智能电缆隧道运行监测预警系统设计

山东大学 孙媛媛 山东科华电力技术有限公司 耿芳远 薛欣科 徐明磊 许 刚 朱 文

电能是社会发展和人们日常生活中不可或缺的一项重要能源，其不仅可以改变人们生产、生活的方式，还可以推进社会的进步。尤其是城市化发展，人们对于电能的依赖程度越来越高，电网规模不断扩大、电力供应的配套设施进一步完善。

同时，电网的维护管理成为决定电能服务质量的重要因素。城市电缆隧道承载着电能输送的重要任务，传统的人工巡检劳动强度高，维护精度差，无法满足智能化电缆隧道运行监测管理的需求。通过信息化技术提升电网的智能化服务，构建坚强电网，将是未来电网发展的重要方向[1]。

因此，本文基于智能电力视角设计研发一种电力隧道运行监测系统，主要对国内外研究现状进行评价，并对系统架构、功能模块及关键技术进行阐述，具体研究如下。

1 智能电网发展现状评价

国外研究始于20世纪70年代，英国、日本、加拿大等国家，开始致力于研究电力电缆智能监控系统。其中英法多弗海峡隧道和日本的东京湾隧道等，使用了多项新技术和新工艺，实现对隧道的智能化监控管理。20世纪90年代，我国开始进入探索电力电缆监控系统的领域。由于受到地理环境的影响，各城市建设的电缆隧道的实际需求和装备性能，具有显著的地域性差异，在监控管理方面仅仅是按照自身的实际需求和特性进行观测。各地区电缆隧道中配置的监测系统，虽然能够实现独特、唯一的功能，但是各功能模块之间缺少联系，无法实现数据资源共享，对于实现国家电网建立统一、高效的智能化管理还有诸多阻力。

现阶段，我国智能电缆隧道建设方面，虽然已取得一定的成绩，但总体上还处于发展阶段，没有形成系统化的制约模式。各地域、单位建设完毕的电力隧道，多数是按照原定需求特性，进行单一方面的运行状态监测预警工作。配置的各种监测功能模块，虽然能够实现独特、唯一的功能，但各功能模块之间缺少关联，未形成“集中监控+立体巡检”运行模式。目前，国内外均普遍开展关于物联网技术的研究，为进一步推进输电管理模式智能化、高效性，可采用传感器、无线传感网、人工智能、边缘计算等技术手段突破创新。从而实现隧道运行状态感知、应用模式升级、业务快速迭代、资源高效利用等目标，有效提升输电网精益化管理能力[2]。

2 电缆隧道运行监测预警系统设计

该系统结合电缆线路管理的实际需求，以智慧物联为核心，使用标准物联网协议框架，下行通过Zigbee、WiFi 等短距离通信技术，构成低功耗无线传感网络，统一收集电缆隧道内的各项监测单元数据，通过边缘计算实现感知数据与结果分析，然后采用通信模块上传至数据服务器存储，便于系统应用层进行数据分析，从而实现电缆隧道的智能化管控[3]。下文对电缆隧道运行监测预警系统的功能模块及软件结构进行分析。

2.1 功能模块化设计

系统功能采用模块化设计，包括系统初始化模块、基础管理模块、专项操作模块、电缆资源查询、运行监控管理以及权限管理六个模块。系统初始化模块主要进行电缆隧道监控数据的导入，在初始状态下按照巡检任务，对电缆隧道线路状态进行监测对比，发现运行状态异常时，将数据存储到数据服务器中，由下游功能模块进行数据分析。基础管理模块提供可视化管理功能和图形操作功能，操作人员可通过该功能进行状态预览、实时操作等行为。专项操作模块包括电缆井示意图、隧道断面展示等功能。电缆资源查询涵盖了电气设备、电缆隧道、定位和查询功能。运行监控主要是指日志管理、电缆运行状态和通信状态的监控管理。权限管理包括授权账号登录及密码修改等功能[4]。

2.2 架构设计

该系统通过智能摄像头装置，经图像识别算法进行图像分析，实现隧道入侵监测、周界报警等行为识别；例如非法侵入、人员不安全行为识别、工作区域识别等。系统采用深度学习框架下的Yolov3相关算法群。该算法作为一种基于深度学习的端到端实时目标检测方法，具有良好的处理性能。当图像处理核心发现异常时，对异常情况形成图像和告警消息，上传给边缘物联代理模块，由边缘物联代理统一汇总并进行判定，最终将隧道状态识别码上传至系统内。架构设计如图1所示。

图1 系统架构图

2.3 通信架构设计

系统通信网络采用环网架构设计，可根据实际场景选择合适的联网方式，优化线路资源和简化通信网络管理，实现分层分布式控制。电缆隧道设备通过串口通信的方式，按照统一的数字化通信网络标准，支持IP 化RF 和HPLC 通讯，数据可以介入电缆隧道边缘物联终端，实现物联网通信连接，方便接入不同类型的检测子系统，通过系统集成实现电缆隧道的智慧互联，即电网专用通信网络与电缆隧道智能化管控系统的互联互通。

3 系统关键技术实现

该系统包含电缆线路监测、设备状态检查、电缆故障判别以及电缆线路缺陷处理等。电缆隧道运行监测是实现电网智能化发展的技术保障，通过多元异构深度融合技术、电源管理技术、物联网通信技术和边缘计算技术等多项核心技术的支撑，实现对电缆隧道的智能化监测预警管理。因此，下文对电缆隧道运行监测预警系统的关键技术进行研究。

3.1 多源异构深度融合技术

多源异构主要是将用户私有环境下，不同领域、格式、精度的数据源进行有效整合，打破传统数据结构，建立统一面向电缆隧道运行监测预警数据的接入、汇聚、迁移、分发机制，通过处理机制的运行，实现不同层级间数据挖掘和互通共享。该技术采用E2E（End to End）框架模式执行处理流程，将数据链路大幅度精简，避免分布式流计算引擎、消息中间件等冗余流程，从而提供高效、稳定的对端数据处理机制。技术栈分为业务能力层、原子能力层、基础能力层，共同担负数据处理工作（技术架构如图2所示）。电缆隧道运行监测系统的数据源，分为接地电流、电缆测温等结构化数据，以及视频、图片等非结构化数据，由通信装置实现数据接入，对介入的各类业务模块建立统一服务访问标准，优化资源和融合方法管理，实时反馈融合结果信息，以使融合处理过程具有自适应性，从而达到最佳融合效果。

图2 多源异构深度融合技术架构

3.2 微功耗设计与高效电源管理技术

在监测单元设计方面，系统内的MCU、模拟电路等核心元件，使用纳瓦级别功率的电子器件，采用多电压阈值管理、PVD 动态监测等技术，使各部分硬件运行于最有效率的工作电压之下。在软件方面，采用中断驱动的方式，在最小功耗下提供最大的性能和算力。将整个系统运行在处理与睡眠两个工作模式，并根据需要进行相应切换。

3.3 物联网通信技术

物联网通信技术包括Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave 等短距离通信技术以及使用LPWAN（low-power Wide-Area Network）的广域网通信技术。物联网通信实现了数字化数据传输，该系统采用统一的物联网通信协议连接不同监测元件，方便快捷的同时，也减少了电缆隧道内的通讯布线流程，极大限度地降低了施工难度和运营成本。

4 系统应用场景及实践应用

智能化电缆隧道运行监测预警系统，结合电缆隧道内独特结构，借助智能摄像头集群部署，对监控范围内的电缆线路进行不间断监测预警，当电缆发生故障时，系统可以直接定位故障发生的具体位置，同时，可以通过图像可视化展示功能，将故障区域范围内的电缆线路信息进行标记显示，便于工作人员及时掌握异常信息，为制定检修计划作准备[5]。

此外，该系统还将实时监测电缆隧道内部环境情况及附属设备的运行状态，主要监控对象为电缆线路的运行温度、电缆线路接地状况、线路接头温度、隧道非法入侵等情况。该系统利用监控装置集群，完成隧道内温度、湿度、水位、烟雾等环境安全分析。利用图像识别技术结合隧道本体结构，实现运行状态的智能研判。该系统还可以结合接地电流、局放检测数据、接头表面温度等对电缆线路的运行状况进行分析，通过门禁系统和图像识别参数对隧道的非法入侵、电缆破坏等情况，并进行视频录像，保存重要资料证据。用户可以通过观察电缆隧道内的实时视频画面，了解当前时刻电缆隧道内部现场信息，通过不同监控位置的高清摄像头，可以整体掌控电缆线路的运行状况，并且通过控制高清摄像头的拍摄角度，实现全方位无死角的检控管理。此外，系统在视频监控图像中，还设置监测时间、方位信息的显示，便于现场工作人员清楚地了解现场状况。通过高清图像抓拍功能，可以将电缆隧道内部的图像、声音、数据进行存储，便于现场工作人员及时了解、追溯隧道内的运行状况。

5 结论

综上所述，电缆隧道在运行过程中需要进行定期的检修和维护，随着信息技术的不断发展，自动化技术已经在电网检修系统中普及应用。目前，无线传输、智能监控、边缘计算，以及物联网技术，成为电缆隧道智能化管理的技术保障。在实现智能化维护管理的过程中，依靠智能监控设备和无线通信技术，可有效降低传统人工巡检的复杂性和劳动强度，实现电网故障的精准定位和高效管理，提升电缆巡检工作效率。