電纜隧道智能可視化檢測及移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究

黃紅輝，陳 榮

（國網(wǎng)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(shù)城市采用地下電纜取代架空線路。大部分電纜鋪設(shè)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(fēng)，甚至還存在各種有毒氣體和可燃?xì)怏w，環(huán)境十分復(fù)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(yuǎn)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(fēng)、照明、消防以及通信等設(shè)備數(shù)量多、分布廣且里程長，因此需要監(jiān)控的設(shè)備較多，日常巡檢工作難度較大，導(dǎo)致電纜隧道巡檢工作需要耗費(fèi)較多的人力和時(shí)間。我國已經(jīng)發(fā)生多起電纜隧道設(shè)施設(shè)備被盜和電纜積水短路等事故，事故發(fā)生后維修處理時(shí)間長，災(zāi)難波及范圍廣，經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此，加強(qiáng)電纜隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)測和巡檢刻不容緩，是提高輸配電質(zhì)量的重要手段。本文試圖運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)存儲以及視頻攝像頭等技術(shù)搭建電纜隧道智能可視化檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人化智能巡檢，向監(jiān)控中心實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備和隧道的環(huán)境狀態(tài)，保證電纜隧道巡檢的數(shù)量、質(zhì)量以及可靠性，為電力設(shè)備的及時(shí)維護(hù)和故障分析提供依據(jù)，也為安全供電和隧道安全提供基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

電纜隧道智能可視化監(jiān)測是以實(shí)現(xiàn)電纜和隧道設(shè)備數(shù)據(jù)集中的監(jiān)測、控制以及管控一體化為目標(biāo)，將電纜隧道內(nèi)的所有設(shè)施設(shè)備及環(huán)境信息集中在一起，綜合整合各個(gè)監(jiān)控功能，搭建實(shí)時(shí)動態(tài)和安全可靠的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電纜隧道智能化監(jiān)控和控制，為輸配電質(zhì)量安全提供基礎(chǔ)。具體主要包括以下幾個(gè)目標(biāo)：一是提供統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的信息接入接口，實(shí)現(xiàn)電纜、附屬設(shè)施以及運(yùn)行環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制；二是實(shí)現(xiàn)電纜設(shè)施設(shè)備的監(jiān)控、指揮以及調(diào)度；三是實(shí)現(xiàn)電纜隧道生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)的可控、能控以及在控，即全過程管控；四是實(shí)現(xiàn)電纜隧道設(shè)施設(shè)備和環(huán)境的科學(xué)評估，提供檢修決策[1]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)將整合多個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，使工作人員可以實(shí)現(xiàn)一站式集中監(jiān)測管理，實(shí)現(xiàn)包括溫度、水溫以及視頻圖像等實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，能夠及時(shí)獲得各個(gè)設(shè)備的報(bào)警信息并通知工作人員處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大，引發(fā)更大的責(zé)任事故。同時(shí)，本系統(tǒng)提供歷史查詢等功能，將運(yùn)行數(shù)據(jù)通過圖表等形式呈現(xiàn)，并且提供打印機(jī)等外圍設(shè)備打印相關(guān)數(shù)據(jù)。此外，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)[2]。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用分布式分層設(shè)計(jì)，具體分為業(yè)務(wù)應(yīng)用層、基礎(chǔ)平臺層以及數(shù)據(jù)接入層。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層采用B/S和C/S混合的模式，除了滿足運(yùn)行監(jiān)控、生產(chǎn)管理以及應(yīng)急處理等核心業(yè)務(wù)功能以外，還提供查詢統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)支持以及配置維護(hù)等基礎(chǔ)功能，以保證系統(tǒng)的人性化設(shè)計(jì)?；A(chǔ)平臺層采用J2EE體系框架，運(yùn)用企業(yè)服務(wù)總線為系統(tǒng)提供功能平臺和數(shù)據(jù)平臺。其中，功能平臺的功能包括文檔管理、報(bào)表管理、流程支持、安全管理、圖形服務(wù)以及GIS，數(shù)據(jù)平臺中的數(shù)據(jù)是通過功能平臺獲取到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括地理數(shù)據(jù)、設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)、運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)、權(quán)限數(shù)據(jù)以及預(yù)案數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)接入層采用數(shù)據(jù)采集接口適配器，將數(shù)據(jù)與應(yīng)用系統(tǒng)融合在一起，實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)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(gòu)圖

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件采用開放式和分布式的體系結(jié)構(gòu)，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(shè)備、客戶端、前置機(jī)以及統(tǒng)一接口等方式采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器，然后由服務(wù)器對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給其他服務(wù)器和工作站，以保證系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)能夠獲得統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)的通信組網(wǎng)遵循國際標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控主站后臺服務(wù)器和無線綜合監(jiān)控主機(jī)的數(shù)據(jù)通信。具體的組網(wǎng)方式為采用移動運(yùn)用上的5G、GPRS、CDMA1X以及APN等無線網(wǎng)絡(luò)，通過無線Modem撥號登錄Internet公網(wǎng)，并以Server端固定IP建立Socket實(shí)現(xiàn)TCP/IP以太網(wǎng)接口。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用集中監(jiān)控模式，結(jié)合電纜隧道的設(shè)備運(yùn)行狀況、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及控制參數(shù)等數(shù)據(jù)，通過算法運(yùn)算、邏輯判斷以及智能分析等方式，綜合得出電纜隧道各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并且以文字、圖像以及聲光等形式呈現(xiàn)出來。為用戶搭建直觀明了又實(shí)用的電纜隧道智能監(jiān)控平臺環(huán)境，無須人工進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，就可以實(shí)時(shí)且方便地監(jiān)管所有數(shù)據(jù)[3]。結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際需求，本系統(tǒng)應(yīng)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(gè)子系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)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(yùn)行，溫度太高容易加速電纜絕緣老化，導(dǎo)致電纜絕緣擊穿，從而引發(fā)較為嚴(yán)重的后果。因此，電纜隧道的溫度監(jiān)控對于確保電纜運(yùn)行安全有著十分重要的作用。常用的電纜絕緣材質(zhì)為交聯(lián)聚乙烯，運(yùn)行溫度不能高于90 ℃。分布式光纖溫度測量技術(shù)在歐美國家已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)前監(jiān)測電纜運(yùn)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(yīng)和時(shí)域反射技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度測量和距離定位。當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道某個(gè)點(diǎn)的溫度較高時(shí)，系統(tǒng)就會發(fā)出火災(zāi)預(yù)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(jī)、上位主機(jī)、測溫光纜、交換機(jī)以及后臺軟件。測溫主機(jī)的所有部件集成在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，包括通信軟件、USB、串口、并口以及光通道等設(shè)備。機(jī)箱外層采用鎧裝護(hù)套防護(hù)，起到防塵、防震以及防水等作用，每個(gè)主機(jī)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(shè)一根測溫光纖，設(shè)置雙回路，每隔0.5 m設(shè)置一個(gè)固定支架，采用塑料扎帶固定。系統(tǒng)通過交換機(jī)將報(bào)警信息及時(shí)上傳給上位主機(jī)，上位主機(jī)運(yùn)用后臺軟件計(jì)算判斷異常點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)異常后立即報(bào)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(yùn)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(yīng)當(dāng)快速排水，避免相關(guān)電氣設(shè)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(zāi)風(fēng)險(xiǎn)增加等問題。因此，應(yīng)當(dāng)通過水位監(jiān)控子系統(tǒng)和氣體監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(fēng)機(jī)和水泵。

3.2.1 水位監(jiān)控子系統(tǒng)

根據(jù)排水要求，可以在電纜隧道中設(shè)置排水坡度，在低洼處設(shè)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(shè)計(jì)為3 m3/h，揚(yáng)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(guān)和控制器，利用浮球液位開關(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)信號。當(dāng)集水坑的水位上升到（h-0.050） m時(shí)，水泵自動開啟，抽排坑內(nèi)積水，當(dāng)集水坑的水位下降到（h-0.820） m時(shí)，水泵停止運(yùn)行。其中，h為電纜隧道節(jié)點(diǎn)底板標(biāo)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(shè)備老化等原因?qū)斐伤淼纼?nèi)的有害氣體較多，特別是導(dǎo)致甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）以及二氧化碳（CO2）等有害氣體郁積。運(yùn)維檢修人員巡檢時(shí)，可能會因?yàn)橛泻怏w的存在，導(dǎo)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(qiáng)隧道內(nèi)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(nèi)部安裝氣體傳感器用于隧道內(nèi)部空氣數(shù)據(jù)的采集，然后通過無線信號傳輸將氣體信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，再由上位機(jī)分析空氣成分。當(dāng)空氣中某些氣體的濃度超過警戒值時(shí)，氣體監(jiān)控子系統(tǒng)的主機(jī)就會開啟風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)并關(guān)閉相應(yīng)的防火門，及時(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控隧道井蓋的開閉狀態(tài)。工作人員遠(yuǎn)程采用遙控鑰匙開閉井蓋電子鎖。井蓋狀態(tài)異常報(bào)警等功能，可以有效防止井蓋被人開啟，防止出現(xiàn)不法分子盜竊電纜設(shè)備的情況。該子系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、電纜井內(nèi)蓋、電子鎖控制器以及光纖網(wǎng)絡(luò)終端組成，系統(tǒng)的運(yùn)行過程如下。首先監(jiān)控主機(jī)通過光纖網(wǎng)絡(luò)終端將井蓋控制終端工作狀態(tài)和預(yù)警等信息上傳到監(jiān)控中心，其次由監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并在處理后發(fā)出操作指令，最后由光纖網(wǎng)絡(luò)終端將操作指令下達(dá)給井蓋電子鎖控制器，對井蓋監(jiān)控終端進(jìn)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(cè)接地時(shí)，電纜的金屬護(hù)層將會因?yàn)楦袘?yīng)電動勢而產(chǎn)生環(huán)流。此外，在金屬護(hù)層上還將產(chǎn)生電容電流和泄漏電流。這3種電流統(tǒng)稱為護(hù)層電流。如果護(hù)層電流過大，將會造成電纜溫度升高，破壞電纜護(hù)層，影響輸配電容量，嚴(yán)重時(shí)將會造成接地線燒毀等輸配電事故。因此，加強(qiáng)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(jī)、護(hù)套環(huán)流采集器、護(hù)套環(huán)流互感器以及光纖網(wǎng)絡(luò)終端幾個(gè)部分，系統(tǒng)的運(yùn)作流程如下。首先護(hù)套環(huán)流采集器采集到接地電流數(shù)據(jù)，通過光纖網(wǎng)絡(luò)終端將信息傳輸給綜合監(jiān)控主機(jī)，其次綜合監(jiān)控主機(jī)將會分析、處理以及存儲采集到的數(shù)據(jù)，并發(fā)出操作指令，最后環(huán)流互感器根據(jù)指令執(zhí)行接地電流瞬態(tài)超限鎖定報(bào)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(yùn)行以后，降低了電纜隧道設(shè)施設(shè)備故障發(fā)生率，減少了電流運(yùn)行維護(hù)成本，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益、管理效益以及社會價(jià)值。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

電纜隧道智能可視化檢測系統(tǒng)運(yùn)行以后，極大地提高了經(jīng)濟(jì)價(jià)值。首先，隨著用電負(fù)荷的不斷增長，電纜隧道不斷增加，電纜隧道設(shè)施維護(hù)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(yùn)行狀態(tài)檢查的問題，直接減少了運(yùn)行人員所需要的費(fèi)用，節(jié)約了運(yùn)營成本。其次，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)視隧道內(nèi)電纜運(yùn)行狀況，提前找出隧道內(nèi)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低了電纜隧道設(shè)施設(shè)備的故障發(fā)生率，將因電纜故障引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失降低到最少。最后，利用綜合監(jiān)測手段分析設(shè)備狀態(tài)，提前制定停電計(jì)劃，減少停電等事故造成的費(fèi)用支出。

4.2 管理效益

本系統(tǒng)將及時(shí)收集電纜隧道的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)自動報(bào)警并提醒工作人員處理。工作人員通過全面診斷、現(xiàn)場采樣以及實(shí)驗(yàn)室復(fù)查等方式，解決故障隱患，避免財(cái)產(chǎn)損失。此外，故障檢修完成后形成專業(yè)的設(shè)備運(yùn)行評價(jià)報(bào)告，報(bào)給公司專家組審閱，形成經(jīng)驗(yàn)在全公司內(nèi)推廣，為以后的檢修工作提供可靠的依據(jù)，并不斷提高對設(shè)備狀態(tài)的診斷能力，形成更加先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，優(yōu)化監(jiān)測功能，保證電網(wǎng)的健康運(yùn)行。

4.3 社會效益

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

5 結(jié) 論

電纜隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施，可以讓電纜運(yùn)行人員實(shí)時(shí)掌握電纜溫度、隧道內(nèi)水位以及井蓋狀態(tài)等信息，了解電纜運(yùn)行的情況和環(huán)境，發(fā)現(xiàn)異常后可以立即啟動報(bào)警功能，及時(shí)處理，提高配電質(zhì)量。本系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控人員多隧道和多狀態(tài)量的同時(shí)監(jiān)測，減少監(jiān)測人員的數(shù)量，降低監(jiān)測人員的勞動強(qiáng)度。從外，本系統(tǒng)將電纜隧道運(yùn)行管理模式逐步轉(zhuǎn)換到狀態(tài)監(jiān)控和狀態(tài)檢修，將電纜隧道的運(yùn)行狀況和運(yùn)行環(huán)境實(shí)現(xiàn)在可控、在控以及能控，提高配電質(zhì)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?cái)z像頭的區(qū)域無法實(shí)時(shí)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(guān)鍵設(shè)備的發(fā)熱等問題并不能夠做到實(shí)時(shí)的監(jiān)控處理，因此在后續(xù)的研究中還有待進(jìn)一步優(yōu)化和完善。