智能電纜隧道運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

電能是社會(huì)發(fā)展和人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊豁?xiàng)重要能源，其不僅可以改變?nèi)藗兩a(chǎn)、生活的方式，還可以推進(jìn)社會(huì)的進(jìn)步。尤其是城市化發(fā)展，人們對(duì)于電能的依賴(lài)程度越來(lái)越高，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大、電力供應(yīng)的配套設(shè)施進(jìn)一步完善。

同時(shí)，電網(wǎng)的維護(hù)管理成為決定電能服務(wù)質(zhì)量的重要因素。城市電纜隧道承載著電能輸送的重要任務(wù)，傳統(tǒng)的人工巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度高，維護(hù)精度差，無(wú)法滿(mǎn)足智能化電纜隧道運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理的需求。通過(guò)信息化技術(shù)提升電網(wǎng)的智能化服務(wù)，構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)，將是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的重要方向[1]。

因此，本文基于智能電力視角設(shè)計(jì)研發(fā)一種電力隧道運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，具體研究如下。

1 智能電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

國(guó)外研究始于20世紀(jì)70年代，英國(guó)、日本、加拿大等國(guó)家，開(kāi)始致力于研究電力電纜智能監(jiān)控系統(tǒng)。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(xiàng)新技術(shù)和新工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的智能化監(jiān)控管理。20世紀(jì)90年代，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)入探索電力電纜監(jiān)控系統(tǒng)的領(lǐng)域。由于受到地理環(huán)境的影響，各城市建設(shè)的電纜隧道的實(shí)際需求和裝備性能，具有顯著的地域性差異，在監(jiān)控管理方面僅僅是按照自身的實(shí)際需求和特性進(jìn)行觀測(cè)。各地區(qū)電纜隧道中配置的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)特、唯一的功能，但是各功能模塊之間缺少聯(lián)系，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享，對(duì)于實(shí)現(xiàn)國(guó)家電網(wǎng)建立統(tǒng)一、高效的智能化管理還有諸多阻力。

現(xiàn)階段，我國(guó)智能電纜隧道建設(shè)方面，雖然已取得一定的成績(jī)，但總體上還處于發(fā)展階段，沒(méi)有形成系統(tǒng)化的制約模式。各地域、單位建設(shè)完畢的電力隧道，多數(shù)是按照原定需求特性，進(jìn)行單一方面的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作。配置的各種監(jiān)測(cè)功能模塊，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)特、唯一的功能，但各功能模塊之間缺少關(guān)聯(lián)，未形成“集中監(jiān)控+立體巡檢”運(yùn)行模式。目前，國(guó)內(nèi)外均普遍開(kāi)展關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究，為進(jìn)一步推進(jìn)輸電管理模式智能化、高效性，可采用傳感器、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)、人工智能、邊緣計(jì)算等技術(shù)手段突破創(chuàng)新。從而實(shí)現(xiàn)隧道運(yùn)行狀態(tài)感知、應(yīng)用模式升級(jí)、業(yè)務(wù)快速迭代、資源高效利用等目標(biāo)，有效提升輸電網(wǎng)精益化管理能力[2]。

2 電纜隧道運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)結(jié)合電纜線(xiàn)路管理的實(shí)際需求，以智慧物聯(lián)為核心，使用標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議框架，下行通過(guò)Zigbee、WiFi 等短距離通信技術(shù)，構(gòu)成低功耗無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一收集電纜隧道內(nèi)的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)單元數(shù)據(jù)，通過(guò)邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)與結(jié)果分析，然后采用通信模塊上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)，便于系統(tǒng)應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而實(shí)現(xiàn)電纜隧道的智能化管控[3]。下文對(duì)電纜隧道運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的功能模塊及軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2.1 功能模塊化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能采用模塊化設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)初始化模塊、基礎(chǔ)管理模塊、專(zhuān)項(xiàng)操作模塊、電纜資源查詢(xún)、運(yùn)行監(jiān)控管理以及權(quán)限管理六個(gè)模塊。系統(tǒng)初始化模塊主要進(jìn)行電纜隧道監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的導(dǎo)入，在初始狀態(tài)下按照巡檢任務(wù)，對(duì)電纜隧道線(xiàn)路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，由下游功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。基礎(chǔ)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(guò)該功能進(jìn)行狀態(tài)預(yù)覽、實(shí)時(shí)操作等行為。專(zhuān)項(xiàng)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(xún)涵蓋了電氣設(shè)備、電纜隧道、定位和查詢(xún)功能。運(yùn)行監(jiān)控主要是指日志管理、電纜運(yùn)行狀態(tài)和通信狀態(tài)的監(jiān)控管理。權(quán)限管理包括授權(quán)賬號(hào)登錄及密碼修改等功能[4]。

2.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過(guò)智能攝像頭裝置，經(jīng)圖像識(shí)別算法進(jìn)行圖像分析，實(shí)現(xiàn)隧道入侵監(jiān)測(cè)、周界報(bào)警等行為識(shí)別；例如非法侵入、人員不安全行為識(shí)別、工作區(qū)域識(shí)別等。系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)框架下的Yolov3相關(guān)算法群。該算法作為一種基于深度學(xué)習(xí)的端到端實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)方法，具有良好的處理性能。當(dāng)圖像處理核心發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，對(duì)異常情況形成圖像和告警消息，上傳給邊緣物聯(lián)代理模塊，由邊緣物聯(lián)代理統(tǒng)一匯總并進(jìn)行判定，最終將隧道狀態(tài)識(shí)別碼上傳至系統(tǒng)內(nèi)。架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3 通信架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景選擇合適的聯(lián)網(wǎng)方式，優(yōu)化線(xiàn)路資源和簡(jiǎn)化通信網(wǎng)絡(luò)管理，實(shí)現(xiàn)分層分布式控制。電纜隧道設(shè)備通過(guò)串口通信的方式，按照統(tǒng)一的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，支持IP 化RF 和HPLC 通訊，數(shù)據(jù)可以介入電纜隧道邊緣物聯(lián)終端，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信連接，方便接入不同類(lèi)型的檢測(cè)子系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)電纜隧道的智慧互聯(lián)，即電網(wǎng)專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)與電纜隧道智能化管控系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)包含電纜線(xiàn)路監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)檢查、電纜故障判別以及電纜線(xiàn)路缺陷處理等。電纜隧道運(yùn)行監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化發(fā)展的技術(shù)保障，通過(guò)多元異構(gòu)深度融合技術(shù)、電源管理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和邊緣計(jì)算技術(shù)等多項(xiàng)核心技術(shù)的支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜隧道的智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警管理。因此，下文對(duì)電纜隧道運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

3.1 多源異構(gòu)深度融合技術(shù)

多源異構(gòu)主要是將用戶(hù)私有環(huán)境下，不同領(lǐng)域、格式、精度的數(shù)據(jù)源進(jìn)行有效整合，打破傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立統(tǒng)一面向電纜隧道運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)的接入、匯聚、遷移、分發(fā)機(jī)制，通過(guò)處理機(jī)制的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)間數(shù)據(jù)挖掘和互通共享。該技術(shù)采用E2E（End to End）框架模式執(zhí)行處理流程，將數(shù)據(jù)鏈路大幅度精簡(jiǎn)，避免分布式流計(jì)算引擎、消息中間件等冗余流程，從而提供高效、穩(wěn)定的對(duì)端數(shù)據(jù)處理機(jī)制。技術(shù)棧分為業(yè)務(wù)能力層、原子能力層、基礎(chǔ)能力層，共同擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)處理工作（技術(shù)架構(gòu)如圖2所示）。電纜隧道運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，分為接地電流、電纜測(cè)溫等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以及視頻、圖片等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，由通信裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入，對(duì)介入的各類(lèi)業(yè)務(wù)模塊建立統(tǒng)一服務(wù)訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化資源和融合方法管理，實(shí)時(shí)反饋融合結(jié)果信息，以使融合處理過(guò)程具有自適應(yīng)性，從而達(dá)到最佳融合效果。

圖2 多源異構(gòu)深度融合技術(shù)架構(gòu)

3.2 微功耗設(shè)計(jì)與高效電源管理技術(shù)

在監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)內(nèi)的MCU、模擬電路等核心元件，使用納瓦級(jí)別功率的電子器件，采用多電壓閾值管理、PVD 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等技術(shù)，使各部分硬件運(yùn)行于最有效率的工作電壓之下。在軟件方面，采用中斷驅(qū)動(dòng)的方式，在最小功耗下提供最大的性能和算力。將整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在處理與睡眠兩個(gè)工作模式，并根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)切換。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)包括Zigbee、WiFi、藍(lán)牙、Z-wave 等短距離通信技術(shù)以及使用LPWAN（low-power Wide-Area Network）的廣域網(wǎng)通信技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸，該系統(tǒng)采用統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議連接不同監(jiān)測(cè)元件，方便快捷的同時(shí)，也減少了電纜隧道內(nèi)的通訊布線(xiàn)流程，極大限度地降低了施工難度和運(yùn)營(yíng)成本。

4 系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景及實(shí)踐應(yīng)用

智能化電纜隧道運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)合電纜隧道內(nèi)獨(dú)特結(jié)構(gòu)，借助智能攝像頭集群部署，對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)的電纜線(xiàn)路進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)預(yù)警，當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以直接定位故障發(fā)生的具體位置，同時(shí)，可以通過(guò)圖像可視化展示功能，將故障區(qū)域范圍內(nèi)的電纜線(xiàn)路信息進(jìn)行標(biāo)記顯示，便于工作人員及時(shí)掌握異常信息，為制定檢修計(jì)劃作準(zhǔn)備[5]。

此外，該系統(tǒng)還將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜隧道內(nèi)部環(huán)境情況及附屬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，主要監(jiān)控對(duì)象為電纜線(xiàn)路的運(yùn)行溫度、電纜線(xiàn)路接地狀況、線(xiàn)路接頭溫度、隧道非法入侵等情況。該系統(tǒng)利用監(jiān)控裝置集群，完成隧道內(nèi)溫度、濕度、水位、煙霧等環(huán)境安全分析。利用圖像識(shí)別技術(shù)結(jié)合隧道本體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的智能研判。該系統(tǒng)還可以結(jié)合接地電流、局放檢測(cè)數(shù)據(jù)、接頭表面溫度等對(duì)電纜線(xiàn)路的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，通過(guò)門(mén)禁系統(tǒng)和圖像識(shí)別參數(shù)對(duì)隧道的非法入侵、電纜破壞等情況，并進(jìn)行視頻錄像，保存重要資料證據(jù)。用戶(hù)可以通過(guò)觀察電纜隧道內(nèi)的實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面，了解當(dāng)前時(shí)刻電纜隧道內(nèi)部現(xiàn)場(chǎng)信息，通過(guò)不同監(jiān)控位置的高清攝像頭，可以整體掌控電纜線(xiàn)路的運(yùn)行狀況，并且通過(guò)控制高清攝像頭的拍攝角度，實(shí)現(xiàn)全方位無(wú)死角的檢控管理。此外，系統(tǒng)在視頻監(jiān)控圖像中，還設(shè)置監(jiān)測(cè)時(shí)間、方位信息的顯示，便于現(xiàn)場(chǎng)工作人員清楚地了解現(xiàn)場(chǎng)狀況。通過(guò)高清圖像抓拍功能，可以將電纜隧道內(nèi)部的圖像、聲音、數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)了解、追溯隧道內(nèi)的運(yùn)行狀況。

5 結(jié)論

綜上所述，電纜隧道在運(yùn)行過(guò)程中需要進(jìn)行定期的檢修和維護(hù)，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)在電網(wǎng)檢修系統(tǒng)中普及應(yīng)用。目前，無(wú)線(xiàn)傳輸、智能監(jiān)控、邊緣計(jì)算，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，成為電纜隧道智能化管理的技術(shù)保障。在實(shí)現(xiàn)智能化維護(hù)管理的過(guò)程中，依靠智能監(jiān)控設(shè)備和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，可有效降低傳統(tǒng)人工巡檢的復(fù)雜性和勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障的精準(zhǔn)定位和高效管理，提升電纜巡檢工作效率。