電纜隧道智能可視化檢測及移動互聯網技術應用研究

黃紅輝，陳 榮

（國網浙江義烏市供電有限公司，浙江 義烏 322000）

0 引 言

近年來，隨著城市用地的日益緊張，為了減少綠化空間和公共資源的占用，大多數城市采用地下電纜取代架空線路。大部分電纜鋪設在隧道中，但是隧道中的電纜種類多且線路長，電纜隧道的環(huán)境潮濕又不通風，甚至還存在各種有毒氣體和可燃氣體，環(huán)境十分復雜。目前，部分用電密度高的地區(qū)采用人員看守的方式巡檢，而部分偏遠地區(qū)的電纜隧道甚至無人看守。由于隧道里面的電纜、排水、通風、照明、消防以及通信等設備數量多、分布廣且里程長，因此需要監(jiān)控的設備較多，日常巡檢工作難度較大，導致電纜隧道巡檢工作需要耗費較多的人力和時間。我國已經發(fā)生多起電纜隧道設施設備被盜和電纜積水短路等事故，事故發(fā)生后維修處理時間長，災難波及范圍廣，經濟損失巨大。因此，加強電纜隧道的實時監(jiān)測和巡檢刻不容緩，是提高輸配電質量的重要手段。本文試圖運用人工智能、大數據存儲以及視頻攝像頭等技術搭建電纜隧道智能可視化檢測系統(tǒng)，實現無人化智能巡檢，向監(jiān)控中心實時傳輸設備和隧道的環(huán)境狀態(tài)，保證電纜隧道巡檢的數量、質量以及可靠性，為電力設備的及時維護和故障分析提供依據，也為安全供電和隧道安全提供基礎。

1 系統(tǒng)建設目標

電纜隧道智能可視化監(jiān)測是以實現電纜和隧道設備數據集中的監(jiān)測、控制以及管控一體化為目標，將電纜隧道內的所有設施設備及環(huán)境信息集中在一起，綜合整合各個監(jiān)控功能，搭建實時動態(tài)和安全可靠的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現電纜隧道智能化監(jiān)控和控制，為輸配電質量安全提供基礎。具體主要包括以下幾個目標：一是提供統(tǒng)一和標準的信息接入接口，實現電纜、附屬設施以及運行環(huán)境的實時監(jiān)視和控制；二是實現電纜設施設備的監(jiān)控、指揮以及調度；三是實現電纜隧道生產安全風險的可控、能控以及在控，即全過程管控；四是實現電纜隧道設施設備和環(huán)境的科學評估，提供檢修決策[1]。

2 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)將整合多個子系統(tǒng)的監(jiān)測數據，使工作人員可以實現一站式集中監(jiān)測管理，實現包括溫度、水溫以及視頻圖像等實時監(jiān)控與管理。當發(fā)現異常數據時，能夠及時獲得各個設備的報警信息并通知工作人員處理，避免故障進一步擴大，引發(fā)更大的責任事故。同時，本系統(tǒng)提供歷史查詢等功能，將運行數據通過圖表等形式呈現，并且提供打印機等外圍設備打印相關數據。此外，本系統(tǒng)設計應該遵循結構緊湊、界面美觀以及功能齊全等原則，不僅可以提高電纜隧道的管理水平，而且有助于加快電力企業(yè)標準化建設[2]。

2.1 硬件結構

本系統(tǒng)采用分布式分層設計，具體分為業(yè)務應用層、基礎平臺層以及數據接入層。系統(tǒng)架構如圖1所示。

業(yè)務應用層采用B/S和C/S混合的模式，除了滿足運行監(jiān)控、生產管理以及應急處理等核心業(yè)務功能以外，還提供查詢統(tǒng)計、數據支持以及配置維護等基礎功能，以保證系統(tǒng)的人性化設計。基礎平臺層采用J2EE體系框架，運用企業(yè)服務總線為系統(tǒng)提供功能平臺和數據平臺。其中，功能平臺的功能包括文檔管理、報表管理、流程支持、安全管理、圖形服務以及GIS，數據平臺中的數據是通過功能平臺獲取到的基礎數據，包括地理數據、設施設備數據、運行監(jiān)測數據、權限數據以及預案數據等。數據接入層采用數據采集接口適配器，將數據與應用系統(tǒng)融合在一起，實現防盜報警、井蓋監(jiān)控、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控（水位和氣體）以及光線監(jiān)控等功能。

圖1 系統(tǒng)架構圖

2.2 軟件結構

本系統(tǒng)軟件采用開放式和分布式的體系結構，以滿足系統(tǒng)后期的增容和升級需要。具體來說，本系統(tǒng)通過智能監(jiān)控設備、客戶端、前置機以及統(tǒng)一接口等方式采集數據，并將采集到的數據實時發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)的服務器，然后由服務器對收集到的數據進行處理后，實時將數據發(fā)送給其他服務器和工作站，以保證系統(tǒng)內各節(jié)點能夠獲得統(tǒng)一的數據。

2.3 通信網絡

本系統(tǒng)的通信組網遵循國際標準和工業(yè)標準，實現監(jiān)控主站后臺服務器和無線綜合監(jiān)控主機的數據通信。具體的組網方式為采用移動運用上的5G、GPRS、CDMA1X以及APN等無線網絡，通過無線Modem撥號登錄Internet公網，并以Server端固定IP建立Socket實現TCP/IP以太網接口。

3 系統(tǒng)的設計與實現

本系統(tǒng)采用集中監(jiān)控模式，結合電纜隧道的設備運行狀況、監(jiān)控數據以及控制參數等數據，通過算法運算、邏輯判斷以及智能分析等方式，綜合得出電纜隧道各設備的運行狀態(tài)，并且以文字、圖像以及聲光等形式呈現出來。為用戶搭建直觀明了又實用的電纜隧道智能監(jiān)控平臺環(huán)境，無須人工進行復雜的數據統(tǒng)計和分析，就可以實時且方便地監(jiān)管所有數據[3]。結合系統(tǒng)的實際需求，本系統(tǒng)應主要包括分布式光纖測溫子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、井蓋狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)以及接地電流監(jiān)測子系統(tǒng)共4個子系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)的具體實現如下。

3.1 分布式光纖測溫子系統(tǒng)

電纜必須在一定的溫度下運行，溫度太高容易加速電纜絕緣老化，導致電纜絕緣擊穿，從而引發(fā)較為嚴重的后果。因此，電纜隧道的溫度監(jiān)控對于確保電纜運行安全有著十分重要的作用。常用的電纜絕緣材質為交聯聚乙烯，運行溫度不能高于90 ℃。分布式光纖溫度測量技術在歐美國家已經得到較為廣泛的應用，是當前監(jiān)測電纜運行溫度最為有效的方式。該系統(tǒng)本身不帶電，采用感溫光柵作為探測器，以拉曼散射效應和時域反射技術實現溫度測量和距離定位。當發(fā)現隧道某個點的溫度較高時，系統(tǒng)就會發(fā)出火災預警，便于采取處理措施。

分布式光纖測溫子系統(tǒng)包括測溫主機、上位主機、測溫光纜、交換機以及后臺軟件。測溫主機的所有部件集成在一個機箱內，包括通信軟件、USB、串口、并口以及光通道等設備。機箱外層采用鎧裝護套防護，起到防塵、防震以及防水等作用，每個主機可以監(jiān)控30 km長的電纜隧道。測溫光纜是指在電纜每相敷設一根測溫光纖，設置雙回路，每隔0.5 m設置一個固定支架，采用塑料扎帶固定。系統(tǒng)通過交換機將報警信息及時上傳給上位主機，上位主機運用后臺軟件計算判斷異常點，發(fā)現異常后立即報警。

3.2 環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)

電纜隧道處于地下深處，環(huán)境氣體成分和濕度將會影響電纜的運行狀態(tài)。如果碰上暴雨等天氣，隧道中的水流高于警戒線，就應當快速排水，避免相關電氣設施因短路而停用。另外空氣中含有有毒有害氣體，或者空氣的含氧量異常，都有可能造成絕緣材料老化和隧道火災風險增加等問題。因此，應當通過水位監(jiān)控子系統(tǒng)和氣體監(jiān)控子系統(tǒng)實時監(jiān)控隧道中的積水狀況和空氣成分等，以便監(jiān)測人員啟停風機和水泵。

3.2.1 水位監(jiān)控子系統(tǒng)

根據排水要求，可以在電纜隧道中設置排水坡度，在低洼處設置集水坑，并在集水坑旁加裝自動排水泵。排水泵采用直接啟動方式，水流量設計為3 m3/h，揚程大于15 m，額定功率750 W。排水管采用UPVC管，并用粘接的方式連接。在排水泵上加裝浮球液位開關和控制器，利用浮球液位開關的磁性浮子隨水位的升降來采集水位的高低信號，由干簧管芯片發(fā)出的開啟和閉合指令來轉換開關信號。當集水坑的水位上升到（h-0.050） m時，水泵自動開啟，抽排坑內積水，當集水坑的水位下降到（h-0.820） m時，水泵停止運行。其中，h為電纜隧道節(jié)點底板標高。

3.2.2 氣體監(jiān)控子系統(tǒng)

電纜隧道空間密閉，存在電纜設備老化等原因將會造成隧道內的有害氣體較多，特別是導致甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）以及二氧化碳（CO2）等有害氣體郁積。運維檢修人員巡檢時，可能會因為有害氣體的存在，導致氧氣量不足，甚至威脅到檢修人員的人身安全。因此，要加強隧道內氣體成分的監(jiān)控，特別是對CH4、CO以及CO2等有害氣體的監(jiān)控。

在電纜隧道的內部安裝氣體傳感器用于隧道內部空氣數據的采集，然后通過無線信號傳輸將氣體信息傳輸到上位機，再由上位機分析空氣成分。當空氣中某些氣體的濃度超過警戒值時，氣體監(jiān)控子系統(tǒng)的主機就會開啟風機通風系統(tǒng)并關閉相應的防火門，及時排除空氣中的部分成分氣體，降低其濃度。

3.3 井蓋狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)

井蓋狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)是采用紅外傳感器實現實時監(jiān)控隧道井蓋的開閉狀態(tài)。工作人員遠程采用遙控鑰匙開閉井蓋電子鎖。井蓋狀態(tài)異常報警等功能，可以有效防止井蓋被人開啟，防止出現不法分子盜竊電纜設備的情況。該子系統(tǒng)由監(jiān)控主機、電纜井內蓋、電子鎖控制器以及光纖網絡終端組成，系統(tǒng)的運行過程如下。首先監(jiān)控主機通過光纖網絡終端將井蓋控制終端工作狀態(tài)和預警等信息上傳到監(jiān)控中心，其次由監(jiān)控中心進行數據分析并在處理后發(fā)出操作指令，最后由光纖網絡終端將操作指令下達給井蓋電子鎖控制器，對井蓋監(jiān)控終端進行閉鎖和開鎖操作。

3.4 接地電流監(jiān)測子系統(tǒng)

將高壓電纜的兩側接地時，電纜的金屬護層將會因為感應電動勢而產生環(huán)流。此外，在金屬護層上還將產生電容電流和泄漏電流。這3種電流統(tǒng)稱為護層電流。如果護層電流過大，將會造成電纜溫度升高，破壞電纜護層，影響輸配電容量，嚴重時將會造成接地線燒毀等輸配電事故。因此，加強接地電流監(jiān)控顯得十分有必要。接地電流監(jiān)測子系統(tǒng)主要包括綜合監(jiān)控主機、護套環(huán)流采集器、護套環(huán)流互感器以及光纖網絡終端幾個部分，系統(tǒng)的運作流程如下。首先護套環(huán)流采集器采集到接地電流數據，通過光纖網絡終端將信息傳輸給綜合監(jiān)控主機，其次綜合監(jiān)控主機將會分析、處理以及存儲采集到的數據，并發(fā)出操作指令，最后環(huán)流互感器根據指令執(zhí)行接地電流瞬態(tài)超限鎖定報警功能，完成接地電流監(jiān)測。

4 效益分析

電纜隧道智能可視化檢測系統(tǒng)運行以后，降低了電纜隧道設施設備故障發(fā)生率，減少了電流運行維護成本，具有極高的經濟效益、管理效益以及社會價值。

4.1 經濟效益

電纜隧道智能可視化檢測系統(tǒng)運行以后，極大地提高了經濟價值。首先，隨著用電負荷的不斷增長，電纜隧道不斷增加，電纜隧道設施維護量也在不斷增加。而該系統(tǒng)建成以后，避免了人工定期巡視運行狀態(tài)檢查的問題，直接減少了運行人員所需要的費用，節(jié)約了運營成本。其次，系統(tǒng)可以實時監(jiān)視隧道內電纜運行狀況，提前找出隧道內潛在的風險，從而降低了電纜隧道設施設備的故障發(fā)生率，將因電纜故障引發(fā)的經濟損失降低到最少。最后，利用綜合監(jiān)測手段分析設備狀態(tài)，提前制定停電計劃，減少停電等事故造成的費用支出。

4.2 管理效益

本系統(tǒng)將及時收集電纜隧道的運行狀態(tài)，當發(fā)現異常數據時，系統(tǒng)自動報警并提醒工作人員處理。工作人員通過全面診斷、現場采樣以及實驗室復查等方式，解決故障隱患，避免財產損失。此外，故障檢修完成后形成專業(yè)的設備運行評價報告，報給公司專家組審閱，形成經驗在全公司內推廣，為以后的檢修工作提供可靠的依據，并不斷提高對設備狀態(tài)的診斷能力，形成更加先進的監(jiān)測技術，優(yōu)化監(jiān)測功能，保證電網的健康運行。

4.3 社會效益

本系統(tǒng)運行后，減少了故障發(fā)生率，提高了供電質量和客戶滿意度，降低了用戶投訴率，維護了供電公司形象。還充分運用監(jiān)測電纜預判事故，及時制定應急搶救措施，避免大面積停電，提高了供電質量和供電安全。此外，減少了運維人員的維檢次數和工作強度及壓力，保障了運維人員的人身安全。

5 結 論

電纜隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)的實施，可以讓電纜運行人員實時掌握電纜溫度、隧道內水位以及井蓋狀態(tài)等信息，了解電纜運行的情況和環(huán)境，發(fā)現異常后可以立即啟動報警功能，及時處理，提高配電質量。本系統(tǒng)還可以實現監(jiān)控人員多隧道和多狀態(tài)量的同時監(jiān)測，減少監(jiān)測人員的數量，降低監(jiān)測人員的勞動強度。從外，本系統(tǒng)將電纜隧道運行管理模式逐步轉換到狀態(tài)監(jiān)控和狀態(tài)檢修，將電纜隧道的運行狀況和運行環(huán)境實現在可控、在控以及能控，提高配電質量。但本系統(tǒng)中仍然存在一定的不足，如部分沒有安裝監(jiān)控攝像頭的區(qū)域無法實時查看該區(qū)域的環(huán)境狀況，環(huán)境氣體監(jiān)測也僅僅是采集和處理CO、CH4以及O2這3種氣體的濃度和煙霧濃度，而對于隧道中部分關鍵設備的發(fā)熱等問題并不能夠做到實時的監(jiān)控處理，因此在后續(xù)的研究中還有待進一步優(yōu)化和完善。