引 言

對(duì)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(zhǎng)期浸水，電纜接頭不能浸水 [1]，電纜隧道和電纜溝在設(shè)計(jì)和建造過程中也相應(yīng)做了防水、排水處理 [2]。但是在實(shí)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(shí)排除，很容易將隧道內(nèi)的電纜淹沒，輕則因無(wú)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(cái)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(cè)和主動(dòng)排水系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道和電纜溝內(nèi)積水水位的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還能夠在水位超限時(shí)啟動(dòng)排水，或者在必要時(shí)人工啟動(dòng)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(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

積水水位在線監(jiān)測(cè)和主動(dòng)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(xiǎn)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(tái)之間均采用脈搏信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞自身狀態(tài)，實(shí)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(wú)源傳感器和低功耗技術(shù)，水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)在自供電情況下可連續(xù)工作 3 年以上 ；

(5) 靈活配置 ：一個(gè)水泵控制器和多個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成一個(gè)分組，系統(tǒng)由多個(gè)分組構(gòu)成，分組邏輯可靈活設(shè)置，適用于各種長(zhǎng)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(chǎng)的水位采集器、水泵控制器和后臺(tái)管理系統(tǒng)構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與后臺(tái)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(gè)水泵控制器（含潛水泵和投入式水位傳感器）與多個(gè)水位采集器構(gòu)成一個(gè)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(wú)線通信模塊（GPRS，NB-IoT或LoRa），與系統(tǒng)后臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)雙向無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。水位采集器使用分段式水位傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)積水水位的定性測(cè)量，水泵控制器連接的投入式水位傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的精確定量測(cè)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(jí)。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(gè)，方便獲取隧道整體的水位分布（主要關(guān)注積水對(duì)電力電纜的浸沒情況）。水位采集器使用內(nèi)置電池工作，無(wú)需額外的電源供應(yīng)，無(wú)附帶安全隱患。

2 單元實(shí)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(wú)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(shí)，干簧管內(nèi)部觸點(diǎn)斷開，浮子浮起時(shí)，干簧管內(nèi)部觸點(diǎn)接通。磁性水位開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是全密封，電氣部分與外部高度絕緣，不受被測(cè)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(gè)水位測(cè)量點(diǎn)，將多個(gè)磁性水位開關(guān)按照監(jiān)測(cè)水位高度的不同，同時(shí)安裝在一條水位標(biāo)尺上，共同組成一個(gè)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(gè)水位開關(guān)，在每層電纜橋架對(duì)應(yīng)設(shè)置 1個(gè)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(shí)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(cè)點(diǎn)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?lái)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(chǔ)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(shí)間，再配合單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)，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(jí)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(duì)無(wú)線信號(hào)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(shí)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(duì)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(yáng)程為 6.5 m。水泵自帶缺水、卡機(jī)、過熱智能保護(hù)功能。

（2）投入式水位傳感器

為實(shí)現(xiàn)更為精確的水位測(cè)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(cè)量精度可達(dá) 0.5 級(jí)（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(cè)量值。

（3）控制單元

控制單元主要實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)后臺(tái)的無(wú)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(jī)啟停和外部電源波動(dòng)等帶來(lái)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(jì)。在水泵電源輸出端設(shè)置隔離式電壓和電流傳感器， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵的工作狀態(tài)。

水泵啟 / 停狀態(tài)和工作電流的監(jiān)測(cè)使用霍爾直流電流互感器，在實(shí)現(xiàn)水泵工作電流監(jiān)測(cè)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)水泵過流保護(hù)和啟停工作狀態(tài)識(shí)別 [6] ；外部供電電壓的監(jiān)測(cè)使用線性光電耦合傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制器外部供電電壓 [7]，實(shí)現(xiàn)外部電源故障和停電自動(dòng)報(bào)警。

3 數(shù)據(jù)傳輸與無(wú)線組網(wǎng)

在系統(tǒng)工作時(shí)，由水位采集器定時(shí)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(diǎn)的水位值打包后，定時(shí)集中上傳到后臺(tái)系統(tǒng)。水泵控制器同時(shí)上傳到后臺(tái)的還包括電源狀態(tài)、水泵運(yùn)行狀態(tài)等信息。后臺(tái)系統(tǒng)可通過向水泵控制器發(fā)送無(wú)線指令，遠(yuǎn)程設(shè)置水泵啟動(dòng)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(duì)水泵的開啟和關(guān)閉控制 ；后臺(tái)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(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸參考《電力電纜及通道在線監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》中約定的格式進(jìn)行編碼 [8]。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與后臺(tái)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(shí)現(xiàn)。GPRS 和 NB-IoT 存在日常的使用年費(fèi)和流量費(fèi)，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(wú)其他日常費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋時(shí)，需要搭建私有網(wǎng)絡(luò) [9]。本系統(tǒng)基于可配置的設(shè)計(jì)思想，以通信模塊可更換的方式，在電路上同時(shí)兼容GPRS。NB-IoT 或者 LoRa 協(xié)議的使用可根據(jù)實(shí)際環(huán)境和對(duì)于傳輸控制的不同要求來(lái)靈活選擇。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

積水水位在線監(jiān)測(cè)和主動(dòng)排水系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道和電纜溝內(nèi)積水水位的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還能夠在水位超限時(shí)啟動(dòng)排水，或者在必要時(shí)人工啟動(dòng)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(zhǎng)期積水問題的可行方法。以上系統(tǒng)的整體方案在實(shí)施時(shí)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(dòng)排水和關(guān)鍵點(diǎn)水位監(jiān)測(cè)問題 ；然后，通過逐步增加部署水位采集器的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜隧道或電纜溝全域覆蓋的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)水位監(jiān)測(cè)。