國網(wǎng)青海省電力公司海東供電公司 談生磊 侯天錄 姜永宏 張首旺 楊 霄 青海大學(xué)水利電力學(xué)院 馬璽堯

當(dāng)前，對地埋電纜的安全維護通常采用人工巡視的方式，該種方式下存在以下問題：地埋電纜數(shù)量大，有限的維護人員無法做到完全掌握電纜狀態(tài)；地面挖掘施工地點和時間隨機性大，巡視人員無法做到100%發(fā)現(xiàn)施工挖掘，因此傳統(tǒng)的人工巡視無法實現(xiàn)對地埋電纜損傷危害的預(yù)警目的。

本文針對以上情況，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)通訊及云端服務(wù)技術(shù)的地埋電纜防開挖破壞預(yù)警裝置，采用技術(shù)手段監(jiān)測地埋電纜路徑上的開挖動作，將異常信息通過短信網(wǎng)關(guān)發(fā)送至維護人員手機，實現(xiàn)對地埋電纜開挖破壞的預(yù)警功能，可以為地埋電纜免受施工開挖損壞提供主動的，技術(shù)性的保障。

在我國，電纜入地已成為電力建設(shè)的一種趨勢。隨著各種工程建設(shè)的開展，地埋電纜受到地埋開挖破壞的事故時有發(fā)生，造成線路損傷、跳閘，嚴(yán)重危及電網(wǎng)安全，影響社會各界的有序用電，造成較大的經(jīng)濟損失，嚴(yán)重時甚至危及施工人員生命。為了避免地埋電纜的損傷，當(dāng)前傳統(tǒng)的方式為人工巡視所有電纜線路路徑[1]，該種方式會耗費大量的人力物力，加上現(xiàn)有地埋電纜數(shù)量巨大，電力部門很難抽出足夠的人手，對地埋電纜進行全面的巡視管理。因此，傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)對地埋電纜挖掘破壞的防護。

針對當(dāng)前地埋電纜防開挖破壞預(yù)警的需求，本項目研究了一套地埋電纜防開挖破壞預(yù)警裝置，采用微功耗傳感器，對目標(biāo)電纜進行危害特征的監(jiān)測，采用物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，將異常信息發(fā)送至云端服務(wù)器，采用云端應(yīng)用進行監(jiān)測裝置管理、信息收集存儲、異常信息轉(zhuǎn)換、發(fā)送預(yù)警短信，對監(jiān)測到的可能危害電纜安全的信息提前預(yù)警，發(fā)送至管理維護人員手機上，以彌補傳統(tǒng)巡視中的不足，實現(xiàn)被動處理事故向主動監(jiān)測事故苗頭的轉(zhuǎn)換，由事故后處理向事故前預(yù)防轉(zhuǎn)換，避免地埋電纜受到地面開挖破壞[2]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)通訊及云端服務(wù)的地埋電纜防開挖破壞預(yù)警裝置的組成和應(yīng)用

1.1 整體結(jié)構(gòu)組成分析

本項目基于物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)和云服務(wù)技術(shù)，由微功耗計算平臺搭載姿態(tài)傳感器和物聯(lián)網(wǎng)通訊組件，組成現(xiàn)場監(jiān)測裝置；由云端服務(wù)器實現(xiàn)信息存儲、預(yù)警信息轉(zhuǎn)換與裝置管理；瀏覽器系統(tǒng)前端用于實現(xiàn)系統(tǒng)人機交互；由用戶移動電話端實現(xiàn)預(yù)警信息接收。整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 監(jiān)測裝置設(shè)計與應(yīng)用

原理：地面挖掘施工過程中，需要采用機械手段，對地面施加機械力實現(xiàn)地面挖掘，在挖掘過程中，會形成多種地面的振動。本項目中，采用姿態(tài)傳感器來監(jiān)測地面是否存在開挖形成的振動信息。姿態(tài)傳感器融合了加速度傳感器和角速度傳感器。地面的正?；顒樱洚a(chǎn)生的振幅和位移都較小，其頻率特征也與挖掘不同，由程序算法將開挖特征與正常人員車輛活動的機械振動特征進行區(qū)分判斷。

功能設(shè)計。監(jiān)測裝置需要通過硬件及軟件設(shè)計，實現(xiàn)：振動監(jiān)測、振動數(shù)據(jù)運算分析、異常數(shù)據(jù)發(fā)送、低功耗運行等幾方面功能。

監(jiān)測裝置組成。監(jiān)測裝置主要由微功耗處理器、姿態(tài)傳感器、物聯(lián)網(wǎng)通訊組件三大部分組成，以高能長效電池供電運行。配合防水外殼，可以安裝在電纜路徑的地面實現(xiàn)對電纜上方地面開挖的預(yù)警監(jiān)測功能。

一是微功耗處理器：處理器是進行特征運算和運行控制的關(guān)鍵器件。本項目選用Cortex M0內(nèi)核的處理器，其兼顧了功耗與運算性能，為本項目提供運算保障。二是姿態(tài)傳感器：本項目選用微功耗6軸加速度姿態(tài)傳感器，實現(xiàn)姿態(tài)感知與低功耗等項目要求。傳感器不需要獨立供電，由處理器的GPIO 端口進行供電。精簡組件設(shè)計，提高可靠性，進一步降低功耗。三是物聯(lián)網(wǎng)通訊組件：監(jiān)測裝置采用物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）通訊方式來實現(xiàn)信息及指令的傳輸。

本項目需要在電纜路徑的全程進行監(jiān)控，監(jiān)測裝置數(shù)量也較多，地域分布廣，需要低功耗，低成本的數(shù)據(jù)傳輸方式來完成數(shù)據(jù)傳輸。NB-IoT 的四大特點：一是廣覆蓋；二是具備大連接能力；三是更低功耗；四是低成本，便于大面積應(yīng)用[3]。

NB-IOT 的應(yīng)用場景：NB-IoT 所支持的應(yīng)用場景通常具有低速率、高時延、低頻次、弱移動性的屬性，適合于數(shù)據(jù)量小的智能型傳感器應(yīng)用?；谝陨咸卣?，本項目采用物聯(lián)網(wǎng)通訊方式較為合適。

應(yīng)用。本項目的監(jiān)測裝置，設(shè)計了防水抗壓外殼，安裝在路面需要監(jiān)測的電纜路徑上方，與地面齊平，不影響路面功能的同時實現(xiàn)對電纜路徑上的開挖動作實現(xiàn)監(jiān)測。應(yīng)用場景圖如圖2所示。

圖2 應(yīng)用場景圖

1.3 云端服務(wù)器的功能設(shè)計與應(yīng)用

本項目現(xiàn)場監(jiān)測裝置的信息，通過物聯(lián)網(wǎng)通訊模式，發(fā)送至云端服務(wù)器進行處理轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)存儲，并通過服務(wù)器的短信網(wǎng)關(guān)，向維護人員發(fā)送預(yù)警短信。云端服務(wù)器應(yīng)用方案相對于單位自己的計算機服務(wù)器，有著以下優(yōu)勢。

1.3.1 更優(yōu)的整體性能

云服務(wù)器在整體性能上，全面勝過企業(yè)自己搭建服務(wù)器。利用彈性計算優(yōu)勢，避免了傳統(tǒng)服務(wù)器的性能則受制于固有硬件參數(shù)。

1.3.2 更低的采購成本

企業(yè)自行搭建服務(wù)器須獨自購買大量的物理機器，且隨著服務(wù)器技術(shù)的升級換代，企業(yè)還要承擔(dān)技術(shù)迭代，更新設(shè)備的費用。而云服務(wù)器方式，企業(yè)只須為自己的所用付費，無須承擔(dān)設(shè)備采購成本。云服務(wù)器的規(guī)模效應(yīng)分解到企業(yè)上，成本就變的非常低，同時設(shè)備升級的費用也由云服務(wù)商承擔(dān)，大大減輕了企業(yè)壓力。

1.3.3 根據(jù)需求定制解決方案

云計算的優(yōu)勢之一，就是以“需求為導(dǎo)向，依據(jù)企業(yè)自身的特點定制解決方案。實現(xiàn)資源高效利用，不浪費。

1.3.4 運維管理輕松省心

企業(yè)自行搭建服務(wù)器需要大量技術(shù)人員運行、維護，同時還要應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)安全的威脅，日常成本較高。而云服務(wù)商不僅擁有專業(yè)的技術(shù)能力，同時具有較強、專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)安全能力。因此，本項目以云端應(yīng)用來實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測裝置的管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

云端應(yīng)用的功能設(shè)計。一是用戶登錄鑒權(quán)。應(yīng)用中設(shè)計了有三級權(quán)限的賬戶，對應(yīng)實現(xiàn)不同的管理功能，如添加班組，添加刪除電纜名稱，添加刪除監(jiān)測裝置等。以不同權(quán)限實現(xiàn)不同的操作，避免誤操作。二是數(shù)據(jù)庫設(shè)計。本項目使用MySQL 數(shù)據(jù)庫，其體積小、速度快、成本低，用于實現(xiàn)設(shè)備信息的存儲、監(jiān)測數(shù)據(jù)與信息的存儲、上下行指令與消息隊列的轉(zhuǎn)換等功能。三是數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計。數(shù)據(jù)傳輸主要是分為四大模塊，分別為賬戶信息、mqtt 服務(wù)配置信息、設(shè)備信息、消息推送；賬戶信息主要存儲管理端、用戶端、后臺Server管理端的信息；mqtt 服務(wù)配置信息主要用于配置、監(jiān)控、管理MQTT 服務(wù)器運行狀態(tài)，其中包含MQTTClient 連接管理、MQTTTopic 訂閱管理、MQTTServer 端服務(wù)管理；設(shè)備信息主要是存儲檢測設(shè)備的設(shè)備安裝信息、設(shè)備狀態(tài)信息、設(shè)備連接MQTT 服務(wù)器配置信息；消息推送模塊負(fù)責(zé)管理消息隊列，用于推送下行指示信息、下行配置指令信息、客戶端設(shè)備異常推送、客戶端下行信息推送、管理端信息推送。

云端應(yīng)用實現(xiàn)的功能。云端應(yīng)用最終實現(xiàn)的功能包括：一是用戶登錄鑒權(quán)；二是以列表方式顯示監(jiān)測裝置狀態(tài)；三是以地圖和圖示方式顯示監(jiān)測裝置狀態(tài)；四是存儲記錄監(jiān)測裝置的地理位置和電纜名稱等信息；五是展示異常預(yù)警信息；六是推送預(yù)警短信至設(shè)定的維護人員手機。

云端應(yīng)用的展示方式。本項目的展示終端采用B/S 架構(gòu)，無須在用戶電腦端安裝終端軟件，只須要具備能夠正常運行及具備寬帶的電腦，使用瀏覽器即可登錄操作。對電腦、系統(tǒng)及瀏覽器版本限制較少。系統(tǒng)主要界面展示如圖3、圖4所示。

圖3 云端應(yīng)用系統(tǒng)主界面

圖4 監(jiān)測裝置地圖方式顯示效果展示圖

2 項目總結(jié)

本項目基于物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)、云端服務(wù)器，結(jié)合云端應(yīng)用，手機短信等先進技術(shù)手段，實現(xiàn)地埋電纜地面挖掘振動的監(jiān)測、異常信息傳輸，短信預(yù)警，設(shè)備可視化管理等功能，打造了基于物聯(lián)網(wǎng)通訊及云端服務(wù)的地埋電纜防開挖破壞預(yù)警裝置，助力地下電纜、管廊等設(shè)施的防開挖破壞安全維護，將傳統(tǒng)的人員撒網(wǎng)式巡視，轉(zhuǎn)換為定點監(jiān)測，實現(xiàn)由“人防”到“技防”轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)由“被動處理”到“主動預(yù)防”的轉(zhuǎn)變。本項目的應(yīng)用，其對地下電纜的防護效果取得了質(zhì)的飛躍，挖掘破壞隱患預(yù)警水平同步提升，以技術(shù)手段實現(xiàn)電纜運行的安全性和可靠性提升。