基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力電纜隧道積水水位在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和主動(dòng)排水系統(tǒng)

王明磊

摘 要：結(jié)構(gòu)滲漏水、局部敞口雨水等因素造成電力電纜隧道或電纜溝內(nèi)長(zhǎng)期積水的情況普遍存在，不僅給維護(hù)管理帶來(lái)困難，也給正常運(yùn)營(yíng)埋下了極大安全隱患。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)積水水位在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)排水系統(tǒng)，對(duì)于解決積水隱患、保障電力輸配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。文中，在對(duì)用戶(hù)需求進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響因素及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行梳理的基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，綜合運(yùn)用智能感知、無(wú)線(xiàn)低功耗廣域網(wǎng)和公共云平臺(tái)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，完成了由現(xiàn)場(chǎng)水位采集器、水泵控制器和后臺(tái)管理系統(tǒng)共同構(gòu)成的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和主動(dòng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道或電纜溝內(nèi)全域覆蓋的積水水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并且在水位超限時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)排水，或者在必要時(shí)人工啟動(dòng)排水。實(shí)踐證明，這是在現(xiàn)有條件下有效解決電纜隧道或電纜溝積水隱患問(wèn)題的一種可行方案。

關(guān)鍵詞：電纜隧道;電纜溝;積水;在線(xiàn)監(jiān)測(cè);主動(dòng)排水;廣域網(wǎng);低功耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）08-00-03

0 引 言

對(duì)于敷設(shè)在電纜隧道和電纜溝中的電力電纜，規(guī)范要求電纜不能長(zhǎng)期浸水，電纜接頭不能浸水[1]，電纜隧道和電纜溝在設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中也相應(yīng)做了防水、排水處理[2]。但是在實(shí)際使用過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)滲漏水、局部敞口雨水等因素，電纜隧道和電纜溝內(nèi)的積水情況仍大面積存在。如果這些積水不能及時(shí)排除，很容易將隧道內(nèi)的電纜淹沒(méi)，輕則因無(wú)法檢修維護(hù)而縮短隧道及電纜壽命，重則影響用戶(hù)及工作人員生命財(cái)產(chǎn)安全[3-4]。為電力電纜隧道或電纜溝加裝基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的積水水位在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和主動(dòng)排水系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道和電纜溝內(nèi)積水水位的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還能夠在水位超限時(shí)啟動(dòng)排水，或者在必要時(shí)人工啟動(dòng)排水，這是在現(xiàn)有條件下有效解決積水問(wèn)題的可行方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

積水水位在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和主動(dòng)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案遵從下述指導(dǎo)性原則：

（1）低壓供電：所有在電纜隧道或電纜溝內(nèi)安裝的設(shè)備均采用交流24 V或直流48 V低壓供電，確保不引入額外的危險(xiǎn)源;

（2）全防水：傳感器、采集器采用全密封防水，以適應(yīng)高濕度甚至浸水環(huán)境;

（3）高可靠性：在隧道或電纜溝內(nèi)的設(shè)備選用有線(xiàn)通信方式，所有設(shè)備以及設(shè)備與后臺(tái)之間均采用脈搏信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高可靠的數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)感知;

（4）低功耗：采用無(wú)源傳感器和低功耗技術(shù)，水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)在自供電情況下可連續(xù)工作3年以上;

（5）靈活配置：一個(gè)水泵控制器和多個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成一個(gè)分組，系統(tǒng)由多個(gè)分組構(gòu)成，分組邏輯可靈活設(shè)置，適用于各種長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)的隧道或電纜溝。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由布置在現(xiàn)場(chǎng)的水位采集器、水泵控制器和后臺(tái)管理系統(tǒng)構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與后臺(tái)系統(tǒng)間通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)[5]。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)中，一個(gè)水泵控制器（含潛水泵和投入式水位傳感器）與多個(gè)水位采集器構(gòu)成一個(gè)分組。水位采集器之間及水位采集器與水泵控制器之間均采用有線(xiàn)RS 485進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;水泵控制器內(nèi)含無(wú)線(xiàn)通信模塊（GPRS，NB-IoT或LoRa），與系統(tǒng)后臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)雙向無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。水位采集器使用分段式水位傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)積水水位的定性測(cè)量，水泵控制器連接的投入式水位傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的精確定量測(cè)量。分段式水位傳感器的水位最小分辨率由磁感應(yīng)水位開(kāi)關(guān)的垂直安裝位置決定（如最小安裝間隔為100 mm，相當(dāng)于最小水位分辨率為100 mm）;投入式水位傳感器的最小水位分辨率為0.5級(jí)。分段式水位傳感器可以滿(mǎn)足低成本、廣覆蓋的水位感知需求，而投入式水位傳感器可以精確感知水位以及水泵的工作效果。水泵控制器和潛水泵選擇安裝于電纜隧道的集水井或者通風(fēng)井位置，可以方便地獲取外部電源，以及建立積水的排出通道;水位采集器可沿電纜隧道每間隔一定距離布置一個(gè)，方便獲取隧道整體的水位分布（主要關(guān)注積水對(duì)電力電纜的浸沒(méi)情況）。水位采集器使用內(nèi)置電池工作，無(wú)需額外的電源供應(yīng)，無(wú)附帶安全隱患。

2 單元實(shí)現(xiàn)

2.1 水位采集器

水位采集器由分段式水位傳感器和采集單元組成。

2.1.1 分段式水位傳感器

綜合考慮防水、防污、低成本、無(wú)耗電、高可靠等因素，選擇磁性水位開(kāi)關(guān)作為分段式水位傳感器的最小單元。磁性水位開(kāi)關(guān)由磁性浮子和內(nèi)部的干簧管組成，水位未使浮子浮起時(shí)，干簧管內(nèi)部觸點(diǎn)斷開(kāi)，浮子浮起時(shí)，干簧管內(nèi)部觸點(diǎn)接通。磁性水位開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是全密封，電氣部分與外部高度絕緣，不受被測(cè)液體清濁、導(dǎo)電率高低等影響。磁性水位開(kāi)關(guān)的兩種常見(jiàn)形式如圖2所示。

在一個(gè)水位測(cè)量點(diǎn)，將多個(gè)磁性水位開(kāi)關(guān)按照監(jiān)測(cè)水位高度的不同，同時(shí)安裝在一條水位標(biāo)尺上，共同組成一個(gè)完整的水位感知傳感器。水位標(biāo)尺的高度與隧道總高度相等，在隧道的最低一層電纜橋架以下設(shè)置2個(gè)水位開(kāi)關(guān)，在每層電纜橋架對(duì)應(yīng)設(shè)置1個(gè)水位開(kāi)關(guān)，以便定性感知隧道內(nèi)的積水水位。分段式水位傳感器的組成以及在電纜隧道中的安裝位置如圖3所示。

2.1.2 采集單元

采集單元負(fù)責(zé)定時(shí)采集分段式水位傳感器的各磁性水位開(kāi)關(guān)通斷狀態(tài)，并轉(zhuǎn)換為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位數(shù)值后，通過(guò)RS 485總線(xiàn)傳輸?shù)剿每刂破?。為避免引入外部電源可能帶?lái)的潛在安全隱患，并降低布線(xiàn)成本，水位采集器采用內(nèi)置電池供電。采集單元電路框圖如圖4所示。

內(nèi)置電池建議選用ER26500型一次性鋰電池，電池容量為8 500 mA·h，工作溫度范圍為-55～+85 ℃，存儲(chǔ)溫度范圍為-10～+45 ℃，可以在寬泛的環(huán)境條件下為采集單元提供穩(wěn)定持續(xù)的電源供應(yīng)。由于本方案所選擇水位傳感器本身不耗電，因此可大大提高內(nèi)置電池的持續(xù)工作時(shí)間，再配合單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)，單節(jié)電池可支持水位采集器連續(xù)工作3年以上。

為保證采集單元的防水性能，采集單元外殼選用IP68防護(hù)等級(jí)防水盒。在指定水壓下，可確保采集單元不因浸水而造成損壞。

2.1.3 水位采集器至水泵控制器間的數(shù)據(jù)傳輸

由于電纜隧道內(nèi)空氣濕度等因素影響較大，并且隧道為封閉小空間，對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳輸較為不利，因此選用RS 485總線(xiàn)傳輸方式，以保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。

2.2 水泵控制器

水泵控制器包括直流48 V潛水泵、投入式水位傳感器、控制單元。

（1）直流48 V潛水泵

經(jīng)實(shí)地考察，電纜隧道內(nèi)積水的主要原因是結(jié)構(gòu)滲漏水，水質(zhì)相對(duì)比較清澈、雜物較少，而電纜溝內(nèi)積水則為渾濁的污水。綜合考慮這兩種情況，排出積水選擇直流48 V污水泵，水泵功率為450 W，最大流量為10 m3/h，最大揚(yáng)程為6.5 m。水泵自帶缺水、卡機(jī)、過(guò)熱智能保護(hù)功能。

（2）投入式水位傳感器

為實(shí)現(xiàn)更為精確的水位測(cè)量，與控制單元連接的水位傳感器選用投入式連續(xù)水位傳感器。該水位傳感器有效量程為3 m，測(cè)量精度可達(dá)0.5級(jí)（最小分辨率為15 mm）。投入式連續(xù)水位傳感器屬于壓力傳感器，可將水壓轉(zhuǎn)換為水位高度的測(cè)量值。

（3）控制單元

控制單元主要實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)后臺(tái)的無(wú)線(xiàn)通信，采集水位數(shù)據(jù)，控制水泵啟停。控制單元和水泵功耗較大，需要使用外部直流48 V電源供電?？刂茊卧碾娐房驁D如圖5所示。

為避免水泵電機(jī)啟停和外部電源波動(dòng)等帶來(lái)的電源干擾，控制單元電路的5 V供電電路與48 V電路采用完全隔離設(shè)計(jì)。在水泵電源輸出端設(shè)置隔離式電壓和電流傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵的工作狀態(tài)。

水泵啟/停狀態(tài)和工作電流的監(jiān)測(cè)使用霍爾直流電流互感器，在實(shí)現(xiàn)水泵工作電流監(jiān)測(cè)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)水泵過(guò)流保護(hù)和啟停工作狀態(tài)識(shí)別[6];外部供電電壓的監(jiān)測(cè)使用線(xiàn)性光電耦合傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制器外部供電電壓[7]，實(shí)現(xiàn)外部電源故障和停電自動(dòng)報(bào)警。

3 數(shù)據(jù)傳輸與無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)

在系統(tǒng)工作時(shí)，由水位采集器定時(shí)傳輸所在位置的分段水位值到水泵控制器，水泵控制器將本分組各點(diǎn)的水位值打包后，定時(shí)集中上傳到后臺(tái)系統(tǒng)。水泵控制器同時(shí)上傳到后臺(tái)的還包括電源狀態(tài)、水泵運(yùn)行狀態(tài)等信息。后臺(tái)系統(tǒng)可通過(guò)向水泵控制器發(fā)送無(wú)線(xiàn)指令，遠(yuǎn)程設(shè)置水泵啟動(dòng)和關(guān)閉的臨界水位，水泵控制器根據(jù)臨界水位設(shè)定執(zhí)行對(duì)水泵的開(kāi)啟和關(guān)閉控制;后臺(tái)系統(tǒng)也可通過(guò)發(fā)送指令，遠(yuǎn)程控制水泵開(kāi)啟和關(guān)閉，適合于人工介入控制。系統(tǒng)各設(shè)備之間，以及設(shè)備與后臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸參考《電力電纜及通道在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》中約定的格式進(jìn)行編碼[8]。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與后臺(tái)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信采用物聯(lián)網(wǎng)LPWAN，即廣域網(wǎng)通信技術(shù)，可采用GPRS，NB-IoT或LoRa協(xié)議實(shí)現(xiàn)。GPRS和NB-IoT存在日常的使用年費(fèi)和流量費(fèi)，但技術(shù)成熟，通信覆蓋有保證;LoRa具有終端模塊成本低，使用非授權(quán)頻段無(wú)其他日常費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋時(shí)，需要搭建私有網(wǎng)絡(luò)[9]。本系統(tǒng)基于可配置的設(shè)計(jì)思想，以通信模塊可更換的方式，在電路上同時(shí)兼容GPRS。NB-IoT或者LoRa協(xié)議的使用可根據(jù)實(shí)際環(huán)境和對(duì)于傳輸控制的不同要求來(lái)靈活選擇。

隨著各大運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)公共平臺(tái)服務(wù)的逐漸成熟，系統(tǒng)也可以選擇接入公共物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以便進(jìn)一步提高使用效率和穩(wěn)定性，降低運(yùn)行成本[10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

積水水位在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和主動(dòng)排水系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道和電纜溝內(nèi)積水水位的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還能夠在水位超限時(shí)啟動(dòng)排水，或者在必要時(shí)人工啟動(dòng)排水，這是在現(xiàn)有條件下有效解決電纜隧道或電纜溝內(nèi)長(zhǎng)期積水問(wèn)題的可行方法。以上系統(tǒng)的整體方案在實(shí)施時(shí)分步進(jìn)行：首先，在關(guān)鍵位置部署水泵控制器（含水泵），解決積水超限的主動(dòng)排水和關(guān)鍵點(diǎn)水位監(jiān)測(cè)問(wèn)題;然后，通過(guò)逐步增加部署水位采集器的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜隧道或電纜溝全域覆蓋的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)水位監(jiān)測(cè)。

參 考 文 獻(xiàn)

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