王德全 崔树春 刘鑫 李勇群
国网江苏省电力有限公司淮安供电分公司 223001
摘要：随着我国电力产业的发展，我国的电力系统也越来越发达，由于电力电缆造成的电力缺陷时有发生，因此急需设计新的在线监测系统来解决电力电缆实时故障，因此基于差频法设计了电力电缆水树枝缺陷在线监测系统，硬件部分设计了电感耦合传感器、超高频传感器和MSP430单片机，软件部分首先设计了电力电缆水树枝缺陷在线监测主程序，基于差频法截取在线监测抗干扰信号，建立在线监测数据库，实现电力电缆水树枝缺陷在线监测，进行实验证明，本文设计的在线监测系统性能良好，对后续其他电力产业中的电力电缆监测提供参考。
关键词：差频法；水树枝缺陷；在线监测
中图分类号:TM247 文献标识码:A
0引言
电力是民生的根本，由于近年来我国的电力产业发展速度飞快，随之而来也产生许多问题，各个供电网络依托电缆进行电力输送，一旦电缆出现缺陷，极有可能发生电力运输故障[1]，导致严重的供电异常。因此需要技术对电缆进行检测，从而解决由于电缆故障引起的供电异常。除此之外，随着城市供电设备的增加，在部分城市选择了电缆敷设来取代传统的架空输电线，采用电缆敷设可以解决输电线路占地大，影响美观的问题。因此，随着电缆敷设的普及[2]，电缆数量也与日俱增，产生故障的概率也随之增加，带来了严重的经济损失，因此需要设计一个在线监测系统，随时定位电缆缺陷，解决电缆可能产生的故障。
目前现有电力监控系统无法有效支持电缆的在线监测，主要由于现有通信协议无法有效传输大规模阵列，SCADA数据库需要输入新的集成算法，而差频法可以很好地解决通信协议的传输问题，基于此，本文设计了基于差频法的电力在线监测系统。
1.硬件设计
1.1.电感耦合传感器
由于本文设计的在线监测系统需要采集局部放电信号，因此需要使用电感耦合传感器来实现信号的采集与过滤，该传感器利用了电流互感作用[3]，具有灵敏度高，安装简单的优点，可以结合数据服务控制中心进行监控信号的传感和滤波。
1.2.超高频传感器
除此之外，在进行信号监测时还需要及时处理监测到的电磁信号，本文选取超高频传感器作为监测电磁信号的硬件设备。当电缆产生缺陷时，往往会伴随局部放电[4]，从而产生特异性电磁波，因此使用超高频传感器可以利用这些发射出的电磁波及时定位此时产生水树枝缺陷的电缆位置，从而实现监测功能。
1.3.MSP430单片机
为了实现监测数据的处理，本文使用了MSP430单片机，该单片机具有很多优点，第一，其具有强大的数据处理能力，满足监测数据的处理需求，第二，其由于能耗低，所需的支持条件也低，方便进行实时监测，除此之外，该单片机还具有一定的稳定性[5]，不需要其他外设资源的支持，因此对监测数据的处理十分有帮助。
2.软件设计
2.1.设计电力电缆水树枝缺陷在线监测主程序
在设计系统的初期，需要先设计其实现检测的主程序，主程序的最主要功能就是进行数据的处理。处理后的数据可以使用数据报表反馈、实时曲线反馈和现场接线图反馈的形式呈现给电缆管理人员，电缆管理人员需要根据此时传递出的数据打印出状态报表。向控制中心发送出现缺陷电缆的定位警报。因此，主程序必须安装在厂站监控室内。
主程序设计的重点就是采用模块化结构设计，由前端处理器、主控程序、系统配置程序、现场图形设计程序、数据库等组成，可以保证监测系统现场配置的合理安排。主程序中必须配备日常监控反馈模块。还需要保证各部分分离，方便系统的更新升级。一旦电缆出现缺陷，导致整个供电系统异常时，该程序会立即定位此时故障位置，及时更换电缆，避免供电故障发生。
2.2.基于差频法截取在线监测抗干扰信号
由于不同的电缆缺陷产生的干扰形式不同，呈现出的干扰特性也不同，因此，仅用一种方法来截取所有的干扰信号是不切实际的，必须针对不同的干扰源采取不同的措施，以达到有效截取干扰信号的目的。
干扰信号的截取措施有很多种，最常见的就是消除干扰源、阻断干扰传播路径和处理干扰三种方法。除此之外，频域加窗法也可以实现干扰信号的截取，该方法主要利用频域中周期性干扰的离散特性进行信号截取，而频域加窗也是基于中脉冲干扰的离散特性进行截取抑制的。由于传统的干扰截取方式无法满足现有的干扰截取需求，因此本文设计的系统采用了全新的干扰截取技术，即自动扫频干扰截取。截取首先需要按照设定的频率值扫描SMHz之间的信号，其次需要将各频段的噪声数据记录到内存中，放置模拟信号的截取值，然后以相同的方式进行扫描，找到信号较高的频段及时进行信号截取。使用该频段局部放电测量可以使干扰截取效果更好，还可通过周期性测量信噪比来锁定干扰截取的频段。经过实验室和现场测试，发现该方法可以有效截取各种干扰信号，准确测量局部放电信号，是一种非常实用的干扰截取方法。
2.3.建立在线监测数据库
数据库中储存着每个监控点的所有监测信息，除此之外，电缆的配置信息和参数也都必须存储在数据库中。因为主控程序需要频繁的读写数据库，因此数据库的性能直接影响到系统的性能。考虑到系统以电缆缺陷监测为主，因此为了方便管理人员安装备份数据，本文设计的数据库设计了数据备份按钮。数据库是整个监测系统的心脏，负责存储所有监控数据和系统参数，因此，在系统配置中，数据库负责配置整个监测界面的接线图、背景颜色和字体颜色，并负责设置系统参数、配置监控点数。同时，它用于主控程序数据的储存，将采集到的电缆缺陷生成数据报表，及时提供给报警中心。
2.4.实现电力电缆水树枝缺陷在线监测
本文设计的电缆水树枝缺陷监测系统在Windows操作系统下实现了在线监测，前端计算机程序负责接收系统采集到的监测数据。从发送指令数据到接收采集数据的整个监测过程分为以下几个步骤，第一利用Flyer 计算机发送数据请求，数据请求通过串口服务器发送到采集器。第二，设备判断该命令是否为发送到报警中心的命令。如果不是，继续监视下一个数据包。第三，收集器从每个通道收集数据并同时启动阻塞机制避免连续接收命令产生的数据冲突。最后，筛选出电缆缺陷数据，实现电缆缺陷故障定位监测。
3.系统测试
为了检测本文设计的基于差频法的电力电缆水树枝缺陷在线监测系统的性能，以及其是否能实现准确的在线监测，进行了系统测试，如下所示。
3.1.测试准备
在野外作业和生产过程中，电缆可能会因为生产工艺不良、生产材料有杂质、生产车间卫生不达标、加工过程中存在气泡等原因产生缺陷，因此本文在进行监测时，提前筛选出有缺陷的电缆，进行系统测试。
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选取图1所示的在线监测装置进行系统测试，在实验室模拟局部模型电缆故障。在实验室建立了相应的实验模型，进行模拟实验。
3.2.测试结果与讨论
根据建立的故障模型，选取若干条电力电缆缺陷线路，应用本文设计的系统进行测试，检测其能否有效地实施监测，系统监测的部分界面如下图2所示。
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由图2可知，本文设计的系统性能良好，在面临多处电缆缺陷时可以实现实时监测，不受到电缆缺陷数量影响。
4结束语
综上所述，实时监测电力电缆的水树枝缺陷对电力系统的正常运行和解决电力系统的电缆故障来说有重要意义，因此，本文设计了基于差频法的电缆缺陷监测系统，通过设置监测主程序，截取干扰信号，建立数据库来实现整个系统的监测功能，进行系统测试，证明了设计的监测系统性能良好，可以实现实时监测，有一定的应用价值。
参考文献
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[5].童耀南,王欣,曹鹂晨等.基于物联网技术的室内环境在线监测系统设计[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2020,33(01):24-28.