電力隧道監測及巡檢監控技術應用

王志成 王勝輝 劉 暢 張 俊 王 堯

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.許昌職業技術學院，河南 許昌 461000）

0 引言

高壓電力電纜敷設在地下通道（管廊或隧道）中，惡劣的運行環境給人工巡檢帶來巨大困難，依靠人工運維不但工作量大、效率低，且危險度高。尤其是電纜設備故障或通道環境異常時，在現場工作的運檢人員可能會有生命危險。目前，運維人員數量無法滿足電力電纜及隧道快速增加的需要，導致電力隧道運檢工作面臨巨大壓力，電力設備安全運行存在隱患和風險。基于電力電纜及通道運行維護的特殊要求，在線監測和移動巡檢代替人工巡檢，成為重要狀態的感知技術手段，可完成對電纜隧道內電力電纜及附屬設備的巡檢，并實現對電力隧道設備狀態的連續和動態采集。通過把采集到的現場視頻、圖像、空氣中有害氣體的含量等數據發回監控中心，可及時發現電力電纜發熱、外觀缺陷等設備異常現象，也可執行應急對講指揮等相關處置措施，起到很好的防災減災效果。在將巡檢人員從危險繁雜的工作中解放出來的同時，還能提升運維效率和保障電網可靠運行，實現電力隧道運維的狀態感知自動化、通道環境可視化、運維管理精益化、分析決策智能化等功能［1］。

1 電力隧道巡檢監控架構設計

電力隧道監控是在電力通用架構第Ⅲ區部署的，集成了環境、照明、風機、水泵、消防、視頻監控、變配電、門禁和移動巡檢等子系統，完成數據統一接入、存儲、展示，并實現輔助設施遠程控制、聯動控制等高級功能。按集中又獨立的大型分布式系統進行組建，電纜隧道綜合監控由各項專業監測子系統和監控主站等組成，所有監測數據都集中在監控站上分析、控制、顯示和存儲。

建立統一的數據庫對管廊隧道中監測裝置所采集到的狀態監測數據進行全局監視，并進行操作控制，可接入移動巡檢、光纖測溫裝置、環境監測裝置、環流監測裝置、安防監測裝置的數據，同時裝置信息可在Web客戶端進行瀏覽，并對各監測裝置進行智能化控制。該系統設計遵循分層、分布式思想，采用標準化、網絡化、功能分布的體系結構，在網絡結構、硬件和軟件配置上遵循開放性原則，達到系統的可擴充性、可維護性。在網絡配置形式上，采用成熟、可靠、實用性強的開放式以太網，按照單網配置。網絡拓撲結構可設計為總線型、星型或環型，傳輸介質可采用“雙絞線+無線AP”結合方式，其主要對電纜本體和隧道配套部分兩大部分進行監測，由物理架構和軟件架構組成。電力電纜隧道監控架構如圖1所示。

圖1 電力電纜隧道監控架構

1.1 物理架構

電力隧道監控數據處理與展示模塊由綜合應用服務器、數據服務器、Web 服務器和展示主機組成，并配有顯示器、鍵盤、鼠標等附件。監控系統綜合數據中心基于數據服務器對數據進行綜合采集、分析與展示，應用服務器對已采集到的現場數據進行智能分析和綜合判斷，并基于Web服務器進行前端數據處理與展示，通過常用瀏覽器（如Internet Explorer）進行展示瀏覽。上述數據傳輸要通過中心交換機或內部專用網絡進行交換。

電纜本體監測包括電纜環流監測和光纖測溫的數據通信交換。考慮到其數據容量較大，要通過專用網絡進行數據收集，然后通過中心交換機上傳到后臺監控服務器。

隧道配套部分監測，隧道內各監測點要布控無線AP 和通信管理機，用于收集隧道內的安防、消防、視頻等數據，并通過以太網方式傳輸到中心交換機。

智能移動巡檢先通過無線通信方式將視頻、圖片信息上傳到就地中心交換機，再通過以太網方式把圖像信息統一進行數據存儲，并對相關信息進行分析。

1.2 軟件架構

相關軟件開發是基于B/S 架構來實現的，開發環境采用開源方式來實現各業務模塊的相關功能。通過Web網頁方式來實現人機交互，采用視頻流接口來實現監控與監測攝像頭、移動巡檢的交互。對各個業務單元的監測設備通過轉換通信規約或直接接入方式來實現接口通信。主站與監測裝置通信主要采用IEC 61850和IEC 104方式上送。

2 功能簡介

電纜隧道監控包括電纜本體信息在線監測部分、隧道環境監控配套部分，這兩部分包括移動巡檢視頻、環境溫濕度、有毒有害氣體、門禁、排水、電子井蓋、風機、照明、消防［2-3］等子系統。這些信息將被收集成綜合分析“大數據”，然后對這些數據進行存儲、篩查、檢索、應用、呈現、分析，從而實現對這些數據的綜合利用，完成設備間的智能聯動，實現電纜本體及隧道環境相關監測數據的接入、數據分析、數據展示和設備控制。

2.1 全局管理

全局管理主要查看管廊隧道在地圖的分布情況，展示管廊中設備告警信息，以GIS 地圖方式來顯示管廊分布、對隧道和回路進行數量統計和查看隧道設備的實時告警信息。

2.2 電纜本體監測

2.2.1 環流監測。該部分主要有四大功能，分別為實時數據、實時曲線、日統計曲線、歷史數據查詢。實時數據功能主要用于展示接地箱A 相環流、B相環流、C相環流、Z相環流的信息，根據數據來判斷出數據目前狀態；實時曲線功能主要用于展示監測數據的實時曲線走勢；日統計曲線功能可根據不同天的數據選擇來展示曲線走勢；歷史數據查詢功能可進行歷史數據的查詢。

2.2.2 光纖測溫。監測線路上各接頭的實時溫度數據，展示每條線路中的分區數和電纜接頭數量。監測線路區間中ABC 三相某個距離區域點電纜的表面溫度和導體溫度，并根據此區域的數據報警閾值對此區域的最高溫度、最低溫度、平均溫度、溫升尖峰、溫差報警的數據進行對比［4］。另外，對電纜的表面溫度、導體溫度的實時數據曲線進行展示。

2.3 環境監測綜合展示

在監測管廊線路中，隧道分區中氣體傳感器、溫濕度、水位數據的狀態信息。環境監測分三個功能，分別為區域環境示意圖、實時曲線、歷史曲線。 在區域環境示意圖區，可實時監測該分區有害氣體含量、溫濕度及風機照明等設備的狀態，并對風機等設備進行控制操作；實時曲線區是對有害氣體、溫濕度數據的實時走勢的展示；歷史曲線區是對有害氣體、溫濕度歷史走勢的展示。

2.4 環境監測智能控制

環境監測智能控制包括實時顯示風機、照明、水泵的當前狀態，可通過控制按鈕對相關設備一鍵開啟/關閉。

2.5 安防監測

該功能包括顯示管廊的門禁、井蓋位置信息及紅外對射報警、入侵報警狀態信息，控制門禁、井蓋的開啟關閉狀態；監視視頻場所內的視頻信息，實時上傳安防監測相關的報警信息。

2.6 視頻監控

顯示對應各隧道中不同分區的視頻展示，可對各攝像頭進行控制，并能進行視頻回放。云臺控制包括上、下、左、右、旋轉、停止等功能，視頻監視包括回放錄像和手動抓取視頻圖像功能。

2.7 移動巡檢

移動巡檢主要為巡檢機器人的數據接入、數據分析、數據展示和機器人控制。主要展示實時數據和視頻、機器人控制、實時告警等功能。

實時數據包括機器人的信息列表、機器人狀態信息、環境狀態信息，實時上送機器人的當前位置、機器人速度、電池電量、障礙物、驅動器狀態、低電量報警等狀態信息，監測管廊環境中的CPU 溫度、氧氣濃度信息，并在機器人監控界面實時顯示。實時視頻包括高清和紅外攝像頭，可顯示高清攝像頭的實時視頻信息。

機器人控制主要包括機器人云臺遠程控制、視頻控制和機器人本體遠程控制。機器人本體控制包括機器人本體的前進、后退、持續前進、持續后退、停止、去絕對位置、去相對位置、正向回零、反向回零、取消回零等，可設置機器人的運行速度和位移信息。速度設置為0.01～1 m/s，即可輸入0.01～1 的任意數［5］。位移設置不做特殊要求，位移單位默認為m，位移設置區間為-1 500～1 500 m。機器人云臺視頻的3D啟停、放大、縮小、拍照、錄像、停止錄像等控制功能。機器人云臺遠程控制包括遙控實現遙控云臺的左上45°、上旋、右上45°、左旋、自動（360°旋轉）、右旋、左下45°、下旋、右下45°等功能。

實時告警展示的內容包括告警詳情欄實時顯示的機器人狀態。告警信息包括障礙物告警、低電量告警等信息。

3 系統關鍵點

一是監控需要具備完善和靈活的巡檢策略、通信組網技術、定位與避障技術、視頻圖像處理技術；二是監控具備立體視覺的動態處理能力，能對連續圖像視頻和圖像快速分析和定位；三是監控系統具備與巡檢機器人進行位姿轉換交互能力，根據實時視頻圖像分析結果自動與機器人進行聯動。

4 結語

電力電纜入地是城市綜合管廊監控最重要的一環。通過實時在線監測地下隧道運行環境和電力生產運行設備信息，不但能改變傳統“計劃檢修+定期巡視”的方式，能很好地避免設備絕緣缺陷與潛在的故障，而且能及時反映電力電纜隧道的生產運行狀態，實現安全、高效運維的目的。本研究通過對電力電纜管廊及隧道內各項在線監測子系統及故障監測提出監控解決方案，促進電力地下通道的建設，為電力地下通道的集約化管理提供有力支持，并為電力輸送設備及生產環境全壽命周期運行管理體系［6］提供技術保障。