基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜溝環(huán)境監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

蘇 平，李 樂，陳 明，王小軍

（國網(wǎng)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(yè)為了順應(yīng)城市建設(shè)的步伐，逐漸將電力線路的路徑設(shè)計(jì)為地下傳輸，很大程度上解決了城市用地困難、高空建設(shè)受阻等問題。電纜溝作為地下電纜的關(guān)鍵承載渠道，其內(nèi)部的溫度、氣體含量、濕度、小動(dòng)物活動(dòng)狀態(tài)等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[1,2]。設(shè)計(jì)一種針對(duì)城區(qū)電纜溝的環(huán)境跟蹤預(yù)警控制系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)獲取電纜溝內(nèi)的信息，利用數(shù)據(jù)對(duì)比分析、智能處理、預(yù)警及聯(lián)動(dòng)控制等方法，及時(shí)消除內(nèi)部隱患以保障溝內(nèi)電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)提高城區(qū)用電的安全性和可靠性具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)架如圖1 所示，從下到上主要包括數(shù)據(jù)感知控制層、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及數(shù)據(jù)應(yīng)用管理層[3]。

圖1 跟蹤預(yù)警控制系統(tǒng)構(gòu)架

（1）數(shù)據(jù)感知控制層。控制層主要由分布于電纜溝內(nèi)的各種傳感器及控制設(shè)備構(gòu)成，如感溫電纜、二級(jí)水浸傳感器、微波感應(yīng)元件、危險(xiǎn)氣體傳感器、現(xiàn)場聲光報(bào)警、現(xiàn)場功能開關(guān)、其他控制端、水泵、風(fēng)機(jī)、滅火設(shè)備、驅(qū)小動(dòng)物設(shè)備。通過實(shí)時(shí)采集電纜溝環(huán)電纜溝內(nèi)溫度、濕度、微波等物理信息量，轉(zhuǎn)換為4 ～20 mA/0 ～10 V 的模擬量、開關(guān)量作為輸出；將聲光報(bào)警、功能開關(guān)、水泵、風(fēng)機(jī)、滅火設(shè)備、驅(qū)趕小動(dòng)物設(shè)備作為受控設(shè)備，及時(shí)響應(yīng)處置監(jiān)測到的異常狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸層。傳輸層包括一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)中心，包含讀取、存儲(chǔ)、判斷、處理、傳輸、收發(fā)等功能[4]。傳輸層作為整個(gè)系統(tǒng)的過渡層級(jí)，主要通過接收數(shù)據(jù)感知控制層采集傳輸來的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議的封裝，進(jìn)一步通過通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)應(yīng)用管理層，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)終端與電纜溝環(huán)境的通信互聯(lián)。其中，數(shù)據(jù)采集和設(shè)備接口與數(shù)據(jù)服務(wù)中心實(shí)現(xiàn)雙向通信，既可以采集現(xiàn)場溫度、水位、微波、氣體濃度等物理信息，也可發(fā)送終端平臺(tái)的控制信息。

（3）數(shù)據(jù)應(yīng)用管理層。管理層作為系統(tǒng)的最上級(jí)平臺(tái)，主要借助現(xiàn)場設(shè)備及移動(dòng)終端傳輸?shù)念A(yù)警信息，通過手機(jī)App 和計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測、報(bào)警以及控制現(xiàn)場設(shè)備的聯(lián)動(dòng)。

2 系統(tǒng)組成單元設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)感知控制層

數(shù)據(jù)感知控制層主要通過各類傳感器實(shí)時(shí)獲取溝內(nèi)電纜的運(yùn)行和環(huán)境信息。

（1）溫度綜合監(jiān)控預(yù)警。通過線型感溫電纜監(jiān)測溝內(nèi)的現(xiàn)場溫度，借助其負(fù)溫度系數(shù)及熱敏特性將溝內(nèi)溫度轉(zhuǎn)換為監(jiān)測回路的電阻值。該數(shù)據(jù)可以根據(jù)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流值/電壓值，以此滿足溫度采集模塊的需求。當(dāng)溝內(nèi)溫度達(dá)到火焰?zhèn)鞲衅髟O(shè)定的閾值時(shí)，綜合判斷后啟動(dòng)滅火裝置。

（2）危險(xiǎn)氣體監(jiān)控預(yù)警。借助MQ-2 氣體傳感器監(jiān)測環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大[5]。此外，MQ-2 氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其他可燃蒸汽的檢測也很理想。

（3）二級(jí)水浸監(jiān)控。采用3 根銅電極電路組合檢測進(jìn)水點(diǎn)水位，根據(jù)進(jìn)水狀態(tài)向網(wǎng)絡(luò)傳輸層傳出信號(hào)，由網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行邏輯判斷和響應(yīng)。對(duì)于越界數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，設(shè)置不同的閾值，實(shí)現(xiàn)多級(jí)報(bào)警功能。例如，對(duì)積水隱患進(jìn)行2 級(jí)報(bào)警，第1 級(jí)報(bào)警時(shí)，可及時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送給運(yùn)維人員進(jìn)行處理，當(dāng)水位繼續(xù)上漲觸發(fā)第2 級(jí)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)可不經(jīng)過運(yùn)維人員應(yīng)答，直接啟動(dòng)水泵進(jìn)行排水。

（4）小動(dòng)物監(jiān)控。采用微波感應(yīng)技術(shù)測量目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)、速度以及方向，進(jìn)而判斷物體是否存在。電磁波遇到移動(dòng)物體的表面會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，部分電磁能量通過移動(dòng)物體表面的反射到達(dá)探測器的接收天線，通過信號(hào)處理將現(xiàn)場物體移動(dòng)信息調(diào)制為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)感知[6]。

2.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層采用綜合單元GPRS 數(shù)據(jù)終端設(shè)備（Data Termind Unit，DTU），將采集處理的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為IP 數(shù)據(jù)，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)向Internet 網(wǎng)絡(luò)傳輸，路徑如圖2 所示[7]。硬件系統(tǒng)主要由CPU 控制模塊、GPRS 模塊、電源模塊等組成。本文系統(tǒng)選用的GPRS-DTU 含RS-485 接口，可以與數(shù)據(jù)感知層各類模擬量采集模塊的RS-485 接口實(shí)現(xiàn)并行連接，通過RS-485 總線將數(shù)據(jù)通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線發(fā)送。此外，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(huán)境下應(yīng)用的需求，同時(shí)可兼容國內(nèi)各種組態(tài)軟件，方便對(duì)設(shè)備進(jìn)行組態(tài)[8]。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸路徑

2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用管理層

管理層主要基于手機(jī)App和計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，借助感知層綜合采集的電纜溫度、電纜溝危險(xiǎn)氣體濃度、電纜溝有無火災(zāi)發(fā)生、電纜溝積水、有無小動(dòng)物等環(huán)境數(shù)據(jù)，通過GPRS-DTU 數(shù)據(jù)傳輸對(duì)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)生成曲線報(bào)表進(jìn)行趨勢分析[9]。通過手機(jī)或者計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)終端預(yù)警和現(xiàn)場報(bào)警，設(shè)置遠(yuǎn)程控制功能初步消除隱患。對(duì)于無法解決的問題，系統(tǒng)及時(shí)將報(bào)警信息通過終端平臺(tái)發(fā)送至運(yùn)維人員，以便運(yùn)維人員第一時(shí)間趕赴現(xiàn)場操作控制設(shè)備及告警裝置，進(jìn)而解決電纜溝的異常情況。此外，整個(gè)管理層還支持后續(xù)感知單元和控制應(yīng)用終端的接入。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)通過傳感、通信等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溝環(huán)境的跟蹤預(yù)警控制，整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)效果如圖3 所示。首先，通過第1 個(gè)擴(kuò)展接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和應(yīng)用，綜合采集電纜溝內(nèi)的溫度、可燃?xì)怏w濃度、積水、小動(dòng)物活動(dòng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)，隨后后臺(tái)終端對(duì)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)生成曲線報(bào)表，查詢跟蹤歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析；其次，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和跟蹤，應(yīng)用各種模態(tài)組件跟蹤監(jiān)測對(duì)象，對(duì)傳輸過來的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)的深加工，剔除不良數(shù)據(jù)組建魯棒性能優(yōu)異的數(shù)據(jù)庫，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)警控制功能；再次，通過報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)方告警，通過前期在傳感控制設(shè)備上設(shè)置的動(dòng)作閾值，對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行控制算法的優(yōu)化，提升對(duì)告警信息的靈敏度和準(zhǔn)確度，之后將準(zhǔn)確的控制信息傳遞至控制設(shè)備；最后，通過第2 個(gè)擴(kuò)展接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制，結(jié)合告警信息初步對(duì)受控裝置進(jìn)行自動(dòng)啟停，一旦無法處理，采取通信技術(shù)將報(bào)警信息發(fā)送給運(yùn)維人員，以便運(yùn)維人員根據(jù)報(bào)警信息，應(yīng)用手機(jī)作為終端平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程綜合控制現(xiàn)場裝置，判斷不同種類的告警信息手動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、滅火裝置、水泵、驅(qū)趕小動(dòng)物裝置。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電纜溝環(huán)境的狀態(tài)跟蹤監(jiān)測與管理，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除隱患。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜溝環(huán)境監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，既適用于城區(qū)電纜溝環(huán)境的預(yù)警監(jiān)測，也可應(yīng)用到變電站二次設(shè)備室以及其他公共場所的地下電纜環(huán)境。整個(gè)系統(tǒng)的可靠性高，能夠?qū)崟r(shí)有效跟蹤電纜溝的異常信息，通過數(shù)據(jù)分析、處理、共享，驅(qū)使系統(tǒng)通過報(bào)警、聯(lián)動(dòng)控制等方法及時(shí)將隱患消滅于萌芽狀態(tài)。此外，采用該跟蹤預(yù)警控制系統(tǒng)，可有效減少大量人力物力的支出，避免電纜溝內(nèi)的惡劣環(huán)境對(duì)巡檢人員安全造成影響。