基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力電纜隧道積水水位在線監(jiān)測和主動排水系統(tǒng)

引 言

對于敷設(shè)在電纜隧道和電纜溝中的電力電纜，規(guī)范要求電纜不能長期浸水，電纜接頭不能浸水 [1]，電纜隧道和電纜溝在設(shè)計和建造過程中也相應(yīng)做了防水、排水處理 [2]。但是在實際使用過程中，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排除，很容易將隧道內(nèi)的電纜淹沒，輕則因無法檢修維護(hù)而縮短隧道及電纜壽命，重則影響用戶及工作人員生命財產(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)的積水水位在線監(jiān)測和主動排水系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對隧道和電纜溝內(nèi)積水水位的實時動態(tài)監(jiān)測，還能夠在水位超限時啟動排水，或者在必要時人工啟動排水，這是在現(xiàn)有條件下有效解決積水問題的可行方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

積水水位在線監(jiān)測和主動排水系統(tǒng)的設(shè)計方案遵從下述指導(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 24V或直流 48V低壓供電，確保不引入額外的危險源 ；

(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)備選用有線通信方式，所有設(shè)備以及設(shè)備與后臺之間均采用脈搏信號實時傳遞自身狀態(tài)，實現(xiàn)高可靠的數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)感知 ；

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

(5) 靈活配置 ：一個水泵控制器和多個水位監(jiān)測點組成一個分組，系統(tǒng)由多個分組構(gòu)成，分組邏輯可靈活設(shè)置，適用于各種長度、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)場的水位采集器、水泵控制器和后臺管理系統(tǒng)構(gòu)成，現(xiàn)場設(shè)備與后臺系統(tǒng)間通過物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）實現(xiàn)無線組網(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，一個水泵控制器（含潛水泵和投入式水位傳感器）與多個水位采集器構(gòu)成一個分組。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 RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 ；水泵控制器內(nèi)含無線通信模塊（GPRS，NB-IoT或LoRa），與系統(tǒng)后臺之間實現(xiàn)雙向無線數(shù)據(jù)傳輸。水位采集器使用分段式水位傳感器實現(xiàn)對積水水位的定性測量，水泵控制器連接的投入式水位傳感器可實現(xiàn)對水位的精確定量測量。分段式水位傳感器的水位最小分辨率由磁感應(yīng)水位開關(guān)的垂直安裝位置決定（如最小安裝間隔為 100mm，相當(dāng)于最小水位分辨率為 100mm）；投入式水位傳感器的最小水位分辨率為 0.5 級。分段式水位傳感器可以滿足低成本、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，方便獲取隧道整體的水位分布（主要關(guān)注積水對電力電纜的浸沒情況）。水位采集器使用內(nèi)置電池工作，無需額外的電源供應(yīng)，無附帶安全隱患。

2 單元實現(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、無耗電、高可靠等因素， 選擇磁性水位開關(guān)作為分段式水位傳感器的最小單元。磁性水位開關(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，干簧管內(nèi)部觸點斷開，浮子浮起時，干簧管內(nèi)部觸點接通。磁性水位開關(guān)的優(yōu)點是全密封，電氣部分與外部高度絕緣，不受被測液體清濁、導(dǎo)電率高低等影響。磁性水位開關(guān)的兩種常見形式如圖 2 所示。

在一個水位測量點，將多個磁性水位開關(guān)按照監(jiān)測水位高度的不同，同時安裝在一條水位標(biāo)尺上，共同組成一個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個水位開關(guān)，在每層電纜橋架對應(yīng)設(shè)置 1個水位開關(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)定時采集分段式水位傳感器的各磁性水位開關(guān)通斷狀態(tài)，并轉(zhuǎn)換為該監(jiān)測點水位數(shù)值后，通過 RS 485 總線傳輸?shù)剿每刂破?。為避免引入外部電源可能帶來的潛在安全隱患，并降低布線成本，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。

圖 4 采集單元電路框圖

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)工作時間，再配合單片機的低功耗設(shè)計，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，對無線信號的傳輸較為不利，因此選用 RS 485 總線傳輸方式，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，最大揚程為 6.5 m。水泵自帶缺水、卡機、過熱智能保護(hù)功能。

（2）投入式水位傳感器

為實現(xiàn)更為精確的水位測量，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，測量精度可達(dá) 0.5 級（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)換為水位高度的測量值。

（3）控制單元

控制單元主要實現(xiàn)與系統(tǒng)后臺的無線通信，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。

為避免水泵電機啟停和外部電源波動等帶來的電源干擾，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。在水泵電源輸出端設(shè)置隔離式電壓和電流傳感器， 實時監(jiān)測水泵的工作狀態(tài)。

水泵啟 / 停狀態(tài)和工作電流的監(jiān)測使用霍爾直流電流互感器，在實現(xiàn)水泵工作電流監(jiān)測的同時實現(xiàn)水泵過流保護(hù)和啟停工作狀態(tài)識別 [6] ；外部供電電壓的監(jiān)測使用線性光電耦合傳感器，實時監(jiān)測控制器外部供電電壓 [7]，實現(xiàn)外部電源故障和停電自動報警。

3 數(shù)據(jù)傳輸與無線組網(wǎng)

在系統(tǒng)工作時，由水位采集器定時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的水位值打包后，定時集中上傳到后臺系統(tǒng)。水泵控制器同時上傳到后臺的還包括電源狀態(tài)、水泵運行狀態(tài)等信息。后臺系統(tǒng)可通過向水泵控制器發(fā)送無線指令，遠(yuǎn)程設(shè)置水泵啟動和關(guān)閉的臨界水位，水泵控制器根據(jù)臨界水位設(shè)定執(zhí)行對水泵的開啟和關(guān)閉控制 ；后臺系統(tǒng)也可通過發(fā)送指令，遠(yuǎn)程控制水泵開啟和關(guān)閉，適合于人工介入控制。系統(tǒng)各設(shè)備之間，以及設(shè)備與后臺之間的數(shù)據(jù)傳輸參考《電力電纜及通道在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》中約定的格式進(jìn)行編碼 [8]。

現(xiàn)場設(shè)備與后臺系統(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)議實現(xiàn)。GPRS 和 NB-IoT 存在日常的使用年費和流量費，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)頻段無其他日常費用等優(yōu)點，但在實現(xiàn)廣域覆蓋時，需要搭建私有網(wǎng)絡(luò) [9]。本系統(tǒng)基于可配置的設(shè)計思想，以通信模塊可更換的方式，在電路上同時兼容GPRS。NB-IoT 或者 LoRa 協(xié)議的使用可根據(jù)實際環(huán)境和對于傳輸控制的不同要求來靈活選擇。

隨著各大運營商物聯(lián)網(wǎng)公共平臺服務(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，以便進(jìn)一步提高使用效率和穩(wěn)定性，降低運行成本 [10]。

4 結(jié) 語

積水水位在線監(jiān)測和主動排水系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對隧道和電纜溝內(nèi)積水水位的實時動態(tài)監(jiān)測，還能夠在水位超限時啟動排水，或者在必要時人工啟動排水，這是在現(xiàn)有條件下有效解決電纜隧道或電纜溝內(nèi)長期積水問題的可行方法。以上系統(tǒng)的整體方案在實施時分步進(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排水和關(guān)鍵點水位監(jiān)測問題 ；然后，通過逐步增加部署水位采集器的數(shù)量，實現(xiàn)對電纜隧道或電纜溝全域覆蓋的實時動態(tài)水位監(jiān)測。