油氣管道閥室安防系統低功耗解決方案

高世杰（中國石油管道局工程有限公司）

引言

目前，管道閥室均為無人職守閥室，為便于遠程了解閥室內部及周邊的安全情況，需要設置安防系統，主要包括：視頻監控子系統、入侵探測子系統。按照常規安防系統的設置方法，視頻監控子系統、入侵報警子系統相互獨立設置，耗電設備數量較多，系統整體耗電量較大。分析管道閥室的建設特點：大多建設在人煙稀少的偏遠地區、征地面積較小、使用太陽能供電系統進行供電。總結出設置閥室安防系統面臨的主要問題為：較大的安防設備功耗疊加上閥室內儀表、工藝、傳輸系統的功耗后，造成閥室整體用電量的大大增加，而儀表、工藝、傳輸系統的功耗通常情況下無法進行縮減；耗電量增加一方面將造成太陽能電池組件面積太大無法在較小閥室內放置，另一方面也會造成蓄電池容量及數量增加，導致較小的設備間無法擺放過多的蓄電池。因此，需要設計一種功耗低、系統簡潔、適用于管道閥室的低功耗安防系統。

1 閥室低功耗安防系統

閥室低功耗安防系統由閥室部分和站場部分構成。物理構架為基于IP的2層網絡構架。邏輯構架為基于物聯網技術的3層網絡構架，分為：感知層、網絡層、應用層[1-2]。

感知層：通過智能IP網絡攝像機[3-4]實現閥室現場的視覺感知、三鑒/微波探測器實現對閥室現場一定范圍內的移動物體的探測與感知、聲光報警器用來實現感知到入侵信號時的現場警示；網絡層：通過局域網交換機、專網/公網傳輸設備實現閥室本地、站場與閥室的數據交換與傳輸；應用層：分為主機支持層與提供服務層，主機支持層為提供服務層功能的實現提供硬件支持。網絡拓撲圖見圖1，邏輯拓撲圖見圖2。

圖1 閥室低功耗安防系統網絡拓撲圖

該系統與常規安防系統的區別在于：

1）基于物聯網構架搭建，將不同設備分層、分區域部署，降低電源匱乏區域的耗電設備數量。

2）增加內置微處理器的低功耗網絡繼電器[5]，實現閥室部分主要耗電設備（攝像機、聲光報警器）的按需啟/停、及時啟/停，遠程啟/停操作，進而實現電源耗電量的智能可控，改變了常規視頻監控系統24 h連續運行的模式，削減了安全狀態下的耗電量。

圖2 閥室低功耗安防系統邏輯拓撲圖

2 閥室低功耗的實現方法

2.1 選用新設備，分層、分區域部署設備

選用內置微處理器的低功耗網絡繼電器替換功耗較大的入侵報警主機。網絡繼電器具備開關量、干節點、繼電器信號的輸入/輸出能力，可接入IP網絡，具備自編程邏輯控制能力及遠程操控能力，能夠滿足閥室的控制需求。網絡繼電器功耗在2 W左右，而報警主機的功耗在25 W左右，既滿足了功能需求又降低了功耗。

目前，閥室為傳輸生產數據，均配備有專用光傳輸設備/公網傳輸設備與鄰近站場進行通信，因此，可將視頻監控系統的NVR部署在遠端站場內，減少閥室內的耗電。

2.2 按需啟/停的實現

實現按需啟/停，需解決的關鍵問題是及時啟/停[6-7]，否則無法及時記錄并警示入侵行為。IP攝像機從電源開啟到可上傳視頻圖像的時間間隔為15～20 s[6-7]，顯然，啟動時間過長不能滿足及時啟動的需求。必須引入“超前控制”的概念[8]，提前對入侵行為進行探測，預先啟動攝像機。

該設計選擇帶自處理功能的三鑒/微波探測器進行探測。通過分析入侵行為的發生時間，將三鑒/微波探測器的探測半徑設置為10 m，當10 m范圍內存在可疑人員時啟動攝像機，并通過攝像機的前端智能分析功能進行人員行為分析[9-10]，在分析到確實有攀爬、破壞等行為時，聯動現場警示設備，并上報鄰近站場運維人員。整個系統運行步驟及流程詳見圖3。

圖3 閥室低功耗安防系統工作流程

3 系統耗電分析

根據國內主要輸油氣管線的工程設計經驗，閥室供電系統通常為離網式光伏發電系統加備用蓄電池，供電電壓為24 V，安防系統的后備時間通常情況下不小于3天，部分地區連續陰雨天數較多，后備時間在5～7天。為便于橫向對比說明，該設計選取國內某主干管線49#閥室建設模式進行說明。各設備功耗統計見表1。

根據表1得出常規安防系統日平均耗電量計算方法如下：

日平均耗電量為視頻監控系統日平均耗電量、入侵探測報警系統日平均耗電量、傳輸系統日耗電量三者之和。

根據表1、以及對西氣東輸、雙蘭線、中緬管道、輪庫線、庫鄯線、哈沈線的部分閥室調研情況：90%以上的閥室位于極少有人活動的戈壁、荒漠、無人區、山區等地區，少于10%的閥室位于人員活動較少的城鎮、鄉村的郊區，人員在閥室10 m之內活動的日平均累積時間在0～12 h，其中，90%以上的閥室的人員活動的日平均累積時間靠近0～6 h，那么閥室低功耗安防系統日平均耗電量為24 h連續運行設備的日平均耗電量與按需開啟設備的日平均耗電量之和。

其中：24 h連續運行設備的日平均耗電量為三鑒/微波探測器日平均耗電量、光口交換機日平均耗電量、網絡繼電器日平均耗電量三者之和。

由于增加了智能分析功能，且可以通過網絡繼電器遠程啟/停聲光報警器，使得聲光報警器日平均工作時間約為零，本次分析將忽略其日平均耗電量。

按需開啟設備的日平均耗電量為兩倍球形IPC耗電功率與攝像機受人員活動影響，導致的日平均開啟累積時間之積。

通過上述方法及太陽能系統的配置計算，得出常規安防系統、低功耗安防系統所需太陽能供電系統配置及耗電量對比情況，如表2所示。

結論分析：閥室低功耗安防系統的日平均耗電量為常規安防系統的日平均耗電量的10%～37.3%。在后備時間3天的情況下，電池組件功率降低40%～60%，蓄電池容量降低62.1%～76.2%，板陣面積減小4.04～6.06 m2。結合圖3得出，低功耗安防系統的太陽能供電系統在閥室建設是可行的。

4 控制穩定性及經濟效益分析

低功耗安防系統控制信號全部采用開關量信號，而常規安防系統中控制信號采用RS485與開關量信號混合使用，因此，低功耗安防系統控制信號的穩定性、可靠性、抗干擾性明顯優于常規安防系統。系統整體投資節省情況見表3。

5 結論

通過測試與計算，本設計新型低功耗安防系統是完全可以實現的，且具備功耗低、功能全面、接口標準、擴展性強、搭建方便、投資低的特性，取得了良好的效果。不僅滿足了油氣管道閥室對安防系統的功能需求、低功耗需求，更能夠滿足遠程巡檢的需求，提高了運維人員的巡檢效率，減少了無效巡檢次數。同時，由于耗電量較低，降低了太陽能系統的容量，減小了極板的面積，減少了閥室用地面積。大大降低了偏遠閥室進行安防系統建設與運行維護的整體投資。有廣闊的應用前景，為地處偏遠、耗電量受限、征地面積較小的閥室進行安防系統的建設，提供了良好的解決方案與設計思路。

表1 常規安防系統與低功耗安防系統閥室設備配置

表2 常規安防系統與低功耗安防系統的太陽能供電系統關鍵參數對比

表3 經濟效益估算統計表