CN112097837A - 一种电缆沟环境状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力技术领域。一种电缆沟环境状态监测方法，其特征在于包括如下步骤：1)准备电缆沟环境状态监测***，包括远程监测平台、集中器、无线水浸及感温感烟监测装置；同一条电缆沟上设有多个无线水浸及感温感烟监测装置，同一条电缆沟上所有的无线水浸及感温感烟监测装置与一个集中器无线通信连接，所有集中器均与远程监测平台无线通信连接；所述无线水浸及感温感烟监测装置包括水浸传感器、烟雾传感器、温湿度传感器、控制器、无线通信模块、电源模块；2)传感器实时监测电缆沟环境状态，一旦监测到有异常现象，将会产生报警信号，并发送给远程监测平台，远程监测平台主动实时把告警信息推送到各个监控维护人员。该方法提高了输电可靠性和安全性。

Description

一种电缆沟环境状态监测方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种电缆沟环境状态监测方法。

背景技术

电缆是电能传送和信息传输的重要载体，一般电缆主要在电缆沟中敷设，然后电缆沟上铺设盖板进行电缆保护,目前绝大多数使用的电缆沟盖板主要是混凝土盖板和钢制盖板,电缆沟中的电缆在运行中的监控通过值班员日常巡视实现，监控手段单一，且无法直接进行观察，对于电缆发生火灾或运行过程中的不安全隐患较难及时发现。这就使得一旦电缆沟电缆发生火灾时，较难迅速控制，往往会波及其它回路。电缆火灾除了造成电缆损坏，还可能造成设备跳闸、减供负荷、甚至对救火人员造成伤害等严重的后果。电缆沟进水也会导致严重事故，电缆沟的水基本都是下雨等流下去的污水，污水带有腐蚀性。会对电缆起到腐蚀性。短时间内没事，长时间的话会对电缆产生一定危害。另外还需要看电缆本身的质量和施工。万一电缆外护套稍微有点破损的话，水气可以进入电缆内，必然会导致水树枝型爬电。影响导电质量，长时间也会引起击穿，有电缆接头就更危险。

目前，电网电缆在城市中的覆盖率越来越高，随之明显增加的还包括电缆沟的里程数，因此保证电网供电可靠性的关键因素中电缆沟的故障率成了关键因素。虽然在近年来随着社会的发展速度，电网的运行设计也有了长远的发展，当遇到大电网瓦解事故发生时，以目前对电网研究的水平来看，并不能有效地避免事故的发生。国际中大电网事故的发生可能会带来灾难的结果，影响了人们的正常生活，也对社会造成了极大负面的影响。另外，人们对生活质量的要求越来越高，因此电网供电可靠性也是保障生活质量的前提，电力***的设计、规划以及运行中首要考虑的方面就是***运行的可靠性。但由于电力电缆沟铺设地下，在对其进行巡视的过程中，很难用肉眼看出电力电缆出现的问题。

因此需要寻找更有效的方式来完善电缆沟状态监测质量，提升监测水平，这些方式应在电监测过程中具有预测\预防、预警的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电缆沟环境状态监测方法，该方法可对电缆沟内的温度、烟雾、水位进行监测，提高了输电可靠性和安全性。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种电缆沟环境状态监测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)准备电缆沟环境状态监测***，电缆沟环境状态监测***包括远程监测平台、集中器、无线水浸及感温感烟监测装置；同一条电缆沟上设有多个无线水浸及感温感烟监测装置，同一条电缆沟上所有的无线水浸及感温感烟监测装置与一个集中器无线通信连接，所有集中器均与远程监测平台无线通信连接；

所述无线水浸及感温感烟监测装置包括水浸传感器、烟雾传感器、温湿度传感器、控制器、无线通信模块、电源模块；电源模块分别为控制器、无线通信模块提供电源，水浸传感器、烟雾传感器、温湿度传感器分别与控制器的信号输入端相连接，控制器的信号输出端与无线通信模块相连接，无线通信模块与集中器无线通信连接；水浸传感器、烟雾传感器、温湿度传感器分别安装在电缆沟盖板的下面上，控制器、无线通信模块、电源模块分别安装在电缆沟盖板的上面上，电缆沟盖板盖在电缆沟上；

2)水浸传感器、烟雾传感器和温湿度传感器实时监测电缆沟环境状态，设定电缆沟需要控制的相对温度、烟雾度、水位值，对采集到的数据经过算法分析，当检测到被检测值超过设定值时，将告警信号通过无线通讯模块将监测数据及自身的工作参数发送到发送给集中器，集中器发送给后端的远程监测平台，远程监测平台主动实时把告警信息推送到各个监控维护人员。

所述控制器连接有报警模块。

所述无线水浸及感温感烟监测装置还包括有害气体的检测传感器，有害气体的检测传感器包括称沼气传感器、一氧化碳传感器，有害气体的检测传感器安装在电缆沟盖板的下面上，有害气体的检测传感器与控制器的信号输入端相连接。

所述烟雾传感器和温湿度传感器为感烟感温复合型传感器。

本发明的有益效果是：该方法可对电缆沟内的温度、烟雾、水位进行监测。既能提高电缆沟的监测水平，也能保证电力电缆的输电可靠性和安全性，对沟中潜在的危险进行监测，在产生警情时可做出及时处理，尽可能减少由于电缆安全性造成的经济损失。保障电缆安全稳定运行，提高供电可靠性，带来一定的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明电缆沟环境状态监测***的结构示意图。

图2为本发明电缆沟环境状态监测***中的无线水浸及感温感烟监测装置的原理框图。

图3为本发明电缆沟环境状态监测***中的无线水浸及感温感烟监测装置的结构示意图。

图4为本发明***通信组网的示意图。

图5为软件流程框图。

图6为初始化流程框图。

图7为设置地址流程框图。

图8为温湿度测量流程框图。

图9为通信流程框图。

图10为进入低功耗模式流程图。

图中：1-电缆沟智能盖板，2-通信网络，3-远程监测平台，4-电缆沟盖板，5-感烟感温复合型传感器，6-水浸传感器，7-无线水浸及感温感烟监测装置，8-控制器，9-集中器。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1-4所示，一种电缆沟环境状态监测方法，包括如下步骤：

1)准备电缆沟环境状态监测***，电缆沟环境状态监测***包括远程监测平台(主机、服务器、主站或云平台)3、集中器9、无线水浸及感温感烟监测装置(或称：无线水浸传感器)7；同一条电缆沟上设有多个(2-10000个)无线水浸及感温感烟监测装置7{一条电缆沟上设有多个电缆沟盖板(2-10000个电缆沟盖板)}，同一条电缆沟上所有的无线水浸及感温感烟监测装置7与一个集中器9无线通信连接，所有集中器9均与远程监测平台3无线通信连接(多条电缆沟对应的多个集中器9)；

所述无线水浸及感温感烟监测装置7包括水浸传感器6、烟雾传感器、温湿度传感器、控制器8、无线通信模块、电源模块；电源模块分别为控制器8、无线通信模块提供电源(电源模块分别与控制器8、无线通信模块的电源端口相连)，水浸传感器6、烟雾传感器、温湿度传感器分别与控制器8的信号输入端相连接，控制器8的信号输出端与无线通信模块相连接，无线通信模块与集中器9无线通信连接；水浸传感器6、烟雾传感器、温湿度传感器分别安装在电缆沟盖板的下面上，控制器8、无线通信模块、电源模块分别安装在电缆沟盖板的上面上，电缆沟盖板盖在电缆沟上；

2)水浸传感器6、烟雾传感器和温湿度传感器实时监测电缆沟环境状态，设定电缆沟需要控制的相对温度、烟雾度、水位值，对采集到的数据经过算法分析，当检测到被检测值超过设定值时，将告警信号通过无线通讯模块将监测数据及自身的工作参数发送到发送给集中器，集中器发送给后端的远程监测平台，远程监测平台(主机、服务器、主站或云平台)主动实时把告警信息推送到各个监控维护人员。

通过检测电缆沟里的水位、温度差异异常以及烟雾浓度来实现预警，确保一旦有异常提前预警,把事故消灭于未燃之势。可实现实时监测电缆沟环境状态，实时监测电缆沟里的水位、温度以及烟雾等环境信息，确保一旦有异常提前预警,减少不可预知性的安全风险，把事故消灭于未燃之势，提高电缆运行的安全性。

所述电缆沟智能盖板1，包括电缆沟盖板和无线水浸及感温感烟监测装置(或称：无线水浸传感器)7；无线水浸及感温感烟监测装置见上述。

所述控制器8连接有报警模块(报警器)。

所述无线水浸及感温感烟监测装置7还包括有害气体的检测传感器，有害气体的检测传感器包括称沼气传感器、一氧化碳传感器，有害气体的检测传感器安装在电缆沟盖板的下面上，有害气体的检测传感器与控制器8的信号输入端相连接。

电源模块为3.6V主电池和3.6V大容量副电池。

烟雾传感器和温湿度传感器可为感烟感温复合型传感器5；所述感烟感温复合型传感器可采用复合式感温感烟探测器(泰和安TX3120)或JTF-GOM-GST9613点型复合式感烟感温火灾探测器。

水浸传感器和感烟感温复合型传感器的功能是采集电缆沟内的状态信息，并上传数据信息。

控制器8拟采用ST公司Cortex-M3处理器STM32系列单片机，无线通信模块拟采用亿佰特公司设计生产的E32-TTL-100，每个无线水浸及感温感烟监测装置(或称：无线水浸传感器)7目标通信地址可独立设置。用于监测地下管道的空气湿度和温度和水浸情况，通过无线采集器，实现组网联网，上传数据至远程监测平台(主机、服务器、主站或云平台)。

通信网络***：可由监测子网和远程通信网络两个部分组成了网络***；监测子网的组成是依据监测目标分类，并由前端下位机(即：集中器9,集收/发器)分组联网实现的，采集的电缆沟状态信息，再经过远程通信网络实现数据远程传输。

远程监测平台：远程监测平台可以部署在PC端，并可通过移动APP访问。可以实现远程访问、控制以及配置电缆沟智能盖板的功能。

通过加装传感器实现电缆沟环境状态识别，电缆沟环境状态监测传感器主要包括水浸传感器、烟雾传感器、温湿度传感器等。采用IP68防水外壳包装传感器，可适用于地下管道水浸探测及温湿度测量。拟通过无线数据传输协议，实现分散的测量终端向数据采集器的数据上传操作，省去传统传感器繁琐的布线步骤，方便用户检测设备的实时工作环境。

电缆沟环境状态无线监测传感器拟使用电池供电，用于测量环境的温湿度、水位等数据。电缆沟环境状态无线监测传感器的功能包括：1)温湿度测量；2)水浸检测；3)烟雾检测；4)无线通信；5)可设定传感器地址；6)低功耗模式(待机)；7)支持其他定制传感器接入。功能原理框图如下图2所示。

每个电缆沟盖板安装一个无线水浸及感温感烟监测装置，采集电缆沟相应位置的烟雾、温度、水位等关键信息，设定电缆沟需要控制的相对温度、烟雾度、水位值，对采集到的数据经过算法分析，当检测到被检测值超过设定值时，将告警信号通过无线通讯模块将监测数据及自身的工作参数发送到发送给现场通信集中器。图4所示。

电缆沟监测传感模块和现场通信集中器拟采用远程扩频LORA技术。远程扩频LORA技术是一种远距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高可靠的无线数传网络。远程扩频LORA数传模块类似于移动网络基站，通讯距离支持无限扩展。与CDMA网或GSM网不同的是，远程扩频LORA网络主要为工业现场自动化控制数据传输而建立，简单，使用方便，工作可靠，价格低。远程扩频LORA节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料(独立通讯、中转通讯)。远程扩频LORA技术被广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、工业自动化、智能交通等等。

集中器汇总传感器状态信息，并将汇总信息通过5G网络发送到后端的管理平台进行监测及统计分析，后端的监控管理平台实时将告警信息推送到各个监控维护人员。

***通信组网技术方案示意图4如下所示。

监控平台采用B/S架构设计，对电缆沟进行状态监测，同时具有远程控制及统计报表功能，另外支持手机APP访问接口。监测状态包含当前和历史的温度、水位、烟雾度、工作状态及故障记录等。这些状态记录可以生产年月日报表，以便对电缆沟一段时间内的情况有个详细的了解，为后期改造提供可靠的数据基础。管理人员可以通过后台进行远程控制电缆沟智能盖板工作，也可以远程设置电缆沟智能盖板的工作参数。

APP移动工具的开发，方便管理人员突破时间和空间的约束，通过广泛应用的智能手机，更方便地了解电缆沟内的环境及装置运行情况。考虑针对通信安全防护的要求，APP工具采用跨平台设计方案，便于在移动掌机上安装和运行，以支持人工巡检时，掌机与电缆沟智能盖板监测装置的双向数据通信功能。

整体***具有方便安装和施工的特点，大量节省人力和物力。

1.1无线水浸及感温感烟监测装置(或称：无线水浸传感器)7，以STM32L151C8T6为主控MCU，使用3.6V主电池供电，负责温湿度测量和水浸检测。无线通信模块(无线数传模块)使用3.6V大容量副电池供电，负责无线通信。MCU通过I/O接口和串口连接***模块，包括：(1)无线通信模块(无线数传模块)(USART)；(2)温湿度传感器(I/O接口模拟IIC)；(3)水浸传感器电极(I/O)；另外使用7线制JTAG接口，用于程序下载和调试。结构如下图3所示。

1.2.1.1核心处理器模块

控制器(核心处理器模块)拟采用STM32L系列产品基于超低功耗的ARMCortex-M3处理器内核，采用意法半导体独有的两大节能技术：130nm专用低泄漏电流制造工艺和优化的节能架构，提供业界领先的节能性能。全系列产品共用大部分引脚、软件和外设，优异的兼容性为开发人员带来最大的设计灵活性。STM32L系列因其出色的能耗而被广泛应用于有线设备和无线设备中，包括医疗和手持设备、应用程序控制和用户界面、北斗定位和运动设备、有线和无线传感器、公共设施测量等等。

1.2.1.2无线数传模块

无线通信模块(无线数传模块)拟采用E32-TTL-100，它是一款基于SEMTECH公司SX1278射频芯片的无线串口模块(UART)，透明传输方式，工作在410～441MHz频段(默认433MHz)，LoRa扩频技术，TTL电平输出，兼容3.3V与5V的IO口电压。

1.2.1.3数字温湿度传感器

数字温湿度传感器拟采用SHT20传感器，主要包括电容型湿度传感器、带隙温度传感器和专用模拟和数字集成电路，嵌入到可回流焊接双平板无引线(DFN)封装中。以数字I2C格式提供校准的线性化传感器信号。可测量湿度范围为0％～100％，精度为±3％；可测量温度范围为-40℃～125℃，精度为0.3℃。SHT20为DFN-6封装，尺寸为3mm*3mm，脚间距为1mm。可做成贴片模块，通过PCB板引出传感器的4个有效引脚，降低焊接难度。

1.2.1.4主电源接口

拟使用3.6V电池供电。拟使用HT7533将电压转化为3.3V，为单片机供电。拟使用BL9193-33BAPRN，在工作状态下打开，为水浸传感器电极和温湿度传感器供电，待机状态下关断。

1.2.1.5通信电源接口

拟使用3.6V电池供电。拟使用BL9193-33BAPRN将电压转化为3.3V。在工作状态下打开，为无线模块供电，待机状态下关断。

1.2.2软件流程

STM32采用无操作***的运行环境，通过前后台(主函数+中断函数)的运行方式实现软件功能，主函数与中断函数之间、应用层模块之间通过全局标志位进行状态传递，实现不同任务之间的切换。

软件流程包括如下子流程：(1)初始化流程；(2)设置地址流程；(3)温湿度测量流程；(4)上传数据流程；(5)待机流程。软件流程框图如下图5所示。

1.2.2.1初始化流程

初始化流程负责对MCU***进行初始化，包括：(1)***默认初始化；(2)***时钟初始化；(3)引脚初始化；(4)RTC初始化，设置RTC频率和唤醒计数值。(5)看门狗初始化，设置看门狗时钟频率和重装载值；初始化流程框图如图6所示。

1.2.2.2设置地址流程

进入设置地址流程，先判断唤醒源是否为按键唤醒。当确认为按键唤醒后，无线模块发送设置地址请求，收不到新地址则重新发送请求。接收到新地址则保存新地址到FLASH中，并用新地址作为接收方地址，发送一条确认信息。设置地址流程框图如图7所示。

1.2.2.2设置地址流程

进入设置地址流程，先判断唤醒源是否为按键唤醒。当确认为按键唤醒后，无线模块发送设置地址请求，收不到新地址则重新发送请求。接收到新地址则保存新地址到FLASH中，并用新地址作为接收方地址，发送一条确认信息。设置地址流程框图如图7所示。

1.2.2.3测量流程

温湿度测量流程负责读取温湿度传感器数据和水浸状态。用备份寄存器保存连续唤醒次数，根据连续唤醒次数判断是否需要读传感器数据。无线水浸传感器工作时开启PVD检测，将PVD检测结果保存到备份寄存器，每次执行测量流程时读取该备份寄存器，判断主电池电压是否过低。在进行无线发射过程中，使用ADC检测通信电池电压，将结果保存至备份寄存器，每次执行测量流程时即可读取该备份寄存器，即可判断上一次发射时通信电池电压是否过低。温湿度测量流程框图如图8所示。

1.2.2.4通信流程

上传数据流程负责上传温湿度数据。当满足上传数据的条件时，启动无线通信模块发送数据，上传数据的充分条件为：(1)当前温度超过70℃；(2)1分钟内温度变化超过1℃；(3)在设定的时间范围内，温度变化没有超过1℃；(4)上一次上传数据满足条件(1)或(2)，且上传数据后没有收到应答，此后需连续10次执行通信流程时都上传数据，收到应答后结束连续上传；通信流程框图如图9所示。

1.2.2.5待机流程

进入待机模式，芯片停止运行，RTC仍然工作，备份寄存器值一直保持。进入低功耗模式流程如图10所示。

本发明对电缆沟中的实际情况进行实时监控，可对如下几个参数监测：

(1)对沟内的水位检测，监测***设置警戒水位通过对沟内电缆走线布局进行分析，水位低于警戒水位时水泵不开启排水***；水位高于警戒水位时水泵将自动开启排水***进行排水工作。这样可以防止电缆在浸水情况下运行，提高了安全系数以及电缆的使用寿命，进而保证了电力电缆运行的安全可靠运行。

(2)对电缆发热故障检测，内部热故障和外部热故障组成了电缆本体和接头的主要两类故障。第一类是内部热故障，其故障特点故障点一般存在于金属外壳或绝缘材料的中。一般表现为较为稳定的发热时间且持续较长，其产生的热量可在故障点周围的金属材料或绝缘材料之间传递，致使周围局部温度过高甚至产生火灾。另一种就是外部热故障，在裸露的电缆接头中存在焊接不良的情况是造成电缆接头外部热故障的主要原因，由于接头的温度在大气回流的作用下可能升高，接触电阻随着温度的增加而增大，若往复循环就带来了重大的火灾隐患。以上两种情况的发生都可能引起火灾的发生，从而致使电缆的大面积损坏，电网设备不能安全运行，由于电缆大部分埋于地下，所以维修比较困难，在短时间内不能恢复运行，给人们生活带来了不便，甚至造成了巨大的经济损失。

(3)对电缆沟内有害气体的检测，由于地表水平面高于电缆沟平面，因此当雨水天气时电缆沟很可能流进雨水。伴随着雨水进入电缆沟的生活垃圾以及雨水中含有丰富的矿物有机物，生活垃圾产生的微生物将有机物分解并代谢，从而形成了甲烷与二氧化碳的混合气体(沼气)。沼气易燃，因此给高压电缆线路的安全运行带来了一定的威胁，甚至会给电缆沟中进行维护作业的人员带来无法预测的人参伤害。

(4)对电缆沟火灾的检测，电缆沟内的温度监测主要是用温度传感器进行的，当沟内的温度达到预定上限时，火灾报警器发出警报。这种监测***虽然能够发现火灾现场，但不能及时的避免火灾的发生，给电缆沟造成严重的损失。

Claims (4)

1.一种电缆沟环境状态监测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)准备电缆沟环境状态监测***，电缆沟环境状态监测***包括远程监测平台(3)、集中器(9)、无线水浸及感温感烟监测装置(7)；同一条电缆沟上设有多个无线水浸及感温感烟监测装置(7)，同一条电缆沟上所有的无线水浸及感温感烟监测装置(7)与一个集中器(9)无线通信连接，所有集中器(9)均与远程监测平台(3)无线通信连接；

所述无线水浸及感温感烟监测装置(7)包括水浸传感器(6)、烟雾传感器、温湿度传感器、控制器(8)、无线通信模块、电源模块；电源模块分别为控制器(8)、无线通信模块提供电源，水浸传感器(6)、烟雾传感器、温湿度传感器分别与控制器(8)的信号输入端相连接，控制器(8)的信号输出端与无线通信模块相连接，无线通信模块与集中器(9)无线通信连接；水浸传感器(6)、烟雾传感器、温湿度传感器分别安装在电缆沟盖板的下面上，控制器(8)、无线通信模块、电源模块分别安装在电缆沟盖板的上面上，电缆沟盖板盖在电缆沟上；

2)水浸传感器、烟雾传感器和温湿度传感器实时监测电缆沟环境状态，设定电缆沟需要控制的相对温度、烟雾度、水位值，对采集到的数据经过算法分析，当检测到被检测值超过设定值时，将告警信号通过无线通讯模块将监测数据及自身的工作参数发送到发送给集中器，集中器发送给后端的远程监测平台，远程监测平台主动实时把告警信息推送到各个监控维护人员。

2.根据权利要求1所述的一种电缆沟环境状态监测方法，其特征在于：所述控制器连接有报警模块。

3.根据权利要求1所述的一种电缆沟环境状态监测方法，其特征在于：所述无线水浸及感温感烟监测装置还包括有害气体的检测传感器，有害气体的检测传感器包括称沼气传感器、一氧化碳传感器，有害气体的检测传感器安装在电缆沟盖板的下面上，有害气体的检测传感器与控制器的信号输入端相连接。

4.根据权利要求1所述的一种电缆沟环境状态监测方法，其特征在于：所述烟雾传感器和温湿度传感器为感烟感温复合型传感器。

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