1 绪论
1.1 课题的背景及研究的意义
高速公路主线上的电缆系统作为整个高速公路机电系统的“血管”，不断为相关设备不间断地输送着“血液”（电），以便保证外场机电设备正常工作。但最近几年来，高速公路电力电缆被盗现象非常严重，一方面造成重大的经济损失，更重要的是严重影响设备的正常运行，给高速公路营运安全构成威胁。重庆渝黔高速公路在还没有完全通车的情况下，被盗电缆达 1500 米，这些电缆主要用于保障路况情报板、限速标识、重要立交桥梁、洞口的监控设备以及监控车流速度的车监器等外场设备正常工作，被盗以后几乎所有电子设备成了“睁眼瞎”。2005 年 2 月，浙江省金丽温高速公路武义段路旁的电缆井里发现了一起电缆线被盗割案件，被盗电缆长度达 600 米。这两年仅在金丽温高速公路武义段，电缆被盗共造成直接经济损失就有七八万元，给行车安全带来了很大的危害。
江苏省宁宿徐高速公路宿迁境内自 2006 年以来先后共发生 10 多起电力电缆被盗事件，严重破坏了监控、通讯系统的正常运行，影响到各类警示信息的及时发布，给过往车辆安全行车带来隐患。湖南省 2008 年 5 月份以来高速公路被盗割电缆 10 余起，直接经济损失达300 多万元。虽然交通巡警、地方公安和路政部门加强巡逻，在经常被盗的地段采取了 24小时轮班蹲点的方式守候，加强了对此类案件的打击力度，但是由于作案人员对高速公路周围地形的熟悉，经常会利用公路两旁的绿化环境作为其隐蔽场所，作案时间短，作案手法熟练，很难及时发现，严重影响了高速公路的正常运行与管理，给国家造成了重大的财产损失，给高速公路车辆的运行造成了巨大的安全隐患。因此，对高速公路电力电缆的防盗方法和产品的需求越来越迫切。
随着嵌入式微电脑技术、电力安全控制技术、载波传输技术及无线通信技术的广泛应用，现代化的智能监测防盗系统的产生和应用将越来越现实。智能监测防盗系统对高速公路的管理者或使用者而言，从内部管理和安全防范的角度都将起到了极大的作用。因此，研究高速公路电力电缆、电力设备的智能监测防盗系统具有极大的经济效益、强大的社会效益和深远的现实意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内高速公路配电系统现状
高速公路配电系统为高速公路沿线收费、监控、通信、照明等其它机电系统配送电能，配电的质量及配电系统的安全性、可靠性直接关系到高速公路的日常运营以及管理工作的正常开展。我国高速公路配电系统一般是由电力变压器将高压电降至 380 伏线电压或者 220 伏相电压的市电，路灯、机电设备等将从市电的母线上获取电力。简化后的配电电线如图 1.1 所示。输电线路的每一相都会带有若干个路灯或设备。为了使相与相间的电压平衡，各个支路上的负载应该大致相同。实际施工现场的情况非常复杂，可能出现多样的布线形式，但其原理都不会变动。
2 基于电力载波技术的智能监测防盗系统总体方案设计
2.1 电缆检测技术分析
目前，国内市场上的防盗设备所采用的电缆断线检测技术有电压检测法、漏电电流检测法、电容探测法、微波感应探测法、电力线载波检测法等。
电压检测法电压检测法就是检测电缆带电与否，来判断电缆是不是被盗剪了。如果电缆回路有电压，则判定电缆完整；如果电缆回路电压为零，则判定电缆被盗剪。此方法简单可靠，但是只适用于长期通电的电缆。
漏电电流检测法漏电电流检测法的原理是将一路段的三相四线电缆同时穿过互感器进行检测，正常值应为一特定初始值（即初始漏电值）。同时在该路末端人为使其火线与地之间产生漏电，则其检测的值应超过原先的初始值。所以一旦检测值恢复到正常，则认为电缆被盗随即报警[6]。这种方法虽然根据其原理是可行的，但实际情况并不是如此。其检测初始值很难确定，存在着一定的安全隐患，并且不能够实现白天时无电状态的断线告警。
电容探测法电容探测法是利用一对空置电缆（即不通电，如没有空置的，就需在布线时选购多芯电缆），将终端短路,始端接与报警器的多谐振荡上，当电缆正常时，振荡器不起振,没有信号输出。当电缆被盗剪时，空置电缆成为一个电容，且容量大小与被剪位置有关。因此被盗剪位置不同，振荡器输出的信号频率也不同，利用单片机对输出的方波脉冲进行计算，可确定被剪位置。此方法优点在于可以准确判断电缆被盗剪的位置，以及由于需要另外一对空置电缆，所以远距离传输的可靠性高，通信容量大。但是往往加大了电力部门的运营成本，电缆并没有全部被剪断时有可能产生漏报。
3 基于直接序列扩频技术............................ 21-35
3.1 低压电力线载波通信信道............................ 21-27
3.1.1 通信信道特性............................ 21-23
3.1.2 通信信道模型............................ 23-27
3.2 扩频通信技术分析............................ 27-34
3.2.1 扩频通信技术............................ 27-28
3.2.2 直接序列扩频技术 ............................28-30
3.2.3 直序扩频系统建模仿真............................ 30-33
3.2.4 直序扩频系统抗干扰分析............................ 33-34
3.3 本章小结............................ 34-35
4 基于 Dijkstra 算法的载波通信............................ 35-45
4.1 载波通信节点物理网络组............................ 35-37
4.2 载波通信动态组网问题的描述............................ 37
4.3 基于Dijkstra 算法的载波通............................ 37-41
4.3.1 Dijkstra 算法概述 ............................37-39
4.3.2 基于Dijkstra 算法的载............................ 39-41
4.4 基于Dijkstra 算法的载波通............................ 41-44
4.4.1 信息表建立 ............................41-42
4.4.2 基于Dijkstra 算法的载............................42-44
4.5 本章小结............................ 44-45
5高速公路电力电缆故障点定位算法............................ 45-49
5.1 电缆故障点定位方法比较............................ 45
5.2 电力电缆故障点定位的要求............................ 45-46
5.3 故障点定位算法的设计............................ 46-48
5.3.1 故障点定位的基本原理............................ 46
5.3.2 故障点定位算法的设计思路............................ 46-47
5.3.3 故障点定位的步骤............................ 47-48
5.4 本章小结............................ 48-49
结论
高速公路电缆的盗窃活动日益猖獗，而目前的电缆防盗系统不能满足人们的要求。在这种的现状下，本文研究了基于低电压电力线载波的高速公路电力电缆、电力设备智能监测防盗系统。在研究过程中，本文对电力线载波技术进行了分析，以此为基础探讨了载波通信组网算法和故障点定位方法，并且构建了系统的软硬件，同时通过仿真对系统的监测防盗效果进行验证。本文主要研究成果如下：
① 总体设计方案。本文针对高速公路电力电缆和智能设备的分布特征，结合防盗系统的需求，提出了基于低电压电力线载波的高速公路电力电缆智能监测防盗系统总体设计方案及其实现目标。
② 载波通信动态组网算法的研究。为了解决载波通信的通信距离有限的问题，本文针对载波通信节点的物理网络模型和载波通信组网的具体要求，采用基于 Dijkstra(迪杰斯特拉)算法的思想，设计了能够自动寻找最优路径的载波通信动态组网技术方案。
3、 故障点定位方法。通过分析故障点定位要求，结合载波通信组网算法的特点，本文提出了一种无论是单点故障还是多点故障的情况下均能监测出故障点位置的定位方法。该定位方法以载波通信组网算法为基础而设计，当出现故障时，系统重新动态组网，综合分析主站至各个从站所需时间和重新动态组网前数据帧所历经的路径，来判断故障点的位置。
④ 系统验证及分析。利用 MATLAB 软件针对一个具体实例进行了仿真，以及在实验室的模拟环境下对系统故障检测成功率进行测试。仿真结果和测试结果均验证了基于低电压电力线载波的智能监测防盗系统具有良好的电缆防盗效果。