電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統的設計

張剛，任煒，王志強，張記飛，吳英昊

1.國網山東省電力公司物資公司，山東 濟南，250000；2.國網沂南縣供電公司，山東 臨沂，276000

0 引言

電力電纜是電能傳輸的主要通道，給城市發展提供源源不斷地的電能。伴隨著現代城市化發展的進程不斷加快，電能的需求量與日俱增，電網規模也在不斷擴大，為了有效緩解日益緊缺的土地資源，城市電力電纜基本采用地下隧道的方式進行敷設安裝。面對龐大的電力電纜線路，日常維護工作顯得尤為重要。井蓋是電力電纜隧道日常維護工作的主要通道，巡檢人員開啟井蓋進入隧道，進行電力設施的檢查和維修，隨著電纜隧道總長度不斷延伸，傳統的人工巡檢和看護，不僅工作量大，而且效率低，給電網管理工作帶來了諸多困擾。因此，使用現代化的技術手段提高電力電纜隧道運維質量成了電力企業管理的核心內容。在現代技術的推動下，電力公司采用智能化技術對井蓋進行監控管理，代替傳統人工方式，不僅可以提升維護效率，而且還能降低成本，確保電網系統的安全運行。

1 電力電纜隧道運行現狀評價

近年來隨著電力電纜隧道長度不斷增加，電纜維護工作日益繁重，一些電纜隧道由于井蓋丟失導致線纜損壞、私拉亂放現象嚴重。一些通信公司由于信道資源緊張，在未經審批的情況下在隧道內私自架設電纜線路，導致隧道內部環境雜亂，容易引發安全隱患。針對重點區域的巡視工作，通常會安排工作人員長期蹲守，但是巡檢工作往往過于被動，效果并不理想。

基于物聯網體系思路，結合ZigBee、GPRS技術構建了井蓋智能管理系統。技術特點采用在井蓋處安裝井蓋狀態監測的傳感器進行溫度、可燃氣體濃度信息，通過無線傳輸模塊實現信息的遠程監控[1]。設計基于物聯網架構的智能井蓋系統，通過傳感器感知獲取車流量、井蓋、水位等信息，然后將這些信息接入互聯網，系統通過預警功能實現異常數據節點的報警，為提升電纜隧道運行的穩定性，開發基于物聯網的智能井蓋數據采集與傳輸系統，該系統通過WIFI技術實現井蓋角度狀態感知的傳感器與系統平臺的信息傳輸，該系統具備防盜、防傷人等功能

物聯網可以實現物與物、物與人的有機連接，以感知技術為基礎，無線通信技術和網絡技術推動物聯網技術飛速發展。物聯網無線通信技術主要包括：GPRS、Zigbee、藍牙、3G、4G、5G，該類無線通信技術功耗大，傳輸距離受限等缺點不適合城市地下管網環境內的信息傳輸應用。LPWAN（Low PowerWide Area Network）技術能很好滿足城市地下管網內信息的高效傳輸應用場景，LPWAN技術（LoRa、NB-IoT）具有功耗低、傳輸距離遠，為城市地下管網內信息通信提供了解決方案，推動了物聯網技術發展。LoRa遠程井蓋監測系統，解決井蓋破損、丟失和移位的技術難題。基于NB-IoT的智能井蓋采集終端，通過傳感器、NB-IoT通信模塊、微控制器、電源、天線等實現了井蓋信息的低功耗智能采集。雖然，我國電纜通道監控管理已經取得的一些進步成果，但是，在孔井監控方面仍面臨一些問題[2]。

多功能監測裝置在電子井蓋中的應用加速了智慧城市的發展步伐，成為取代人工巡檢的重要方式。早期的電子井蓋功能單一，而且相關技術并不成熟，比如存在電子井蓋鎖易被泥沙阻塞損壞、發生應急情況時隧道內人員無法安全撤離、井蓋監控系統應用程度不高等問題。為了更好地保障電網的安全運行，迫切需要采用新技術、新模式加強針對井蓋的安全管理，實現電纜通道井蓋的智能化管理模式。

2 防入侵電子井蓋監控系統的設計與實現

電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統，是在智能化控制系統基礎上研發，符合電力企業的管理需求。通過電子井蓋監控系統，可以實現對隧道入口的實時監控，通過傳感器采集井蓋的位置信息并發送至控制中心，方便工作人員掌握監控范圍內的實時信息。電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統具有實時監控、遠程查詢、統計管理等功能。該監控系統擁有權限設置功能，指授權指定人員進行開/關鎖操作后通過手機App上傳的鎖動作的記錄數據，訪問記錄分析通過設置不同的查詢條件，可以分別從三個角度分析鎖被使用的情況，通過對鎖記錄的分析，可以實現對門鎖開/關過程的追溯，協助用戶分析安全隱患或追責。可根據鎖名稱、鎖位置、名稱、編號、人員名、日志來源、分組查詢、開鎖日期范圍進行組合模糊查詢[3]。

電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統，采用一體化防水設計，防護等級達到最高的IP68標準，井蓋鎖鎖孔采用貫通式設計，解決了泥沙淤積阻塞導致井蓋失效的問題。電子井蓋背面設計應急旋鈕和應急軸，發生緊急情況時，電纜通道內部人員可安全撤離，保障運維人員的人身安全。電子井蓋采用微功耗設計與高效電源管理策略，應用PMIC超低功耗電池電量監測結合中斷驅動策略，實現電子井蓋微功耗穩定運行。系統實現井蓋的智慧化、網絡化和空間可視化管理。井蓋發生異常時，可迅速向監控管理中心和相關人員手機報警，及時消除安全隱患。防入侵電子井蓋監控系統由監控層、云平臺和應用層三個部分組成。具體架構如圖1所示。

圖1 監控系統架構示意圖

電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統，主要實現電纜通道電纜井蓋的集中監控和管理，通過監控層（電子內井蓋）、云平臺（阿里云-其他公司云服務）、監控室（第三方24小時監控室/公司監控中心/告警中心），實現電纜隧道電子井蓋數據實時監測及報警。讓用戶直觀、方便的實時監視井蓋鎖的狀態，實現維護人員第一時間達到“疑似”非法入侵的現場提供數據支撐。下面就對電力電纜隧道及溝井防入侵電子井蓋監控系統的設計機箱內詳細分析。

2.1 監控層

監控層主要是由傳感器模塊、GPRS通訊模塊、無線通信模塊、電源管理單元使用傳感器組成，采集電子井蓋的常態信息、車輛駛過引起的井蓋振動、井蓋破損后跌落、人為搬走等不規則運動的信息，采用遠程供電和總線控制的方式，可以將多個電子井蓋串聯在一起，降低網絡通信線路的成本。監控主機和現場鎖控主件使用通信電纜連接，協議轉換，采用4G/NB-Lot物聯網組網方式；實現電子內井蓋工作狀態及報警狀態，與云服務器或電纜精細化管理平臺子站連接，當電子井蓋非法開啟時，通過傳感器將電子井蓋的運動軌跡信息發送至監控室，進行智能分析，做出準確判斷，實現遠程告警，提高電子井蓋監控系統的有效性和準確性[4]。

2.2 云平臺

云平臺提供云服務和電纜精細化平臺，提供電子井蓋的狀態、下傳開關井蓋的控制命令，利用無線通信的方式提升抗干擾性能。在云平臺完成信息的傳輸和交換，提供多種故障告警形式，如聲音、圖形、語音、短信、微信等；與監控室的中心管理站、監控站通信。通過無線通信網絡可以實現與移動終端的信息互聯，通過App可以實現對監控范圍內的電子井蓋參數信息進行查詢。

2.3 監控室

電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統，利用云服務發布的web網站實時監視井蓋控制終端工作狀態，并且具有數據分析、存儲、查詢等功能。監控室是防入侵電子井蓋監控系統的核心，包括監控中心和告警中心，24小時全天候的傳輸監控區域內電子井蓋的狀態信息。監控中心以圖形界面的形式提供電子井蓋的實時狀態，與管理層中的其他管理站和監控站實現數據互聯，方便監控室人員的查閱；告警中心提供多種故障告警形式，包括聲音、圖形、語音、短信等。匯集監控層采集的所有數據信息，對其進行分析和存儲。監控室可以通過數據庫實現電子井蓋的數據資源共享，包括電子井蓋的工作狀況、報警狀態和監控范圍內維護人員信息，發送遠程開關井蓋控制命令[5]。

電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統，具有遠程控制功能，可以實現本地開啟、遠程開啟、內置振動、傾角報警功能；電子內井蓋具有防撬、防水、防腐蝕、防泥沙，防卡死、絕緣功能。電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統具有獨特的鎖體防外力破壞空轉技術，當鎖體閉鎖時鎖芯處于空轉狀態，無受力點，使得鎖體不容易被外力強行擰壞；電子井蓋監控系統符合IP68防護等級要求，可以在10米水深內長期穩定工作。

3 防入侵電子井蓋監控系統的應用

現階段，關于電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統的研究已經日趨成熟，防入侵電子井蓋監控系統的功能也更加豐富。尤其是在防護性能、安全性能和功耗方面都有很大提升。

3.1 防護性能

電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統采用一體化防水設計，防護等級達到最高IP68等級，可在電纜通道長時間浸水環境下正常使用。井蓋鎖鎖孔采用貫通式設計，可徹底解決防泥沙淤積阻塞問題。同類產品一般僅滿足短時浸水環境使用，防泥沙效果差。

3.2 安全逃生

電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統背面設計應急旋鈕和應急軸，發生緊急情況時，電纜通道內部人員可1秒打開井蓋，安全撤離，保障運維人員的人身安全。同類產品大都沒有逃生設計，有的也需要輔助操作才能開啟井蓋，需要時間長。

3.3 微功耗

電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統采用微功耗設計與高效電源管理策略，應用PMIC超低功耗電池電量監測結合中斷驅動策略，實現電子井蓋微功耗穩定運行，整體功耗小于0.1W，可用于電池供電環境使用。同類產品功耗一般在1W以上，不適用電池供電環境。此外，該系統是基于電纜通道精益化管理對孔井管理的需求，利用物聯網技術實現對井蓋進行信息化、智能化管理。監控層利用有線/光纜、4G/NB-Lot（物聯網）組網方式；實現現場電子內井蓋工作狀態及報警狀態，與云服務器或電纜精細化管理平臺子站連接，實現井蓋非法開啟的聯動報警。云平臺提供電子井蓋的狀態、下傳開關井蓋的控制命令；提供多種故障告警形式，如聲音、圖形、語音、短信等；與監控室中的中心管理站、監控站通信。應用層實現井蓋的可視化管理，利用云服務發布的web網站實時監視井蓋控制終端工作狀態；發送遠程開關井蓋控制命令。井蓋在機械方面采用一體化設計，在防水、防泥沙、內部逃生方面更具備實用性和穩定性。電力電纜隧道及溝井防入侵監控系統可避免外力破壞給電纜通道造成危害，并實現電纜通道井蓋管理的智慧化、網絡化和空間可視化，創新井蓋的管理模式，完善井蓋的管理流程，提高電纜通道精益化管理水平，具有良好的推廣應用價值。電纜通道人孔井智慧化管理是行業性需求，該成果適用性強、環境適應性好，可在全國電力行業內推廣應用。同時該成果可廣泛用于地下長通道的監控管理，具備跨行業推廣應用價值。在市政、石化、通信、國防等行業和單位均具有推廣應用前景。

4 結語

綜上所述，電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統的應用，極大地降低電纜井蓋丟失情況，加強了電纜井蓋的智能化監控，井蓋發生位置改變時及時報警、及時處置，實現了電纜井蓋防丟失。當井蓋異常開啟時，其姿態、位置或狀態發生變化，系統將前端感應裝置編碼、編號和位置信息與GIS地圖結合，迅速判斷被監控對象的位置與狀態并進行報警，報警將通知電纜監控管理中心及相關人員手持終端，可及時迅速地調動相關運維人員，及時進行處置，消除安全隱患。此外，電力電纜隧道防入侵電子井蓋監控系統實現了電纜井蓋的智能化監控，通過井蓋監控信息，判斷電纜通道運行情況，及時掌握隧道內情況，以及隧道外可能存在的外破風險，保障電纜通道安全運行。對于井蓋破損等情況，可以通過實時監控及時發現，及時更換，避免電纜通道因井蓋破損造成的不必要損失。