摘要：地下线缆长期处于地下环境，为保证其正常工作需要人工巡检，工作强度大。本文介绍了一种通过物联网技术来实现地下线缆实时在线远程监测的系统，该系统包含对线缆工作温度、所处位置、所处环境湿度、液位进行监测。系统融合多传感器，有效代替了人工巡检，且具备实时性，一旦出现异常即可远程响应。
关键词：地下线缆；安全监测；物联网
1 设计背景
电力隧道是电网系统中的重要设施，是电力电缆线路尤其是高压电缆线路的主要敷设途径。地下线缆长期置于环境复杂的地下，在长期的作业中，一方面容易受到环境侵蚀产生安全隐患，如长期被废水雨水等浸泡导致表面绝缘层的老化腐烂；另一方面在一些监管不到位的地方容易被不法分子恶意破坏，造成威胁[1]。目前大多采用人工巡检的方式对每个电力井进行巡视，费时费力，且没有针对性和即时性[2]。因此亟需一套对地下线缆使用安全状况进行自动在线监测的系统，来提高当前电网维护的信息化和智能化水平。
本文基于该背景，介绍一种基于多传感器融合和无线通信技术的远程实时地下线缆安全监测系统的设计。该系统是一种低复杂度、低功耗、高效率、远近距离皆可、低成本的无线监测系统，支持多个节点同时监测，时标、位标实时显示的系统，本系统将会对地下输电线路的实时可靠维护，减轻维护人员的劳动强度，减少维护成果具有重要意义。
2监测系统功能
地下线缆安全监测系统，采用6路高精度铂热电阻，1路环境温湿度传感器，1路高精度耐腐蚀液位传感器，以及高精度GPS模块，分别采集6个不同区域的线路温度、环境温湿度、线缆所处位置的液位深度，以及线缆的GPS位置信息，经过微处理器计算后通过GPRS传送到远程服务器。与此同时，线路温度、环境温湿度以及液位信息可以在监测仪自带的液晶屏上显示，方便现场维护时现场观察。
利用配套管理软件，管理人员可以足不出户即可实现对地下线缆各点温度的远程监管。从而达到降低人力成本，提高管理效率，确保线路安全等目的。该系统的功能包括：
① 线路温度超阈值告警：根据经验值输入线路温度阈值，每隔15分钟采集一次线路温度，当温度超过阈值温度时，即通过GPRS向远程服务器报警，汇报出现异常温度的线缆温度值及其位置。同时开启高频采样模式，将15分钟采样率提升到10秒采集一次，确保线路安全，直至线路温度恢复到正常水平或环境温度水平。
② 线路温度骤升告警：当温度监测值明显高于前次温度值，但温度尚未达到报警阈值时，开启高频采样模式，计算段时间内温度变化，若温度值仍处于高位，但未超过阈值时，及时向服务器报警，直至线路温度恢复到正常水平或环境温度水平。
③ 环境温湿度监测：通过环境温湿度传感器采集电力井内的空气温湿度，并将信息反馈到服务器，方便了解井下情况，同时为线路温度提供参考依据。结合供电信息，建立不同环境温湿度下的正常线路温度变化范围，为后期线路维护、保养、铺设提供数据支撑。
④ 液位监测与告警：通过液位传感器及时了解电力井内是否有水以及水深，为电力线缆的安全维护及时提供信息。
⑤ 电池电量不足告警：采集单元内部的电池电量采集电路实时采集电池电量，当电量不足时，及时向服务器告警。
⑥ GPRS远程无线传输：利用GPRS模块，实现实时远程信息采集监控，并具有短信提醒、报警等功能。
3 系统设计
地下线缆安全监测系统架构图如下所示：
如上图所示，整个系统分为采集、传输、和监测软件三部分，其中数据采集为系统核心，位于系统最底成。数据采集模块为集成式装置，即将4种不同信息，共计9个数据采集单元进行集成设计。采集到的数据通过GPRS传输到系统顶层的服务器，服务器内部软件通过存储、计算、分析，当出现异常时，向负责人进行短线告警。多参数组合式监测装置原理框图如下所示。
监测装置的具体工作原理为：
① 装置采用低功耗单片机为监控中心，根据需求对各个环境参数设定采样频率，各环境参数感应元件感应到的参数值输入对应的外围参数采集与处理单元处理后，输入单片机，其中线路温度传感器、环境温湿度传感器需经过高精度的ADC采样电路，液位传感器内部集成了数据处理单元，直接输出RS485信号到单片机；② 单片机计算各参数值后将其存入存储单元，从而使装置具备掉一定的保存功能，防止上位机数据丢失，同时各参数值可通过低功耗LCD进行实时显示，以备系统校准、现场巡检时直观观察；③ 单片机通过GPRS模块与服务器进行数据传输；④ GPRS模块集成了GPS功能，可实现监测装置的定位，在事故发生时，方便及时定位故障点；⑤ 监测装置采用高能量的防爆电池供电，电池容量结合装置各部件的基本功耗、现场监测年限需求、各参数的采样频率进行综合设计，确保能使
装置稳定运行5年，装置设有电压检测单元对电池电压进行实时监测，根据电池电量与电压的特性曲线判断电池电量的剩余情况，电量不足时，装置通过GPRS向服务器发出告警指令。
此外，本系统进行了采用加密算法，防止数据传输途中造成泄密。
4 系统防护与安装测试
地下线缆所处隧道空间狭小，且个别电缆隧道和其他管道（如市政热力管道等）距离很近，而且有的隧道内部有积水，整个系统有可能长期在水中工作，这就对监测设备工作的可靠性和稳定性提出了很高的要求。
此外，由于各种电压级别的高压电力线缆平行走线而形成多种频率段的电磁辐，线缆隧道内部电磁环境恶劣，且其参考地表明波动性大。此外地下环境中湿度大，且通常有大量腐蚀性气体，因此在监测设备的生产和安装过程中，都需进行一定的防护。首先需对电路进行电磁兼容和防静电设计，并涂上军用三防漆（防潮、防静电、防腐蚀）；其次对电路板进行电磁隔离和绝缘防护，防止高压冲击。在安装过程中，所有裸露线缆均为防腐蚀、耐高温或阻燃线，并在线缆外围套上防腐蚀、防虫、防鼠、阻燃PVC管。
监测设备安装完毕后，进行了远程测试，测试效果良好。在长期使用中表明，该系统可以代替人工巡检，在部分环境复杂，尤其是多雨多水的地区开展使用。
参考文献:
[1] 王立, 赫传凯, 徐教宇等. 电力隧道结构健康监测新型系统的设计与应用[J]. 建筑结构, 2012 , 42(5): 642-644.
[2] 张志恒, 马佳荣. 基于物联网的电力线缆监控系统[J]. 信息技术与信息化, 2014(9): 72-73.
论文作者:杨威,林铖宇,许冬香
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/25
标签：线缆论文; 温度论文; 系统论文; 地下论文; 线路论文; 环境论文; 装置论文; 《电力设备》2018年第25期论文;