電力隧道監(jiān)測(cè)及巡檢監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

王志成 王勝輝 劉 暢 張 俊 王 堯

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 許昌 461000）

0 引言

高壓電力電纜敷設(shè)在地下通道（管廊或隧道）中，惡劣的運(yùn)行環(huán)境給人工巡檢帶來(lái)巨大困難，依靠人工運(yùn)維不但工作量大、效率低，且危險(xiǎn)度高。尤其是電纜設(shè)備故障或通道環(huán)境異常時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)工作的運(yùn)檢人員可能會(huì)有生命危險(xiǎn)。目前，運(yùn)維人員數(shù)量無(wú)法滿足電力電纜及隧道快速增加的需要，導(dǎo)致電力隧道運(yùn)檢工作面臨巨大壓力，電力設(shè)備安全運(yùn)行存在隱患和風(fēng)險(xiǎn)?；陔娏﹄娎|及通道運(yùn)行維護(hù)的特殊要求，在線監(jiān)測(cè)和移動(dòng)巡檢代替人工巡檢，成為重要狀態(tài)的感知技術(shù)手段，可完成對(duì)電纜隧道內(nèi)電力電纜及附屬設(shè)備的巡檢，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電力隧道設(shè)備狀態(tài)的連續(xù)和動(dòng)態(tài)采集。通過(guò)把采集到的現(xiàn)場(chǎng)視頻、圖像、空氣中有害氣體的含量等數(shù)據(jù)發(fā)回監(jiān)控中心，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力電纜發(fā)熱、外觀缺陷等設(shè)備異?，F(xiàn)象，也可執(zhí)行應(yīng)急對(duì)講指揮等相關(guān)處置措施，起到很好的防災(zāi)減災(zāi)效果。在將巡檢人員從危險(xiǎn)繁雜的工作中解放出來(lái)的同時(shí)，還能提升運(yùn)維效率和保障電網(wǎng)可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電力隧道運(yùn)維的狀態(tài)感知自動(dòng)化、通道環(huán)境可視化、運(yùn)維管理精益化、分析決策智能化等功能［1］。

1 電力隧道巡檢監(jiān)控架構(gòu)設(shè)計(jì)

電力隧道監(jiān)控是在電力通用架構(gòu)第Ⅲ區(qū)部署的，集成了環(huán)境、照明、風(fēng)機(jī)、水泵、消防、視頻監(jiān)控、變配電、門(mén)禁和移動(dòng)巡檢等子系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入、存儲(chǔ)、展示，并實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)施遠(yuǎn)程控制、聯(lián)動(dòng)控制等高級(jí)功能。按集中又獨(dú)立的大型分布式系統(tǒng)進(jìn)行組建，電纜隧道綜合監(jiān)控由各項(xiàng)專業(yè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和監(jiān)控主站等組成，所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都集中在監(jiān)控站上分析、控制、顯示和存儲(chǔ)。

建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)管廊隧道中監(jiān)測(cè)裝置所采集到的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全局監(jiān)視，并進(jìn)行操作控制，可接入移動(dòng)巡檢、光纖測(cè)溫裝置、環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置、環(huán)流監(jiān)測(cè)裝置、安防監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)，同時(shí)裝置信息可在Web客戶端進(jìn)行瀏覽，并對(duì)各監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行智能化控制。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循分層、分布式思想，采用標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、功能分布的體系結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件和軟件配置上遵循開(kāi)放性原則，達(dá)到系統(tǒng)的可擴(kuò)充性、可維護(hù)性。在網(wǎng)絡(luò)配置形式上，采用成熟、可靠、實(shí)用性強(qiáng)的開(kāi)放式以太網(wǎng)，按照單網(wǎng)配置。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為總線型、星型或環(huán)型，傳輸介質(zhì)可采用“雙絞線+無(wú)線AP”結(jié)合方式，其主要對(duì)電纜本體和隧道配套部分兩大部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由物理架構(gòu)和軟件架構(gòu)組成。電力電纜隧道監(jiān)控架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力電纜隧道監(jiān)控架構(gòu)

1.1 物理架構(gòu)

電力隧道監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理與展示模塊由綜合應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web 服務(wù)器和展示主機(jī)組成，并配有顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等附件。監(jiān)控系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)中心基于數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合采集、分析與展示，應(yīng)用服務(wù)器對(duì)已采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和綜合判斷，并基于Web服務(wù)器進(jìn)行前端數(shù)據(jù)處理與展示，通過(guò)常用瀏覽器（如Internet Explorer）進(jìn)行展示瀏覽。上述數(shù)據(jù)傳輸要通過(guò)中心交換機(jī)或內(nèi)部專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換。

電纜本體監(jiān)測(cè)包括電纜環(huán)流監(jiān)測(cè)和光纖測(cè)溫的數(shù)據(jù)通信交換?？紤]到其數(shù)據(jù)容量較大，要通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，然后通過(guò)中心交換機(jī)上傳到后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器。

隧道配套部分監(jiān)測(cè)，隧道內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)要布控?zé)o線AP 和通信管理機(jī)，用于收集隧道內(nèi)的安防、消防、視頻等數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)方式傳輸?shù)街行慕粨Q機(jī)。

智能移動(dòng)巡檢先通過(guò)無(wú)線通信方式將視頻、圖片信息上傳到就地中心交換機(jī)，再通過(guò)以太網(wǎng)方式把圖像信息統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行分析。

1.2 軟件架構(gòu)

相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)是基于B/S 架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，開(kāi)發(fā)環(huán)境采用開(kāi)源方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)模塊的相關(guān)功能。通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，采用視頻流接口來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與監(jiān)測(cè)攝像頭、移動(dòng)巡檢的交互。對(duì)各個(gè)業(yè)務(wù)單元的監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)轉(zhuǎn)換通信規(guī)約或直接接入方式來(lái)實(shí)現(xiàn)接口通信。主站與監(jiān)測(cè)裝置通信主要采用IEC 61850和IEC 104方式上送。

2 功能簡(jiǎn)介

電纜隧道監(jiān)控包括電纜本體信息在線監(jiān)測(cè)部分、隧道環(huán)境監(jiān)控配套部分，這兩部分包括移動(dòng)巡檢視頻、環(huán)境溫濕度、有毒有害氣體、門(mén)禁、排水、電子井蓋、風(fēng)機(jī)、照明、消防［2-3］等子系統(tǒng)。這些信息將被收集成綜合分析“大數(shù)據(jù)”，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、篩查、檢索、應(yīng)用、呈現(xiàn)、分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的綜合利用，完成設(shè)備間的智能聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電纜本體及隧道環(huán)境相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接入、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展示和設(shè)備控制。

2.1 全局管理

全局管理主要查看管廊隧道在地圖的分布情況，展示管廊中設(shè)備告警信息，以GIS 地圖方式來(lái)顯示管廊分布、對(duì)隧道和回路進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)和查看隧道設(shè)備的實(shí)時(shí)告警信息。

2.2 電纜本體監(jiān)測(cè)

2.2.1 環(huán)流監(jiān)測(cè)。該部分主要有四大功能，分別為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)曲線、日統(tǒng)計(jì)曲線、歷史數(shù)據(jù)查詢。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)功能主要用于展示接地箱A 相環(huán)流、B相環(huán)流、C相環(huán)流、Z相環(huán)流的信息，根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)判斷出數(shù)據(jù)目前狀態(tài)；實(shí)時(shí)曲線功能主要用于展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線走勢(shì)；日統(tǒng)計(jì)曲線功能可根據(jù)不同天的數(shù)據(jù)選擇來(lái)展示曲線走勢(shì)；歷史數(shù)據(jù)查詢功能可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢。

2.2.2 光纖測(cè)溫。監(jiān)測(cè)線路上各接頭的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，展示每條線路中的分區(qū)數(shù)和電纜接頭數(shù)量。監(jiān)測(cè)線路區(qū)間中ABC 三相某個(gè)距離區(qū)域點(diǎn)電纜的表面溫度和導(dǎo)體溫度，并根據(jù)此區(qū)域的數(shù)據(jù)報(bào)警閾值對(duì)此區(qū)域的最高溫度、最低溫度、平均溫度、溫升尖峰、溫差報(bào)警的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比［4］。另外，對(duì)電纜的表面溫度、導(dǎo)體溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行展示。

2.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)綜合展示

在監(jiān)測(cè)管廊線路中，隧道分區(qū)中氣體傳感器、溫濕度、水位數(shù)據(jù)的狀態(tài)信息。環(huán)境監(jiān)測(cè)分三個(gè)功能，分別為區(qū)域環(huán)境示意圖、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線。 在區(qū)域環(huán)境示意圖區(qū)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該分區(qū)有害氣體含量、溫濕度及風(fēng)機(jī)照明等設(shè)備的狀態(tài)，并對(duì)風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行控制操作；實(shí)時(shí)曲線區(qū)是對(duì)有害氣體、溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)走勢(shì)的展示；歷史曲線區(qū)是對(duì)有害氣體、溫濕度歷史走勢(shì)的展示。

2.4 環(huán)境監(jiān)測(cè)智能控制

環(huán)境監(jiān)測(cè)智能控制包括實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)、照明、水泵的當(dāng)前狀態(tài)，可通過(guò)控制按鈕對(duì)相關(guān)設(shè)備一鍵開(kāi)啟/關(guān)閉。

2.5 安防監(jiān)測(cè)

該功能包括顯示管廊的門(mén)禁、井蓋位置信息及紅外對(duì)射報(bào)警、入侵報(bào)警狀態(tài)信息，控制門(mén)禁、井蓋的開(kāi)啟關(guān)閉狀態(tài)；監(jiān)視視頻場(chǎng)所內(nèi)的視頻信息，實(shí)時(shí)上傳安防監(jiān)測(cè)相關(guān)的報(bào)警信息。

2.6 視頻監(jiān)控

顯示對(duì)應(yīng)各隧道中不同分區(qū)的視頻展示，可對(duì)各攝像頭進(jìn)行控制，并能進(jìn)行視頻回放。云臺(tái)控制包括上、下、左、右、旋轉(zhuǎn)、停止等功能，視頻監(jiān)視包括回放錄像和手動(dòng)抓取視頻圖像功能。

2.7 移動(dòng)巡檢

移動(dòng)巡檢主要為巡檢機(jī)器人的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展示和機(jī)器人控制。主要展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和視頻、機(jī)器人控制、實(shí)時(shí)告警等功能。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括機(jī)器人的信息列表、機(jī)器人狀態(tài)信息、環(huán)境狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)上送機(jī)器人的當(dāng)前位置、機(jī)器人速度、電池電量、障礙物、驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)、低電量報(bào)警等狀態(tài)信息，監(jiān)測(cè)管廊環(huán)境中的CPU 溫度、氧氣濃度信息，并在機(jī)器人監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示。實(shí)時(shí)視頻包括高清和紅外攝像頭，可顯示高清攝像頭的實(shí)時(shí)視頻信息。

機(jī)器人控制主要包括機(jī)器人云臺(tái)遠(yuǎn)程控制、視頻控制和機(jī)器人本體遠(yuǎn)程控制。機(jī)器人本體控制包括機(jī)器人本體的前進(jìn)、后退、持續(xù)前進(jìn)、持續(xù)后退、停止、去絕對(duì)位置、去相對(duì)位置、正向回零、反向回零、取消回零等，可設(shè)置機(jī)器人的運(yùn)行速度和位移信息。速度設(shè)置為0.01～1 m/s，即可輸入0.01～1 的任意數(shù)［5］。位移設(shè)置不做特殊要求，位移單位默認(rèn)為m，位移設(shè)置區(qū)間為-1 500～1 500 m。機(jī)器人云臺(tái)視頻的3D啟停、放大、縮小、拍照、錄像、停止錄像等控制功能。機(jī)器人云臺(tái)遠(yuǎn)程控制包括遙控實(shí)現(xiàn)遙控云臺(tái)的左上45°、上旋、右上45°、左旋、自動(dòng)（360°旋轉(zhuǎn)）、右旋、左下45°、下旋、右下45°等功能。

實(shí)時(shí)告警展示的內(nèi)容包括告警詳情欄實(shí)時(shí)顯示的機(jī)器人狀態(tài)。告警信息包括障礙物告警、低電量告警等信息。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)

一是監(jiān)控需要具備完善和靈活的巡檢策略、通信組網(wǎng)技術(shù)、定位與避障技術(shù)、視頻圖像處理技術(shù)；二是監(jiān)控具備立體視覺(jué)的動(dòng)態(tài)處理能力，能對(duì)連續(xù)圖像視頻和圖像快速分析和定位；三是監(jiān)控系統(tǒng)具備與巡檢機(jī)器人進(jìn)行位姿轉(zhuǎn)換交互能力，根據(jù)實(shí)時(shí)視頻圖像分析結(jié)果自動(dòng)與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

電力電纜入地是城市綜合管廊監(jiān)控最重要的一環(huán)。通過(guò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)地下隧道運(yùn)行環(huán)境和電力生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備信息，不但能改變傳統(tǒng)“計(jì)劃?rùn)z修+定期巡視”的方式，能很好地避免設(shè)備絕緣缺陷與潛在的故障，而且能及時(shí)反映電力電纜隧道的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)安全、高效運(yùn)維的目的。本研究通過(guò)對(duì)電力電纜管廊及隧道內(nèi)各項(xiàng)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)及故障監(jiān)測(cè)提出監(jiān)控解決方案，促進(jìn)電力地下通道的建設(shè)，為電力地下通道的集約化管理提供有力支持，并為電力輸送設(shè)備及生產(chǎn)環(huán)境全壽命周期運(yùn)行管理體系［6］提供技術(shù)保障。