基于物聯網技術的電纜溝環境監控預警系統

蘇 平，李 樂，陳 明，王小軍

（國網寧夏電力有限公司 銀川供電公司，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

近年來，供電企業為了順應城市建設的步伐，逐漸將電力線路的路徑設計為地下傳輸，很大程度上解決了城市用地困難、高空建設受阻等問題。電纜溝作為地下電纜的關鍵承載渠道，其內部的溫度、氣體含量、濕度、小動物活動狀態等信息的實時監測，對電纜的安全穩定運行至關重要[1,2]。設計一種針對城區電纜溝的環境跟蹤預警控制系統，通過實時獲取電纜溝內的信息，利用數據對比分析、智能處理、預警及聯動控制等方法，及時消除內部隱患以保障溝內電纜的安全穩定運行，對提高城區用電的安全性和可靠性具有重要意義。

1 系統總體構架

整個系統的構架如圖1 所示，從下到上主要包括數據感知控制層、數據網絡傳輸層以及數據應用管理層[3]。

圖1 跟蹤預警控制系統構架

（1）數據感知控制層。控制層主要由分布于電纜溝內的各種傳感器及控制設備構成，如感溫電纜、二級水浸傳感器、微波感應元件、危險氣體傳感器、現場聲光報警、現場功能開關、其他控制端、水泵、風機、滅火設備、驅小動物設備。通過實時采集電纜溝環電纜溝內溫度、濕度、微波等物理信息量，轉換為4 ～20 mA/0 ～10 V 的模擬量、開關量作為輸出；將聲光報警、功能開關、水泵、風機、滅火設備、驅趕小動物設備作為受控設備，及時響應處置監測到的異常狀態。

（2）數據網絡傳輸層。傳輸層包括一個數據服務中心，包含讀取、存儲、判斷、處理、傳輸、收發等功能[4]。傳輸層作為整個系統的過渡層級，主要通過接收數據感知控制層采集傳輸來的數據，對數據進行協議的封裝，進一步通過通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）網絡發送至數據應用管理層，實現后臺終端與電纜溝環境的通信互聯。其中，數據采集和設備接口與數據服務中心實現雙向通信，既可以采集現場溫度、水位、微波、氣體濃度等物理信息，也可發送終端平臺的控制信息。

（3）數據應用管理層。管理層作為系統的最上級平臺，主要借助現場設備及移動終端傳輸的預警信息，通過手機App 和計算機網頁平臺實現對環境數據的監測、報警以及控制現場設備的聯動。

2 系統組成單元設計

2.1 數據感知控制層

數據感知控制層主要通過各類傳感器實時獲取溝內電纜的運行和環境信息。

（1）溫度綜合監控預警。通過線型感溫電纜監測溝內的現場溫度，借助其負溫度系數及熱敏特性將溝內溫度轉換為監測回路的電阻值。該數據可以根據電路設計轉化為相應的電流值/電壓值，以此滿足溫度采集模塊的需求。當溝內溫度達到火焰傳感器設定的閾值時，綜合判斷后啟動滅火裝置。

（2）危險氣體監控預警。借助MQ-2 氣體傳感器監測環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大[5]。此外，MQ-2 氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其他可燃蒸汽的檢測也很理想。

（3）二級水浸監控。采用3 根銅電極電路組合檢測進水點水位，根據進水狀態向網絡傳輸層傳出信號，由網絡層進行邏輯判斷和響應。對于越界數據進行報警，設置不同的閾值，實現多級報警功能。例如，對積水隱患進行2 級報警，第1 級報警時，可及時將報警信息發送給運維人員進行處理，當水位繼續上漲觸發第2 級報警時，系統可不經過運維人員應答，直接啟動水泵進行排水。

（4）小動物監控。采用微波感應技術測量目標的運動、速度以及方向，進而判斷物體是否存在。電磁波遇到移動物體的表面會產生散射現象，部分電磁能量通過移動物體表面的反射到達探測器的接收天線，通過信號處理將現場物體移動信息調制為電信號，實現數據感知[6]。

2.2 數據網絡傳輸層

數據傳輸層采用綜合單元GPRS 數據終端設備（Data Termind Unit，DTU），將采集處理的串口數據轉化為IP 數據，通過GPRS 網絡向Internet 網絡傳輸，路徑如圖2 所示[7]。硬件系統主要由CPU 控制模塊、GPRS 模塊、電源模塊等組成。本文系統選用的GPRS-DTU 含RS-485 接口，可以與數據感知層各類模擬量采集模塊的RS-485 接口實現并行連接，通過RS-485 總線將數據通過GPRS 網絡進行無線發送。此外，本系統數據傳輸層采用支持晶體管-晶體管邏輯通信（Transistor Transistor Logic，TTL）、RS-232、RS-422、RS-485 接口的GPRS-DTU，可滿足在惡劣環境下應用的需求，同時可兼容國內各種組態軟件，方便對設備進行組態[8]。

圖2 數據傳輸路徑

2.3 數據應用管理層

管理層主要基于手機App和計算機網頁平臺實現，借助感知層綜合采集的電纜溫度、電纜溝危險氣體濃度、電纜溝有無火災發生、電纜溝積水、有無小動物等環境數據，通過GPRS-DTU 數據傳輸對采集的環境數據生成曲線報表進行趨勢分析[9]。通過手機或者計算機網頁實現終端預警和現場報警，設置遠程控制功能初步消除隱患。對于無法解決的問題，系統及時將報警信息通過終端平臺發送至運維人員，以便運維人員第一時間趕赴現場操作控制設備及告警裝置，進而解決電纜溝的異常情況。此外，整個管理層還支持后續感知單元和控制應用終端的接入。

3 系統功能實現

整個系統通過傳感、通信等物聯網技術實現對電纜溝環境的跟蹤預警控制，整個系統功能的實現效果如圖3 所示。首先，通過第1 個擴展接口實現數據的采集和應用，綜合采集電纜溝內的溫度、可燃氣體濃度、積水、小動物活動狀態等數據，隨后后臺終端對采集的環境數據生成曲線報表，查詢跟蹤歷史數據進行趨勢分析；其次，通過數據網絡傳輸實現數據的監測和跟蹤，應用各種模態組件跟蹤監測對象，對傳輸過來的模擬量進行數據的深加工，剔除不良數據組建魯棒性能優異的數據庫，以便實現數據的預警控制功能；再次，通過報警系統實現數據的遠方告警，通過前期在傳感控制設備上設置的動作閾值，對數據庫進行控制算法的優化，提升對告警信息的靈敏度和準確度，之后將準確的控制信息傳遞至控制設備；最后，通過第2 個擴展接口實現數據與現場設備的聯動控制，結合告警信息初步對受控裝置進行自動啟停，一旦無法處理，采取通信技術將報警信息發送給運維人員，以便運維人員根據報警信息，應用手機作為終端平臺，實現遠程綜合控制現場裝置，判斷不同種類的告警信息手動啟動風機、滅火裝置、水泵、驅趕小動物裝置。整個系統實現了電纜溝環境的狀態跟蹤監測與管理，能夠及時發現并消除隱患。

4 結 論

設計的基于物聯網技術的電纜溝環境監控預警系統，既適用于城區電纜溝環境的預警監測，也可應用到變電站二次設備室以及其他公共場所的地下電纜環境。整個系統的可靠性高，能夠實時有效跟蹤電纜溝的異常信息，通過數據分析、處理、共享，驅使系統通過報警、聯動控制等方法及時將隱患消滅于萌芽狀態。此外，采用該跟蹤預警控制系統，可有效減少大量人力物力的支出，避免電纜溝內的惡劣環境對巡檢人員安全造成影響。