李明春（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

光伏及無線技術在城市電纜溝安全監(jiān)測中的應用探索

李明春（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

隨著城市化節(jié)奏的日益加快及居住人群的急劇增長，滿足居民生活所必須的基礎設施需求也顯著增加，與此相關的城市電纜溝數(shù)量及總里程也隨之急速增長。而電纜溝因其線路類型多、空間密閉、易積聚有毒有害及可燃氣體等特點日益成為危害城市人民生活的一大安全隱患。利用現(xiàn)有的固定式數(shù)據(jù)測量技術存在著投入成本高、維護困難等系列難題，為解決以上問題，本文提出利用光伏供電、無線數(shù)據(jù)傳輸技術實現(xiàn)城市電纜溝安全隱患狀況的實時監(jiān)測與就地處理功能。

光伏供電；低功耗；無線測量；氣體采集；安全監(jiān)測；無線傳輸

引言

目前國外廣泛采用共同溝管廊技術實現(xiàn)水、電、氣、通信設施的入溝管理，但國內目前仍大量使用電纜溝實現(xiàn)水、電、氣、通信設施的埋設處理，由于受城市地下環(huán)境及條件限制，電纜溝中的燃氣管線、電力線路、用水管路無法獨立成溝，各管路與線路之間經?；ハ嘟徊?，一旦管線或管路破損將滲透到其它管路或管線中形成嚴重安全隱患，若遇火花或熱源時極易發(fā)生爆炸，在檢修井蓋或其它連接處泄漏到地表對行人造成嚴重安全威脅。本文即是探討此種環(huán)境下數(shù)據(jù)信息的采集及設備供電問題，其主要原理是利用氣體傳感、狀態(tài)感知、液位探測、電量測量技術實現(xiàn)電纜溝內的環(huán)境信息探測，然后通過無線技術將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至調度中心的中心站軟件，相關設備的供電由光伏技術解決，以此徹底解決現(xiàn)有固定式采集技術成本高、建設耗時、維護困難等問題，此種技術成功應用后可解決目前電纜溝存在的安全隱患問題，具有極大的實際意義和社會價值。

1 光伏供電技術

光伏供電技術其實質是將太陽能轉化為電能的一整套技術，具體包括太陽能板模塊二次開發(fā)技術、電能采集控制轉換技術、充電控制技術、防過充防過放技術、蓄電池模塊二次開發(fā)技術，綜合以上技術可以實現(xiàn)太陽能到電能的能量轉換，同時通過蓄電池蓄能后能穩(wěn)定輸出24VDC供后端采集模塊使用。在充放電部分需要解決的兩個主要問題是過充及過放問題，過充方面指在太陽光較強烈時需要使用限壓技術確保向蓄電池充電時不能超過限定最高電壓，而在太陽光較弱時需要使用升壓技術確保提供給蓄電池的充電電壓不能低于限定最低電壓；過放方面指在蓄電池本身電量不足時不能向后端用電模塊持續(xù)供電，否則將會對蓄電池造成永久損害而導致無法繼續(xù)正常使用，即在蓄電池本身電量不足時控制電路能關閉其它非必要的用電模塊，在低于蓄電池的放電警界電量時控制電路能切斷其后端輸出，當蓄電池電量恢復至最低電量以上時才恢復其后端電量輸出。

1.1 數(shù)據(jù)采集前置信號放大處理技術

電纜溝環(huán)境中檢測各種氣體［2］（如O2、CO2、CO、H2S、SO2、NO2）、狀態(tài)、液位、電量數(shù)據(jù)時，從傳感器接收的原始信號比較微弱，不能夠滿足AD轉換器直接采樣的要求［3］，故需要對傳感器接收的原始信號進行前期處理（如信號放大、濾波、去噪、消除干擾等），經過以上處理后將二次信號交AD轉換器進行采樣即能分析計算出電纜溝環(huán)境中各種真實數(shù)據(jù)值。

1.2 低功耗設計技術

低功耗設計其目的是為了降低設備的單位功耗，而降低功耗主要指降低后端采集模塊的功耗，根據(jù)電纜溝的使用環(huán)境可以采用兩種技術降低采集模塊的功耗。①間隙式工作技術，即采集模塊工作一段時間后由CPU控制進入休眠狀態(tài)，在休眠狀態(tài)時采集模塊只消耗極少的電量以維護待機狀態(tài)，當休眠時間結束時由定時器喚醒采集模塊再次進入工作狀態(tài)，通過靈活設置工作狀態(tài)和休眠時長可節(jié)省50～80%的電量。②各種元器件選擇功耗小或具備主動能源管理功能的器件，如CPU選擇工作頻率動態(tài)調整的器件，即需要器件全速處理時即進入高速運算模式，只需器件作簡單運算處理時即進入低速模式，以此可以節(jié)省10～50%的電量。綜合以上兩種節(jié)能降耗模式可以將整個設備的功耗降低到傳統(tǒng)設計技術的1/3以下，通過低功耗設計可以使設備在連續(xù)數(shù)周陰天情況下保持正常運行。

1.3 高效率光伏轉換利用技術

目前常用的光伏技術是將太陽能轉換為電能后儲存于蓄電池中，由蓄電池統(tǒng)一供給后端用電模塊，此種方式的主要優(yōu)點是技術成熟可靠且設計簡單，存在的缺點是頻繁向蓄電池充放電會極大影響蓄電池的使用壽命［5］。針對此種情況提出一種蓄電池充用分離設計技術，即在太陽光較充足時將電能儲存于蓄電池中的同時直接向后端用電模塊供電，只有在太陽光微弱時才由蓄電池向后端用電模塊供電。此種方式需要解決太陽能板輸出電壓波動較大不能滿足后端用電模塊的用電穩(wěn)定性要求的問題，解決方式是配置大容量電容以滿足后端用電設備對供電端的要求。由于電容具有充電時間快、放電特性穩(wěn)定、充電次數(shù)不受限制等特點，可以解決蓄電池頻繁充電帶來的儲電性能及使用壽命下降問題。通過以上設計較傳統(tǒng)方式其充放電次數(shù)減少了一半以上，提高了光伏轉換利用效率。

2 環(huán)境數(shù)據(jù)無線傳輸技術

城市電纜溝經常布置在城市道路之下，傳統(tǒng)有線方式要采集電纜溝中的各種環(huán)境數(shù)據(jù)需要布設各種電纜及通信線纜，但由于電纜溝中環(huán)境惡劣接電不便［4］，造成傳統(tǒng)有線固定式采集方式布設困難維護不便。針對現(xiàn)場實際情況可采用無線傳輸將信號傳輸至調度中心。具體實現(xiàn)方式是采集設備采集現(xiàn)場的氣體濃度、液位高度、線纜溫度、煙霧濃度、電量等數(shù)據(jù)，然后通過專用處理電路運算分析后顯示在現(xiàn)場設備的顯示屏上，當有數(shù)據(jù)超限報警時能驅動聲光報警器報警同時啟動相應的控制設備完成關聯(lián)設備的控制，然后將實時數(shù)據(jù)及報警數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至調度中心，調度中心接收到數(shù)據(jù)經運算分析后進行報警及存儲處理。

無線傳輸?shù)膫鬏斝Ч麑Νh(huán)境有相應要求，電纜溝內的環(huán)境對無線信號傳輸有以下幾方面影響：電纜溝內的電力線纜對無線信號的電磁干擾［1］、電纜溝壁的多徑干擾影響無線信號傳輸速度及距離、電纜溝上層地表的大型建筑干擾無線信號傳輸。在設計無線發(fā)送功能模塊時需考慮以上多方面因素，同時可將天線設計成可伸縮式設計以實現(xiàn)更好的發(fā)送接收效果。

城市電纜溝內無線傳輸需要解決的其它難題主要是多個無線終端設備在傳輸信號時的碰撞處理，即在同一時刻有可能有多個監(jiān)測設備在同時發(fā)送數(shù)據(jù)，針對此種情況需采用碰撞處理算法解決，即監(jiān)測設備在發(fā)送數(shù)據(jù)時先偵聽網絡情況，只有當無線網絡空閑時才開始發(fā)送信號，一旦某監(jiān)測設備發(fā)送出去的信號與其它監(jiān)測設備發(fā)送的信號發(fā)生碰撞沖突時，所有監(jiān)測終端均停止發(fā)送數(shù)據(jù)同時每個監(jiān)測終端暫停一段隨機時間后再次偵聽并嘗試發(fā)送，如果再次發(fā)送信號仍然發(fā)送碰撞則繼續(xù)暫停一段更長的隨機時間，以此解決多終端發(fā)送信號時的碰撞問題。

3 采集處理與顯示分離設計技術

城市電纜溝處于地表以下，光伏供電需要將太陽能板置于地表以上能見到太陽光的位置，而環(huán)境數(shù)據(jù)采集則需要將相應的探頭置于地表以下的電纜溝中，針對此種情況需要將采集處理模塊置于地表下部的電纜溝中而將顯示供電置于地表以上，地表以上的顯示供電部分與地表以下的采集處理部分通過4芯電纜連接，其中2芯供電另外2芯傳輸數(shù)字信號?？蓪⑵浞殖傻乇盹@示供電傳輸與地下的采集處理控制兩部分，地下采集處理控制部分負責各種環(huán)境數(shù)據(jù)的采集處理及就地控制，所有數(shù)據(jù)通過數(shù)字信號傳輸至地表顯示供電傳輸部分，地表部分需顯示的環(huán)境數(shù)據(jù)信息解碼后通過顯示屏展示出來，同時將所有需上傳的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送出去。

4 現(xiàn)場應用設計研究

4.1 應用概述

電纜溝內各種線纜類型眾多，同時部分區(qū)域降雨量頻繁故溝內潮濕易結霧，針對此種情況地表以下采集處理控制部分需要將防護等級設計成IP68以上級別才能滿足實際使用要求，由于地表與地下部分存在連接電纜，為實現(xiàn)以上防護級別在結構設計時可將電纜以澆封方式實現(xiàn)全密封。同時地表部分需設計電源指示、無線信號指示、蓄電池充電指示、蓄電池剩余電量指示等功能以方便維護人員使用查看。

4.2 應用設計

電纜溝安全監(jiān)測從設備及應用層面主要包括現(xiàn)場采集傳輸設備、現(xiàn)場控制設備、調度中心軟件等幾部分。此種設計方式結構清晰同時易于擴展，當需要新增測點時只需要在現(xiàn)場增加監(jiān)測設備即可，設備安裝完畢后會自動將新測點數(shù)據(jù)上傳至調度中心，上位機軟件會根據(jù)新增測點發(fā)送的定位信息直接在地圖上定位并顯示新增測點的相關信息。

5 結語

本文從現(xiàn)場環(huán)境及技術實現(xiàn)上探討了利用光伏及無線技術實現(xiàn)電纜溝安全監(jiān)測的可行性及實用性，此項技術較傳統(tǒng)通用方式極大提高實用性的同時降低成本，在大面積推廣后可以解決目前電纜溝中的安全隱患問題，對于提高城市居民生活安全性以及低碳目標具有顯著的推廣價值。

［1］王朝偉.物聯(lián)網無線傳輸技術與應用［M］.2012：52～59.

［2］譚秋林.紅外光學氣體傳感器及檢測系統(tǒng)［M］.2013：102～105.

［3］孫萍，馮興.質量敏感型有毒有害氣體傳感器及陣列研究［M］.2015：23～27.

［4］嚴劍峰，周孝信.電力系統(tǒng)在線動態(tài)安全監(jiān)測與預警技術［M］.2015：151～153.

［5］巴普洛夫.鉛酸蓄電池科學與技術［M］.2015：35～39.

TM755

A

2095-2066（2016）28-0065-02

2016-9-18

李明春（1981-），男，漢族，重慶人，工程師，從事工業(yè)及礦山安全成套技術研究工作，主要從事安全監(jiān)控自動化系統(tǒng)、計算機軟件、嵌入式軟件的研究。