地下电网管线的环境监测系统研究与设计
国电南瑞科技股份有限公司的研究人员曹连连、姜晓慧、钱玉麟、张可新，在2019年第10期《电气技术》杂志上撰文指出，地下电网管线的大面积建设，导致地下电力管线数量大批增加，这些设备承担着传输城市电力供应的重要作用。由于长期深埋地下，电网管线受环境影响显著，一旦产生故障，对城市电力的影响极大。
本文设计了一种地下电网管线的环境监测系统，通过传感器技术实时监测地下电网管线环境信息，可以显著降低人工巡察的工作强度和安全隐患。针对地下管线设备的大批量增加，分布式数据采集技术可有效地提高海量数据采集效率，从而提升采集的可扩展性和系统的可维护性，进而保证了数据的准确性、采集的高效性和系统的可靠性。
电力管线是现代城市地下管网的主要组成部分，是维系城市地上地下空间有效利用的重要方式，是一个城市重要的基础设施，担负着信息传输、电力输送等工作，是城市赖以生存和发展的物质基础，有效地保障了城市经济发展和整体运行。随着我国城市发展进程的加快，城市电力管线种类和数量也逐年增加。城市电网电缆化率逐年提升，北京、上海、南京、太原及西安等城市电缆化率均已达60%以上，地下电缆正逐渐取代架空导线成为城市电网的主要输配电通道形式。
电力管线在国内的建设已达数十年，由于长期运行在地下的封闭环境，多地电缆使用年限较长，风险隐患增大，一旦电网管线在地下受到温湿度、水、火及有害气体等环境因素影响并达到一定破坏程度，又不能及时发现，会给整个城市的电力安全稳定运行造成极其重大的社会和经济影响。
去年，重庆、西安、大连等地接连发生由电缆故障引起的大面积停电事故，城市电网安全运行面临新的形势，各主要大中城市电力公司相继成立电缆运检室。国家电网公司和各地政府对地下电缆安全运行高度重视。
针对地下管线设备当前遇到的问题，实时监测地下电力管线的环境信息、分析并展示预警信息可以有效地解决这些问题，由此本文提出环境监测系统的研究与设计。本系统采用当前成熟的监测方法和现代网络信息化技术，根据当前传感器技术的快速发展与应用，结合地下电力电缆线路的特点，设置必要的环境监测项目，布置相应的传感器设备，实现对数据的采样。
此外，针对大量的地下电力管线设备，采用分布式数据采集技术和相应的传输设备，自动采集监测数据并传输至环境监测中心的计算机，监测系统对数据进行实时计算分析，当数据达到警戒阈值时立即发出告警通知，实现对电缆及通道状态的全天候在线自动化实时监测，便于管理人员对电缆设备及其通道的环境信息及时掌控，进而做出准备判断，为安全运行提供保障。
1 系统方案设计
1.1 平台设计
地下电网管线环境监测系统的整体设计如图1所示，采用现有的智能电网调度技术支持系统平台（D5000）及准实时平台两平台相结合的方式，前者支撑实时监控业务，包括数据采集、数据处理、计算统计、数据记录及告警服务等；后者支撑管理类业务，包括地理信息系统（geographic information system, GIS）服务、告警定位、数据查询及报表等。系统采用传感器技术监测环境信息，分布式数据采集技术实现环境数据的采集功能。
图1 总体架构图
1.2 软件设计
本系统的软件设计采用包括资源层、数据层、平台服务层、应用服务层和应用层5层结构，如图2所示。
1）资源层。通过对网络设备、服务器设备、存储设备及安全设备等硬件资源进行虚拟化，为上层提供抽象资源。
2）数据层。提供模型数据、业务数据、运行数据及地理信息等数据的持久化存储。
图2 软件架构图
3）平台服务层。基于准实时开放软件开发平台以及WebGIS，为上层应用提供基础服务，包括消息总线、服务总线、报表服务、告警服务、数据访问、权限服务及GIS服务等。
4）应用服务层。利用平台提供的服务，通过封装，对上层应用提供与业务相关的服务，包括空间分析服务、拓扑分析服务、查询定位服务及画面浏览服务等。
5）应用层。主要包括两大模块，设备管理模块包含模型管理、台账管理及设备变更管理三部分；环境监测管理模块包含地下电网管线设备的温湿度、水位、消防、有毒气体及门禁等环境数据监测，环境历史数据管理，状态分析评估，异常状态预警，以及异常设备定位等功能。
1.3 硬件设计
本系统从业务功能上分为数据采集、数据处理和环境监测管理，数据采集需要在地下电网管线及其管廊内布点传感器，包括温湿度监测、气体监测及积水监测等，转化为数据信号后通过无线网络、无线数采交换机上传至前置数据采集服务器，由于系统的业务需求，需要分别部署信息交换服务器、数据库服务器、应用服务器等，经过业务处理后，在工作站进行系统展示业务。如图3所示。
图3 硬件结构图
2 业务功能需求
1）设备台账管理
电网地下管线设备台账信息维护主要负责维护设备台账信息与空间信息，如拓扑信息、相对坐标等，以及台账信息与设备模型的映射关系。
设备台账查询：根据设备模型、设备编号及设备型号等关键信息实现对应设备台账信息的查询统计。
2）设备数据采集
数据采集业务是系统的最底层模块，通过传感器技术获取相应的环境监测数据，主要涉及电网地下管线所处的管廊内的温湿度、积水、有害气体浓度、门禁状态及消防等信息。根据不同的要求接入传感器，并通过通信网络将监测信号引出到地面，再通过无线通信技术服务（general packet radio service, GPRS）传输到中心系统，完成整体的环境数据采集。
本文针对大批量数据的采集要求，采用分布式数据采集技术。
3）环境数据处理
将采集到的环境数据进行分类处理，分别实时记录至对应设备的数据库中。根据不同环境信息的阈值标准，进行计算分析，自动列出异常信息。同时对历史监测数据，提供数据分析与对比功能，可以有效地预测信息发展趋势。
4）异常信息告警
将采集到的监控数据进行处理与分析，对超出设定阈值的环境数据，设置为数据异常情况，实时进行告警提示，管理者收到预警后，可以实时对地下电力管线的相关设施进行处理，防止高危情况 发生。
5）地理图信息展示
通过地理图形式展示地下电力管线的设备定位信息，包括设备台账信息和实时数据监测信息，并对出现异常提示的设备做出显著标识，可以清晰展示设备的环境状态信息和地理定位信息。
3 系统关键技术
3.1 环境监测技术
经过多年来的研究与应用，传感器技术已成功应用到电力系统中，本系统采用传感器装置布点在电网地下管线的相应位置，监测周围环境或特殊物质，包括温湿度、水位、有害气体及消防等，把模拟信号转化成数字信号，通过中央处理器的处理，将环境信息最终转变成温湿度参数、有害气体浓度参数及消防信号参数等，通过无线传输网络将数据上传至服务器，便于进行数据管理。
由于地下管廊较长，需选择合适的距离对环境信息进行监测，传感器和报警器监测的布点要求如下：
1）对于监测温湿度数据可200m设置一个测点。
2）对于积水传感器的设置应选择低洼或易积水区域。
3）气体探测器应安装在管廊内人员出入口和通风口处。
4）门禁控制器设置在管廊出入口及不同设备分隔区。
5）消防监测器在每个防火分区进行布点设置。
3.2 分布式数据采集技术
1）数据采集任务动态分配
数据采集任务动态分配根据电网地下管线的分区管理，采用负载均衡技术，将各分区的管线设备数据采集任务分别归属惟一的前置机负责，由此每台前置机数据采集的范围是不存在交集的，各前置机将完成数据采集后的数据送往应用层，形成统一的全系统数据合集，实现数据的全系统共享。
其中前置机集群的创建采用主机和备机相结合的方式；在一个前置集群中，应用主机只有一台，备机可以有多台，并且任一台前置机均可作为主机和备机切换使用，所以当一台前置应用主机出现故障时，优先级高的备机自动转变为前置应用主机。如图4所示。
图4 前置机集群
2）负载均衡技术
前置采集任务以管线设备分区通道为单位进行分配，首先系统初始化是根据系统资源的状态将任务部署到各个节点，使各个节点的资源负载处在均衡状态。假设有12个通道状态，初始化完成后的任务分布示例见表1。
表1 初始化任务分配表
定期从系统的资源管理功能获取资源状态，当发现负载最高的节点与负载最低节点的负载差异大于一定阈值时，可自动将一个负载最高节点的任务迁移到负载最低的节点，直至差异小于阈值时停止。
新采集节点加入系统后，从资源管理模块获取资源状态，按照负载均衡原则将其他采集节点上的部分采集任务迁移到该新加入的采集节点上。同理，采集节点由于故障等原因需要删除时，同样按照负载均衡原则将该节点上的任务分配并迁移到其他使用中的采集节点上。
4 应用情况
地下电网管线的环境监测与预警系统已完成整体设计开发，并将应用于南京、北京等地的地下管线管理系统，项目通过利用各种在线监测、检测、巡检及试验等技术手段，采集电缆及通道运行的相应环境数据，通过计算、分析及时发现设备的异常和隐患，从而减少非计划停电事故的发生。
图5展示了在线监测各类环境数据装置所布点的位置，以不同颜色闪烁图标显示在线监测预警的等级和设备位置。图6展示地下电力管线设备的台账管理界面，可查看设备的位置信息和具体的本体及管理信息。
图5 监测控制界面
图6 设备台账管理界面
本文紧密结合地下电网管线的问题现状和不断增加的覆盖需求，对针对地下电网管线的环境监测系统作了较深入细致的研究与设计。系统实现了地下电力管线设备的台账管理、数据采集处理、告警通知、GIS展示等应用功能，其中的传感器技术对影响管线的环境因素数据进行监测与转换，分布式数据采集技术对大批量管线设备的环境数据进行高效的采集上传。
整体系统的设计和对关键技术的应用改变了人工巡察的工作模式，提高了系统的实时性、准确性和稳定性，保障了城市的电力安全可靠性，对地下管线的自动化管理有着重要的意义。并且随着地下管线城市化覆盖面的不断增加，相关技术的不断研究与完善，地下电网管线的环境监测系统将得到越来越广泛的应用，是未来电力发展的一个重要方向。