電力管線是現(xiàn)代城市地下管網(wǎng)的主要組成部分，是維系城市地上地下空間有效利用的重要方式，是一個城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)著信息傳輸、電力輸送等工作，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，有效地保障了城市經(jīng)濟發(fā)展和整體運行。隨著我國城市發(fā)展進程的加快，城市電力管線種類和數(shù)量也逐年增加。城市電網(wǎng)電纜化率逐年提升，北京、上海、南京、太原及西安等城市電纜化率均已達(dá)60%以上，地下電纜正逐漸取代架空導(dǎo)線成為城市電網(wǎng)的主要輸配電通道形式。

電力管線在國內(nèi)的建設(shè)已達(dá)數(shù)十年，由于長期運行在地下的封閉環(huán)境，多地電纜使用年限較長，風(fēng)險隱患增大，一旦電網(wǎng)管線在地下受到溫濕度、水、火及有害氣體等環(huán)境因素影響并達(dá)到一定破壞程度，又不能及時發(fā)現(xiàn)，會給整個城市的電力安全穩(wěn)定運行造成極其重大的社會和經(jīng)濟影響。

去年，重慶、西安、大連等地接連發(fā)生由電纜故障引起的大面積停電事故，城市電網(wǎng)安全運行面臨新的形勢，各主要大中城市電力公司相繼成立電纜運檢室。國家電網(wǎng)公司和各地政府對地下電纜安全運行高度重視。

針對地下管線設(shè)備當(dāng)前遇到的問題，實時監(jiān)測地下電力管線的環(huán)境信息、分析并展示預(yù)警信息可以有效地解決這些問題，由此本文提出環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計。本系統(tǒng)采用當(dāng)前成熟的監(jiān)測方法和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)，根據(jù)當(dāng)前傳感器技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，結(jié)合地下電力電纜線路的特點，設(shè)置必要的環(huán)境監(jiān)測項目，布置相應(yīng)的傳感器設(shè)備，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采樣。

此外，針對大量的地下電力管線設(shè)備，采用分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)和相應(yīng)的傳輸設(shè)備，自動采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并傳輸至環(huán)境監(jiān)測中心的計算機，監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行實時計算分析，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到警戒閾值時立即發(fā)出告警通知，實現(xiàn)對電纜及通道狀態(tài)的全天候在線自動化實時監(jiān)測，便于管理人員對電纜設(shè)備及其通道的環(huán)境信息及時掌控，進而做出準(zhǔn)備判斷，為安全運行提供保障。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 平臺設(shè)計

地下電網(wǎng)管線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計如圖1所示，采用現(xiàn)有的智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)平臺（D5000）及準(zhǔn)實時平臺兩平臺相結(jié)合的方式，前者支撐實時監(jiān)控業(yè)務(wù)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、計算統(tǒng)計、數(shù)據(jù)記錄及告警服務(wù)等；后者支撐管理類業(yè)務(wù)，包括地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS）服務(wù)、告警定位、數(shù)據(jù)查詢及報表等。系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)監(jiān)測環(huán)境信息，分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集功能。

圖1 總體架構(gòu)圖

1.2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用包括資源層、數(shù)據(jù)層、平臺服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層和應(yīng)用層5層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1）資源層。通過對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器設(shè)備、存儲設(shè)備及安全設(shè)備等硬件資源進行虛擬化，為上層提供抽象資源。

2）數(shù)據(jù)層。提供模型數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)及地理信息等數(shù)據(jù)的持久化存儲。

圖2 軟件架構(gòu)圖

3）平臺服務(wù)層?；跍?zhǔn)實時開放軟件開發(fā)平臺以及WebGIS，為上層應(yīng)用提供基礎(chǔ)服務(wù)，包括消息總線、服務(wù)總線、報表服務(wù)、告警服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問、權(quán)限服務(wù)及GIS服務(wù)等。

4）應(yīng)用服務(wù)層。利用平臺提供的服務(wù)，通過封裝，對上層應(yīng)用提供與業(yè)務(wù)相關(guān)的服務(wù)，包括空間分析服務(wù)、拓?fù)浞治龇?wù)、查詢定位服務(wù)及畫面瀏覽服務(wù)等。

5）應(yīng)用層。主要包括兩大模塊，設(shè)備管理模塊包含模型管理、臺賬管理及設(shè)備變更管理三部分；環(huán)境監(jiān)測管理模塊包含地下電網(wǎng)管線設(shè)備的溫濕度、水位、消防、有毒氣體及門禁等環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測，環(huán)境歷史數(shù)據(jù)管理，狀態(tài)分析評估，異常狀態(tài)預(yù)警，以及異常設(shè)備定位等功能。

1.3 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)從業(yè)務(wù)功能上分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和環(huán)境監(jiān)測管理，數(shù)據(jù)采集需要在地下電網(wǎng)管線及其管廊內(nèi)布點傳感器，包括溫濕度監(jiān)測、氣體監(jiān)測及積水監(jiān)測等，轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號后通過無線網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)采交換機上傳至前置數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，由于系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，需要分別部署信息交換服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等，經(jīng)過業(yè)務(wù)處理后，在工作站進行系統(tǒng)展示業(yè)務(wù)。如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

2 業(yè)務(wù)功能需求

1）設(shè)備臺賬管理

電網(wǎng)地下管線設(shè)備臺賬信息維護主要負(fù)責(zé)維護設(shè)備臺賬信息與空間信息，如拓?fù)湫畔ⅰ⑾鄬ψ鴺?biāo)等，以及臺賬信息與設(shè)備模型的映射關(guān)系。

設(shè)備臺賬查詢：根據(jù)設(shè)備模型、設(shè)備編號及設(shè)備型號等關(guān)鍵信息實現(xiàn)對應(yīng)設(shè)備臺賬信息的查詢統(tǒng)計。

2）設(shè)備數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)是系統(tǒng)的最底層模塊，通過傳感器技術(shù)獲取相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要涉及電網(wǎng)地下管線所處的管廊內(nèi)的溫濕度、積水、有害氣體濃度、門禁狀態(tài)及消防等信息。根據(jù)不同的要求接入傳感器，并通過通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測信號引出到地面，再通過無線通信技術(shù)服務(wù)（general packet radio service, GPRS）傳輸?shù)街行南到y(tǒng)，完成整體的環(huán)境數(shù)據(jù)采集。

本文針對大批量數(shù)據(jù)的采集要求，采用分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)。

3）環(huán)境數(shù)據(jù)處理

將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分類處理，分別實時記錄至對應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)不同環(huán)境信息的閾值標(biāo)準(zhǔn)，進行計算分析，自動列出異常信息。同時對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)分析與對比功能，可以有效地預(yù)測信息發(fā)展趨勢。

4）異常信息告警

將采集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行處理與分析，對超出設(shè)定閾值的環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)置為數(shù)據(jù)異常情況，實時進行告警提示，管理者收到預(yù)警后，可以實時對地下電力管線的相關(guān)設(shè)施進行處理，防止高危情況 發(fā)生。

5）地理圖信息展示

通過地理圖形式展示地下電力管線的設(shè)備定位信息，包括設(shè)備臺賬信息和實時數(shù)據(jù)監(jiān)測信息，并對出現(xiàn)異常提示的設(shè)備做出顯著標(biāo)識，可以清晰展示設(shè)備的環(huán)境狀態(tài)信息和地理定位信息。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 環(huán)境監(jiān)測技術(shù)

經(jīng)過多年來的研究與應(yīng)用，傳感器技術(shù)已成功應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，本系統(tǒng)采用傳感器裝置布點在電網(wǎng)地下管線的相應(yīng)位置，監(jiān)測周圍環(huán)境或特殊物質(zhì)，包括溫濕度、水位、有害氣體及消防等，把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，通過中央處理器的處理，將環(huán)境信息最終轉(zhuǎn)變成溫濕度參數(shù)、有害氣體濃度參數(shù)及消防信號參數(shù)等，通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，便于進行數(shù)據(jù)管理。

由于地下管廊較長，需選擇合適的距離對環(huán)境信息進行監(jiān)測，傳感器和報警器監(jiān)測的布點要求如下：

• 1）對于監(jiān)測溫濕度數(shù)據(jù)可200m設(shè)置一個測點。
• 2）對于積水傳感器的設(shè)置應(yīng)選擇低洼或易積水區(qū)域。
• 3）氣體探測器應(yīng)安裝在管廊內(nèi)人員出入口和通風(fēng)口處。
• 4）門禁控制器設(shè)置在管廊出入口及不同設(shè)備分隔區(qū)。
• 5）消防監(jiān)測器在每個防火分區(qū)進行布點設(shè)置。

3.2 分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)

1）數(shù)據(jù)采集任務(wù)動態(tài)分配

數(shù)據(jù)采集任務(wù)動態(tài)分配根據(jù)電網(wǎng)地下管線的分區(qū)管理，采用負(fù)載均衡技術(shù)，將各分區(qū)的管線設(shè)備數(shù)據(jù)采集任務(wù)分別歸屬惟一的前置機負(fù)責(zé)，由此每臺前置機數(shù)據(jù)采集的范圍是不存在交集的，各前置機將完成數(shù)據(jù)采集后的數(shù)據(jù)送往應(yīng)用層，形成統(tǒng)一的全系統(tǒng)數(shù)據(jù)合集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全系統(tǒng)共享。

其中前置機集群的創(chuàng)建采用主機和備機相結(jié)合的方式；在一個前置集群中，應(yīng)用主機只有一臺，備機可以有多臺，并且任一臺前置機均可作為主機和備機切換使用，所以當(dāng)一臺前置應(yīng)用主機出現(xiàn)故障時，優(yōu)先級高的備機自動轉(zhuǎn)變?yōu)榍爸脩?yīng)用主機。如圖4所示。

圖4 前置機集群

2）負(fù)載均衡技術(shù)

前置采集任務(wù)以管線設(shè)備分區(qū)通道為單位進行分配，首先系統(tǒng)初始化是根據(jù)系統(tǒng)資源的狀態(tài)將任務(wù)部署到各個節(jié)點，使各個節(jié)點的資源負(fù)載處在均衡狀態(tài)。假設(shè)有12個通道狀態(tài)，初始化完成后的任務(wù)分布示例見表1。

表1 初始化任務(wù)分配表

定期從系統(tǒng)的資源管理功能獲取資源狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)負(fù)載最高的節(jié)點與負(fù)載最低節(jié)點的負(fù)載差異大于一定閾值時，可自動將一個負(fù)載最高節(jié)點的任務(wù)遷移到負(fù)載最低的節(jié)點，直至差異小于閾值時停止。

新采集節(jié)點加入系統(tǒng)后，從資源管理模塊獲取資源狀態(tài)，按照負(fù)載均衡原則將其他采集節(jié)點上的部分采集任務(wù)遷移到該新加入的采集節(jié)點上。同理，采集節(jié)點由于故障等原因需要刪除時，同樣按照負(fù)載均衡原則將該節(jié)點上的任務(wù)分配并遷移到其他使用中的采集節(jié)點上。

4 應(yīng)用情況

地下電網(wǎng)管線的環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)已完成整體設(shè)計開發(fā)，并將應(yīng)用于南京、北京等地的地下管線管理系統(tǒng)，項目通過利用各種在線監(jiān)測、檢測、巡檢及試驗等技術(shù)手段，采集電纜及通道運行的相應(yīng)環(huán)境數(shù)據(jù)，通過計算、分析及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常和隱患，從而減少非計劃停電事故的發(fā)生。

圖5展示了在線監(jiān)測各類環(huán)境數(shù)據(jù)裝置所布點的位置，以不同顏色閃爍圖標(biāo)顯示在線監(jiān)測預(yù)警的等級和設(shè)備位置。圖6展示地下電力管線設(shè)備的臺賬管理界面，可查看設(shè)備的位置信息和具體的本體及管理信息。

圖5 監(jiān)測控制界面

圖6 設(shè)備臺賬管理界面

結(jié)論

本文緊密結(jié)合地下電網(wǎng)管線的問題現(xiàn)狀和不斷增加的覆蓋需求，對針對地下電網(wǎng)管線的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)作了較深入細(xì)致的研究與設(shè)計。系統(tǒng)實現(xiàn)了地下電力管線設(shè)備的臺賬管理、數(shù)據(jù)采集處理、告警通知、GIS展示等應(yīng)用功能，其中的傳感器技術(shù)對影響管線的環(huán)境因素數(shù)據(jù)進行監(jiān)測與轉(zhuǎn)換，分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)對大批量管線設(shè)備的環(huán)境數(shù)據(jù)進行高效的采集上傳。

整體系統(tǒng)的設(shè)計和對關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用改變了人工巡察的工作模式，提高了系統(tǒng)的實時性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，保障了城市的電力安全可靠性，對地下管線的自動化管理有著重要的意義。并且隨著地下管線城市化覆蓋面的不斷增加，相關(guān)技術(shù)的不斷研究與完善，地下電網(wǎng)管線的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將得到越來越廣泛的應(yīng)用，是未來電力發(fā)展的一個重要方向。