智能電纜隧道運行監測預警系統設計

山東大學 孫媛媛 山東科華電力技術有限公司 耿芳遠 薛欣科 徐明磊 許 剛 朱 文

電能是社會發展和人們日常生活中不可或缺的一項重要能源，其不僅可以改變人們生產、生活的方式，還可以推進社會的進步。尤其是城市化發展，人們對于電能的依賴程度越來越高，電網規模不斷擴大、電力供應的配套設施進一步完善。

同時，電網的維護管理成為決定電能服務質量的重要因素。城市電纜隧道承載著電能輸送的重要任務，傳統的人工巡檢勞動強度高，維護精度差，無法滿足智能化電纜隧道運行監測管理的需求。通過信息化技術提升電網的智能化服務，構建堅強電網，將是未來電網發展的重要方向[1]。

因此，本文基于智能電力視角設計研發一種電力隧道運行監測系統，主要對國內外研究現狀進行評價，并對系統架構、功能模塊及關鍵技術進行闡述，具體研究如下。

1 智能電網發展現狀評價

國外研究始于20世紀70年代，英國、日本、加拿大等國家，開始致力于研究電力電纜智能監控系統。其中英法多弗海峽隧道和日本的東京灣隧道等，使用了多項新技術和新工藝，實現對隧道的智能化監控管理。20世紀90年代，我國開始進入探索電力電纜監控系統的領域。由于受到地理環境的影響，各城市建設的電纜隧道的實際需求和裝備性能，具有顯著的地域性差異，在監控管理方面僅僅是按照自身的實際需求和特性進行觀測。各地區電纜隧道中配置的監測系統，雖然能夠實現獨特、唯一的功能，但是各功能模塊之間缺少聯系，無法實現數據資源共享，對于實現國家電網建立統一、高效的智能化管理還有諸多阻力。

現階段，我國智能電纜隧道建設方面，雖然已取得一定的成績，但總體上還處于發展階段，沒有形成系統化的制約模式。各地域、單位建設完畢的電力隧道，多數是按照原定需求特性，進行單一方面的運行狀態監測預警工作。配置的各種監測功能模塊，雖然能夠實現獨特、唯一的功能，但各功能模塊之間缺少關聯，未形成“集中監控+立體巡檢”運行模式。目前，國內外均普遍開展關于物聯網技術的研究，為進一步推進輸電管理模式智能化、高效性，可采用傳感器、無線傳感網、人工智能、邊緣計算等技術手段突破創新。從而實現隧道運行狀態感知、應用模式升級、業務快速迭代、資源高效利用等目標，有效提升輸電網精益化管理能力[2]。

2 電纜隧道運行監測預警系統設計

該系統結合電纜線路管理的實際需求，以智慧物聯為核心，使用標準物聯網協議框架，下行通過Zigbee、WiFi 等短距離通信技術，構成低功耗無線傳感網絡，統一收集電纜隧道內的各項監測單元數據，通過邊緣計算實現感知數據與結果分析，然后采用通信模塊上傳至數據服務器存儲，便于系統應用層進行數據分析，從而實現電纜隧道的智能化管控[3]。下文對電纜隧道運行監測預警系統的功能模塊及軟件結構進行分析。

2.1 功能模塊化設計

系統功能采用模塊化設計，包括系統初始化模塊、基礎管理模塊、專項操作模塊、電纜資源查詢、運行監控管理以及權限管理六個模塊。系統初始化模塊主要進行電纜隧道監控數據的導入，在初始狀態下按照巡檢任務，對電纜隧道線路狀態進行監測對比，發現運行狀態異常時，將數據存儲到數據服務器中，由下游功能模塊進行數據分析?；A管理模塊提供可視化管理功能和圖形操作功能，操作人員可通過該功能進行狀態預覽、實時操作等行為。專項操作模塊包括電纜井示意圖、隧道斷面展示等功能。電纜資源查詢涵蓋了電氣設備、電纜隧道、定位和查詢功能。運行監控主要是指日志管理、電纜運行狀態和通信狀態的監控管理。權限管理包括授權賬號登錄及密碼修改等功能[4]。

2.2 架構設計

該系統通過智能攝像頭裝置，經圖像識別算法進行圖像分析，實現隧道入侵監測、周界報警等行為識別；例如非法侵入、人員不安全行為識別、工作區域識別等。系統采用深度學習框架下的Yolov3相關算法群。該算法作為一種基于深度學習的端到端實時目標檢測方法，具有良好的處理性能。當圖像處理核心發現異常時，對異常情況形成圖像和告警消息，上傳給邊緣物聯代理模塊，由邊緣物聯代理統一匯總并進行判定，最終將隧道狀態識別碼上傳至系統內。架構設計如圖1所示。

圖1 系統架構圖

2.3 通信架構設計

系統通信網絡采用環網架構設計，可根據實際場景選擇合適的聯網方式，優化線路資源和簡化通信網絡管理，實現分層分布式控制。電纜隧道設備通過串口通信的方式，按照統一的數字化通信網絡標準，支持IP 化RF 和HPLC 通訊，數據可以介入電纜隧道邊緣物聯終端，實現物聯網通信連接，方便接入不同類型的檢測子系統，通過系統集成實現電纜隧道的智慧互聯，即電網專用通信網絡與電纜隧道智能化管控系統的互聯互通。

3 系統關鍵技術實現

該系統包含電纜線路監測、設備狀態檢查、電纜故障判別以及電纜線路缺陷處理等。電纜隧道運行監測是實現電網智能化發展的技術保障，通過多元異構深度融合技術、電源管理技術、物聯網通信技術和邊緣計算技術等多項核心技術的支撐，實現對電纜隧道的智能化監測預警管理。因此，下文對電纜隧道運行監測預警系統的關鍵技術進行研究。

3.1 多源異構深度融合技術

多源異構主要是將用戶私有環境下，不同領域、格式、精度的數據源進行有效整合，打破傳統數據結構，建立統一面向電纜隧道運行監測預警數據的接入、匯聚、遷移、分發機制，通過處理機制的運行，實現不同層級間數據挖掘和互通共享。該技術采用E2E（End to End）框架模式執行處理流程，將數據鏈路大幅度精簡，避免分布式流計算引擎、消息中間件等冗余流程，從而提供高效、穩定的對端數據處理機制。技術棧分為業務能力層、原子能力層、基礎能力層，共同擔負數據處理工作（技術架構如圖2所示）。電纜隧道運行監測系統的數據源，分為接地電流、電纜測溫等結構化數據，以及視頻、圖片等非結構化數據，由通信裝置實現數據接入，對介入的各類業務模塊建立統一服務訪問標準，優化資源和融合方法管理，實時反饋融合結果信息，以使融合處理過程具有自適應性，從而達到最佳融合效果。

圖2 多源異構深度融合技術架構

3.2 微功耗設計與高效電源管理技術

在監測單元設計方面，系統內的MCU、模擬電路等核心元件，使用納瓦級別功率的電子器件，采用多電壓閾值管理、PVD 動態監測等技術，使各部分硬件運行于最有效率的工作電壓之下。在軟件方面，采用中斷驅動的方式，在最小功耗下提供最大的性能和算力。將整個系統運行在處理與睡眠兩個工作模式，并根據需要進行相應切換。

3.3 物聯網通信技術

物聯網通信技術包括Zigbee、WiFi、藍牙、Z-wave 等短距離通信技術以及使用LPWAN（low-power Wide-Area Network）的廣域網通信技術。物聯網通信實現了數字化數據傳輸，該系統采用統一的物聯網通信協議連接不同監測元件，方便快捷的同時，也減少了電纜隧道內的通訊布線流程，極大限度地降低了施工難度和運營成本。

4 系統應用場景及實踐應用

智能化電纜隧道運行監測預警系統，結合電纜隧道內獨特結構，借助智能攝像頭集群部署，對監控范圍內的電纜線路進行不間斷監測預警，當電纜發生故障時，系統可以直接定位故障發生的具體位置，同時，可以通過圖像可視化展示功能，將故障區域范圍內的電纜線路信息進行標記顯示，便于工作人員及時掌握異常信息，為制定檢修計劃作準備[5]。

此外，該系統還將實時監測電纜隧道內部環境情況及附屬設備的運行狀態，主要監控對象為電纜線路的運行溫度、電纜線路接地狀況、線路接頭溫度、隧道非法入侵等情況。該系統利用監控裝置集群，完成隧道內溫度、濕度、水位、煙霧等環境安全分析。利用圖像識別技術結合隧道本體結構，實現運行狀態的智能研判。該系統還可以結合接地電流、局放檢測數據、接頭表面溫度等對電纜線路的運行狀況進行分析，通過門禁系統和圖像識別參數對隧道的非法入侵、電纜破壞等情況，并進行視頻錄像，保存重要資料證據。用戶可以通過觀察電纜隧道內的實時視頻畫面，了解當前時刻電纜隧道內部現場信息，通過不同監控位置的高清攝像頭，可以整體掌控電纜線路的運行狀況，并且通過控制高清攝像頭的拍攝角度，實現全方位無死角的檢控管理。此外，系統在視頻監控圖像中，還設置監測時間、方位信息的顯示，便于現場工作人員清楚地了解現場狀況。通過高清圖像抓拍功能，可以將電纜隧道內部的圖像、聲音、數據進行存儲，便于現場工作人員及時了解、追溯隧道內的運行狀況。

5 結論

綜上所述，電纜隧道在運行過程中需要進行定期的檢修和維護，隨著信息技術的不斷發展，自動化技術已經在電網檢修系統中普及應用。目前，無線傳輸、智能監控、邊緣計算，以及物聯網技術，成為電纜隧道智能化管理的技術保障。在實現智能化維護管理的過程中，依靠智能監控設備和無線通信技術，可有效降低傳統人工巡檢的復雜性和勞動強度，實現電網故障的精準定位和高效管理，提升電纜巡檢工作效率。