电脑等，内置APP应用软件，可以显示电力设备以及监测终端的状态，如设备的健康状态、监测终端的电池电量、报警情况等。运维人员可以通过移动终端连接监测终端，进行设防、撤防;还可现场进行签到，通过这种方式，来提高设备巡检质量及效率。
　　3  两电力电缆防盗报警方案
　　3.1 监测电缆带电状态
　　3.1.1 监测原理
　　高压输电线路由于电压过高，无法采用常规的电压互感器进行电压采集。依据电磁场理论，10kV三芯电力电缆终端头处电场分布不均匀，具有径向和轴向分量电场。径向电场强度的大小与线路的电压成正比，与离线路的距离成反比，与绝缘厚度成反比。在电缆终端头合适的位置设置一对电容极板，则电容两端会有感应电压产生。
　　感应电压大小为：
　　UAB=E×d                                                                 （1）
　　式中，E为电容安装处的电场强度，d为电容极板之间的距离。可以通过调整平板电容距离导线外径的位置，以获取适当的感应电压。如保持在0～5V之间。
　　监测终端安装在电缆终端头的任意一相导线的绝缘外护层上，正常状态下电缆带电，监测终端不动作。如图1所示，为电压监测终端安装示意图。
　　当与电源侧电缆终端头连接的开关由合闸位置被断开时，监测终端将会检测到电缆失压，即电压为零或低于设定的下限值时，报警输出，上传异常数据，触发监控后台及移动终端告警。
　　3.1.2 感应电压检测电路的设计
　　如图2所示，为感应电压检测的电路原理示意图，类似于感应式验电器检测原理[5]。感应端采用金属检拾片材质，能感应到极微弱的50Hz交流电信号。正常带电情况下，由于电容C的作用，使得三极管VT1的基极与三极管VT2的射极及电源的负极导通，相当于短路状态。此时，VT1和VT2均处于截止状态，触发模块不动作，整个电路消耗极微弱的电能。
　　当交流电信号消失或低于设定的下限值时，电容C相当于开路，VT1和VT2均导通，触发模块报警输出。感应电压监测模块内置过电压保护、内设电子自动开关，抗干扰性强。在未投入监测终端时，可以通过监控后台或移动终端控制内部开光S断开，进行撤防，以节省电量。
　　3.2 监测电箱门或电房门
　　通常，电箱或电房内具有多回电缆进出线，通过监测电箱门或电房门的状态，确认门是否被打开，以此来控制报警输出，具有更高的性价比。如图5所示，为监测电缆分支箱门和电房门示意图。
　　监测终端，内置的传感器可以是位移传感器、震动传感器、加速度传感器、角度传感器中的任何一种，也可以通过超声波测距或红外测距的方式来检测门是否被打开。图3中，监测终端内置位移传感器，其中一端固定在电缆分支箱的侧壁上或电房的墙上，另一端固定在门上。当检测到门被打开时，报警输出，监测终端声光报警，并上传异常数据至监控后台和移动终端。
　　此方案适用于电源側电缆终端头位于开关柜内的情况，对于电源侧电缆终端头安装在户外杆塔上的电缆，方案一监测电缆带电状态具有更大的优势。
　　4  电力电缆防盗报警系统的应用
　　根据方案一，监测电缆带电状态，2019年3月初，我们分别在10kV某F1恒迪关电缆、10kV某F1与某F18联络电缆上安装应用了监测终端。监测终端产品实物及安装应用如图4所示。
　　除了手机接收告警短信外，我们还开发了微信小程序“城市电力监测系统”及对应的微信公众号“智慧电力物联”，及时将告警信息传递给运维人员，如图5所示。
　　5  结语
　　针对基于物联网的电力电缆防盗报警系统，本文分别分析了两种不同的实施方案，其中，方案一最为理想。具有以下几大优点：
　　（1）监测终端不直接与电力电缆本体连接，不破坏电缆本体，具有电磁隔离、安全稳定的性能。
　　（2）能够监测电缆停电等异常运行的情况，报警输出，及时通知运维人员。
　　（3）现场只需安装一个监测终端，即可保护整条电缆，成本低、易于实现，具有超高的性价比。
　　通过实际运用证明，方案一能够实现正确触发告警，避免电力电缆被盗损失。
　　参考文献
　　[1] 懂小兵，蔡军.10～35kVXLPE电缆在线监测技术[J].电力自动化设备，2005，25（9）：20-24.
　　[2] 梁永福.电力电缆智能防盗及故障实时定位系统研究与应用[D].华北电力大学，2017.
　　[3] 刘玮，懂江波.NB-IoT关键技术与规划仿真方法[J].电信科学，2016，32（S1）： 144-148.
　　[4] 徐鹏，魏国华.基于云智能井盖系统的高压电缆防外力破坏系统研究[J].电力大数据，2017，20（9）：33-36.
　　[5] 薛文英.一种感应式交流验电笔电路[P].中国专利：CN104062535A，2014-06-13.
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