电缆隧道智能可视化检测及移动互联网技术应用研究

黄红辉，陈 荣

（国网浙江义乌市供电有限公司，浙江 义乌 322000）

0 引 言

近年来，随着城市用地的日益紧张，为了减少绿化空间和公共资源的占用，大多数城市采用地下电缆取代架空线路。大部分电缆铺设在隧道中，但是隧道中的电缆种类多且线路长，电缆隧道的环境潮湿又不通风，甚至还存在各种有毒气体和可燃气体，环境十分复杂。目前，部分用电密度高的地区采用人员看守的方式巡检，而部分偏远地区的电缆隧道甚至无人看守。由于隧道里面的电缆、排水、通风、照明、消防以及通信等设备数量多、分布广且里程长，因此需要监控的设备较多，日常巡检工作难度较大，导致电缆隧道巡检工作需要耗费较多的人力和时间。我国已经发生多起电缆隧道设施设备被盗和电缆积水短路等事故，事故发生后维修处理时间长，灾难波及范围广，经济损失巨大。因此，加强电缆隧道的实时监测和巡检刻不容缓，是提高输配电质量的重要手段。本文试图运用人工智能、大数据存储以及视频摄像头等技术搭建电缆隧道智能可视化检测系统，实现无人化智能巡检，向监控中心实时传输设备和隧道的环境状态，保证电缆隧道巡检的数量、质量以及可靠性，为电力设备的及时维护和故障分析提供依据，也为安全供电和隧道安全提供基础。

1 系统建设目标

电缆隧道智能可视化监测是以实现电缆和隧道设备数据集中的监测、控制以及管控一体化为目标，将电缆隧道内的所有设施设备及环境信息集中在一起，综合整合各个监控功能，搭建实时动态和安全可靠的综合监控系统，实现电缆隧道智能化监控和控制，为输配电质量安全提供基础。具体主要包括以下几个目标：一是提供统一和标准的信息接入接口，实现电缆、附属设施以及运行环境的实时监视和控制；二是实现电缆设施设备的监控、指挥以及调度；三是实现电缆隧道生产安全风险的可控、能控以及在控，即全过程管控；四是实现电缆隧道设施设备和环境的科学评估，提供检修决策[1]。

2 系统结构

本系统将整合多个子系统的监测数据，使工作人员可以实现一站式集中监测管理，实现包括温度、水温以及视频图像等实时监控与管理。当发现异常数据时，能够及时获得各个设备的报警信息并通知工作人员处理，避免故障进一步扩大，引发更大的责任事故。同时，本系统提供历史查询等功能，将运行数据通过图表等形式呈现，并且提供打印机等外围设备打印相关数据。此外，本系统设计应该遵循结构紧凑、界面美观以及功能齐全等原则，不仅可以提高电缆隧道的管理水平，而且有助于加快电力企业标准化建设[2]。

2.1 硬件结构

本系统采用分布式分层设计，具体分为业务应用层、基础平台层以及数据接入层。系统架构如图1所示。

业务应用层采用B/S和C/S混合的模式，除了满足运行监控、生产管理以及应急处理等核心业务功能以外，还提供查询统计、数据支持以及配置维护等基础功能，以保证系统的人性化设计。基础平台层采用J2EE体系框架，运用企业服务总线为系统提供功能平台和数据平台。其中，功能平台的功能包括文档管理、报表管理、流程支持、安全管理、图形服务以及GIS，数据平台中的数据是通过功能平台获取到的基础数据，包括地理数据、设施设备数据、运行监测数据、权限数据以及预案数据等。数据接入层采用数据采集接口适配器，将数据与应用系统融合在一起，实现防盗报警、井盖监控、视频监控、环境监控（水位和气体）以及光线监控等功能。

图1 系统架构图

2.2 软件结构

本系统软件采用开放式和分布式的体系结构，以满足系统后期的增容和升级需要。具体来说，本系统通过智能监控设备、客户端、前置机以及统一接口等方式采集数据，并将采集到的数据实时发送给监控系统的服务器，然后由服务器对收集到的数据进行处理后，实时将数据发送给其他服务器和工作站，以保证系统内各节点能够获得统一的数据。

2.3 通信网络

本系统的通信组网遵循国际标准和工业标准，实现监控主站后台服务器和无线综合监控主机的数据通信。具体的组网方式为采用移动运用上的5G、GPRS、CDMA1X以及APN等无线网络，通过无线Modem拨号登录Internet公网，并以Server端固定IP建立Socket实现TCP/IP以太网接口。

3 系统的设计与实现

本系统采用集中监控模式，结合电缆隧道的设备运行状况、监控数据以及控制参数等数据，通过算法运算、逻辑判断以及智能分析等方式，综合得出电缆隧道各设备的运行状态，并且以文字、图像以及声光等形式呈现出来。为用户搭建直观明了又实用的电缆隧道智能监控平台环境，无须人工进行复杂的数据统计和分析，就可以实时且方便地监管所有数据[3]。结合系统的实际需求，本系统应主要包括分布式光纤测温子系统、环境监控子系统、井盖状态监控子系统以及接地电流监测子系统共4个子系统。各个子系统的具体实现如下。

3.1 分布式光纤测温子系统

电缆必须在一定的温度下运行，温度太高容易加速电缆绝缘老化，导致电缆绝缘击穿，从而引发较为严重的后果。因此，电缆隧道的温度监控对于确保电缆运行安全有着十分重要的作用。常用的电缆绝缘材质为交联聚乙烯，运行温度不能高于90 ℃。分布式光纤温度测量技术在欧美国家已经得到较为广泛的应用，是当前监测电缆运行温度最为有效的方式。该系统本身不带电，采用感温光栅作为探测器，以拉曼散射效应和时域反射技术实现温度测量和距离定位。当发现隧道某个点的温度较高时，系统就会发出火灾预警，便于采取处理措施。

分布式光纤测温子系统包括测温主机、上位主机、测温光缆、交换机以及后台软件。测温主机的所有部件集成在一个机箱内，包括通信软件、USB、串口、并口以及光通道等设备。机箱外层采用铠装护套防护，起到防尘、防震以及防水等作用，每个主机可以监控30 km长的电缆隧道。测温光缆是指在电缆每相敷设一根测温光纤，设置双回路，每隔0.5 m设置一个固定支架，采用塑料扎带固定。系统通过交换机将报警信息及时上传给上位主机，上位主机运用后台软件计算判断异常点，发现异常后立即报警。

3.2 环境监控子系统

电缆隧道处于地下深处，环境气体成分和湿度将会影响电缆的运行状态。如果碰上暴雨等天气，隧道中的水流高于警戒线，就应当快速排水，避免相关电气设施因短路而停用。另外空气中含有有毒有害气体，或者空气的含氧量异常，都有可能造成绝缘材料老化和隧道火灾风险增加等问题。因此，应当通过水位监控子系统和气体监控子系统实时监控隧道中的积水状况和空气成分等，以便监测人员启停风机和水泵。

3.2.1 水位监控子系统

根据排水要求，可以在电缆隧道中设置排水坡度，在低洼处设置集水坑，并在集水坑旁加装自动排水泵。排水泵采用直接启动方式，水流量设计为3 m3/h，扬程大于15 m，额定功率750 W。排水管采用UPVC管，并用粘接的方式连接。在排水泵上加装浮球液位开关和控制器，利用浮球液位开关的磁性浮子随水位的升降来采集水位的高低信号，由干簧管芯片发出的开启和闭合指令来转换开关信号。当集水坑的水位上升到（h-0.050） m时，水泵自动开启，抽排坑内积水，当集水坑的水位下降到（h-0.820） m时，水泵停止运行。其中，h为电缆隧道节点底板标高。

3.2.2 气体监控子系统

电缆隧道空间密闭，存在电缆设备老化等原因将会造成隧道内的有害气体较多，特别是导致甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）以及二氧化碳（CO2）等有害气体郁积。运维检修人员巡检时，可能会因为有害气体的存在，导致氧气量不足，甚至威胁到检修人员的人身安全。因此，要加强隧道内气体成分的监控，特别是对CH4、CO以及CO2等有害气体的监控。

在电缆隧道的内部安装气体传感器用于隧道内部空气数据的采集，然后通过无线信号传输将气体信息传输到上位机，再由上位机分析空气成分。当空气中某些气体的浓度超过警戒值时，气体监控子系统的主机就会开启风机通风系统并关闭相应的防火门，及时排除空气中的部分成分气体，降低其浓度。

3.3 井盖状态监控子系统

井盖状态监控子系统是采用红外传感器实现实时监控隧道井盖的开闭状态。工作人员远程采用遥控钥匙开闭井盖电子锁。井盖状态异常报警等功能，可以有效防止井盖被人开启，防止出现不法分子盗窃电缆设备的情况。该子系统由监控主机、电缆井内盖、电子锁控制器以及光纤网络终端组成，系统的运行过程如下。首先监控主机通过光纤网络终端将井盖控制终端工作状态和预警等信息上传到监控中心，其次由监控中心进行数据分析并在处理后发出操作指令，最后由光纤网络终端将操作指令下达给井盖电子锁控制器，对井盖监控终端进行闭锁和开锁操作。

3.4 接地电流监测子系统

将高压电缆的两侧接地时，电缆的金属护层将会因为感应电动势而产生环流。此外，在金属护层上还将产生电容电流和泄漏电流。这3种电流统称为护层电流。如果护层电流过大，将会造成电缆温度升高，破坏电缆护层，影响输配电容量，严重时将会造成接地线烧毁等输配电事故。因此，加强接地电流监控显得十分有必要。接地电流监测子系统主要包括综合监控主机、护套环流采集器、护套环流互感器以及光纤网络终端几个部分，系统的运作流程如下。首先护套环流采集器采集到接地电流数据，通过光纤网络终端将信息传输给综合监控主机，其次综合监控主机将会分析、处理以及存储采集到的数据，并发出操作指令，最后环流互感器根据指令执行接地电流瞬态超限锁定报警功能，完成接地电流监测。

4 效益分析

电缆隧道智能可视化检测系统运行以后，降低了电缆隧道设施设备故障发生率，减少了电流运行维护成本，具有极高的经济效益、管理效益以及社会价值。

4.1 经济效益

电缆隧道智能可视化检测系统运行以后，极大地提高了经济价值。首先，随着用电负荷的不断增长，电缆隧道不断增加，电缆隧道设施维护量也在不断增加。而该系统建成以后，避免了人工定期巡视运行状态检查的问题，直接减少了运行人员所需要的费用，节约了运营成本。其次，系统可以实时监视隧道内电缆运行状况，提前找出隧道内潜在的风险，从而降低了电缆隧道设施设备的故障发生率，将因电缆故障引发的经济损失降低到最少。最后，利用综合监测手段分析设备状态，提前制定停电计划，减少停电等事故造成的费用支出。

4.2 管理效益

本系统将及时收集电缆隧道的运行状态，当发现异常数据时，系统自动报警并提醒工作人员处理。工作人员通过全面诊断、现场采样以及实验室复查等方式，解决故障隐患，避免财产损失。此外，故障检修完成后形成专业的设备运行评价报告，报给公司专家组审阅，形成经验在全公司内推广，为以后的检修工作提供可靠的依据，并不断提高对设备状态的诊断能力，形成更加先进的监测技术，优化监测功能，保证电网的健康运行。

4.3 社会效益

本系统运行后，减少了故障发生率，提高了供电质量和客户满意度，降低了用户投诉率，维护了供电公司形象。还充分运用监测电缆预判事故，及时制定应急抢救措施，避免大面积停电，提高了供电质量和供电安全。此外，减少了运维人员的维检次数和工作强度及压力，保障了运维人员的人身安全。

5 结 论

电缆隧道智能监控系统的实施，可以让电缆运行人员实时掌握电缆温度、隧道内水位以及井盖状态等信息，了解电缆运行的情况和环境，发现异常后可以立即启动报警功能，及时处理，提高配电质量。本系统还可以实现监控人员多隧道和多状态量的同时监测，减少监测人员的数量，降低监测人员的劳动强度。从外，本系统将电缆隧道运行管理模式逐步转换到状态监控和状态检修，将电缆隧道的运行状况和运行环境实现在可控、在控以及能控，提高配电质量。但本系统中仍然存在一定的不足，如部分没有安装监控摄像头的区域无法实时查看该区域的环境状况，环境气体监测也仅仅是采集和处理CO、CH4以及O2这3种气体的浓度和烟雾浓度，而对于隧道中部分关键设备的发热等问题并不能够做到实时的监控处理，因此在后续的研究中还有待进一步优化和完善。