基于物联网技术的电力电缆隧道积水水位在线监测和主动排水系统

引 言

对于敷设在电缆隧道和电缆沟中的电力电缆，规范要求电缆不能长期浸水，电缆接头不能浸水 [1]，电缆隧道和电缆沟在设计和建造过程中也相应做了防水、排水处理 [2]。但是在实际使用过程中，由于结构渗漏水、局部敞口雨水等因素， 电缆隧道和电缆沟内的积水情况仍大面积存在。如果这些积水不能及时排除，很容易将隧道内的电缆淹没，轻则因无法检修维护而缩短隧道及电缆寿命，重则影响用户及工作人员生命财产安全 [3-4]。为电力电缆隧道或电缆沟加装基于物联网技术的积水水位在线监测和主动排水系统，不仅能够实现对隧道和电缆沟内积水水位的实时动态监测，还能够在水位超限时启动排水，或者在必要时人工启动排水，这是在现有条件下有效解决积水问题的可行方法。

1 系统设计

1.1 系统设计原则

积水水位在线监测和主动排水系统的设计方案遵从下述指导性原则 ：

(1) 低压供电 ：所有在电缆隧道或电缆沟内安装的设备均采用交流 24V或直流 48V低压供电，确保不引入额外的危险源 ；

(2) 全防水 ：传感器、采集器采用全密封防水，以适应高湿度甚至浸水环境 ；

(3) 高可靠性 ：在隧道或电缆沟内的设备选用有线通信方式，所有设备以及设备与后台之间均采用脉搏信号实时传递自身状态，实现高可靠的数据传输和状态感知 ；

(4) 低功耗 ：采用无源传感器和低功耗技术，水位监测点在自供电情况下可连续工作 3 年以上 ；

(5) 灵活配置 ：一个水泵控制器和多个水位监测点组成一个分组，系统由多个分组构成，分组逻辑可灵活设置，适用于各种长度、结构的隧道或电缆沟。

1.2 系统结构

本系统主要由布置在现场的水位采集器、水泵控制器和后台管理系统构成，现场设备与后台系统间通过物联网低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）实现无线组网 [5]。系统整体框图如图 1 所示。

1.3 系统概述

本系统中，一个水泵控制器（含潜水泵和投入式水位传感器）与多个水位采集器构成一个分组。水位采集器之间及水位采集器与水泵控制器之间均采用有线 RS485进行数据传输 ；水泵控制器内含无线通信模块（GPRS，NB-IoT或LoRa），与系统后台之间实现双向无线数据传输。水位采集器使用分段式水位传感器实现对积水水位的定性测量，水泵控制器连接的投入式水位传感器可实现对水位的精确定量测量。分段式水位传感器的水位最小分辨率由磁感应水位开关的垂直安装位置决定（如最小安装间隔为 100mm，相当于最小水位分辨率为 100mm）；投入式水位传感器的最小水位分辨率为 0.5 级。分段式水位传感器可以满足低成本、广覆盖的水位感知需求，而投入式水位传感器可以精确感知水位以及水泵的工作效果。水泵控制器和潜水泵选择安装于电缆隧道的集水井或者通风井位置，可以方便地获取外部电源， 以及建立积水的排出通道 ；水位采集器可沿电缆隧道每间隔一定距离布置一个，方便获取隧道整体的水位分布（主要关注积水对电力电缆的浸没情况）。水位采集器使用内置电池工作，无需额外的电源供应，无附带安全隐患。

2 单元实现

2.1 水位采集器

水位采集器由分段式水位传感器和采集单元组成。

2.1.1 分段式水位传感器

综合考虑防水、防污、低成本、无耗电、高可靠等因素， 选择磁性水位开关作为分段式水位传感器的最小单元。磁性水位开关由磁性浮子和内部的干簧管组成，水位未使浮子浮起时，干簧管内部触点断开，浮子浮起时，干簧管内部触点接通。磁性水位开关的优点是全密封，电气部分与外部高度绝缘，不受被测液体清浊、导电率高低等影响。磁性水位开关的两种常见形式如图 2 所示。

在一个水位测量点，将多个磁性水位开关按照监测水位高度的不同，同时安装在一条水位标尺上，共同组成一个完整的水位感知传感器。水位标尺的高度与隧道总高度相等， 在隧道的最低一层电缆桥架以下设置 2个水位开关，在每层电缆桥架对应设置 1个水位开关，以便定性感知隧道内的积水水位。分段式水位传感器的组成以及在电缆隧道中的安装位置如图 3 所示。

2.1.2 采集单元

采集单元负责定时采集分段式水位传感器的各磁性水位开关通断状态，并转换为该监测点水位数值后，通过 RS 485 总线传输到水泵控制器。为避免引入外部电源可能带来的潜在安全隐患，并降低布线成本，水位采集器采用内置电池供电。采集单元电路框图如图 4 所示。

图 4 采集单元电路框图

内置电池建议选用 ER26500 型一次性锂电池，电池容量为 8 500 mA · h，工作温度范围为 -55 ～ +85 ℃，存储温度范围为 -10～+45℃，可以在宽泛的环境条件下为采集单元提供稳定持续的电源供应。由于本方案所选择水位传感器本身不耗电，因此可大大提高内置电池的持续工作时间，再配合单片机的低功耗设计，单节电池可支持水位采集器连续工作 3 年以上。

为保证采集单元的防水性能，采集单元外壳选用 IP68 防护等级防水盒。在指定水压下，可确保采集单元不因浸水而造成损坏。

2.1.3  水位采集器至水泵控制器间的数据传输

由于电缆隧道内空气湿度等因素影响较大，并且隧道为封闭小空间，对无线信号的传输较为不利，因此选用 RS 485 总线传输方式，以保证数据可靠传输。

2.2 水泵控制器

水泵控制器包括直流 48 V 潜水泵、投入式水位传感器、控制单元。

（1）直流 48 V 潜水泵

经实地考察，电缆隧道内积水的主要原因是结构渗漏水， 水质相对比较清澈、杂物较少，而电缆沟内积水则为浑浊的污水。综合考虑这两种情况，排出积水选择直流 48 V 污水泵， 水泵功率为 450 W，最大流量为 10 m3/h，最大扬程为 6.5 m。水泵自带缺水、卡机、过热智能保护功能。

（2）投入式水位传感器

为实现更为精确的水位测量，与控制单元连接的水位传感器选用投入式连续水位传感器。该水位传感器有效量程为3 m，测量精度可达 0.5 级（最小分辨率为 15 mm）。投入式连续水位传感器属于压力传感器，可将水压转换为水位高度的测量值。

（3）控制单元

控制单元主要实现与系统后台的无线通信，采集水位数据，控制水泵启停。控制单元和水泵功耗较大，需要使用外部直流 48 V 电源供电。控制单元的电路框图如图 5 所示。

为避免水泵电机启停和外部电源波动等带来的电源干扰，控制单元电路的 5 V 供电电路与 48 V 电路采用完全隔离设计。在水泵电源输出端设置隔离式电压和电流传感器， 实时监测水泵的工作状态。

水泵启 / 停状态和工作电流的监测使用霍尔直流电流互感器，在实现水泵工作电流监测的同时实现水泵过流保护和启停工作状态识别 [6] ；外部供电电压的监测使用线性光电耦合传感器，实时监测控制器外部供电电压 [7]，实现外部电源故障和停电自动报警。

3 数据传输与无线组网

在系统工作时，由水位采集器定时传输所在位置的分段水位值到水泵控制器，水泵控制器将本分组各点的水位值打包后，定时集中上传到后台系统。水泵控制器同时上传到后台的还包括电源状态、水泵运行状态等信息。后台系统可通过向水泵控制器发送无线指令，远程设置水泵启动和关闭的临界水位，水泵控制器根据临界水位设定执行对水泵的开启和关闭控制 ；后台系统也可通过发送指令，远程控制水泵开启和关闭，适合于人工介入控制。系统各设备之间，以及设备与后台之间的数据传输参考《电力电缆及通道在线监测装置技术规范》中约定的格式进行编码 [8]。

现场设备与后台系统之间的数据通信采用物联网LPWAN， 即广域网通信技术， 可采用 GPRS，NB-IoT 或LoRa 协议实现。GPRS 和 NB-IoT 存在日常的使用年费和流量费，但技术成熟，通信覆盖有保证 ；LoRa 具有终端模块成本低，使用非授权频段无其他日常费用等优点，但在实现广域覆盖时，需要搭建私有网络 [9]。本系统基于可配置的设计思想，以通信模块可更换的方式，在电路上同时兼容GPRS。NB-IoT 或者 LoRa 协议的使用可根据实际环境和对于传输控制的不同要求来灵活选择。

随着各大运营商物联网公共平台服务的逐渐成熟，系统也可以选择接入公共物联网平台，以便进一步提高使用效率和稳定性，降低运行成本 [10]。

4 结 语

积水水位在线监测和主动排水系统不仅能够实现对隧道和电缆沟内积水水位的实时动态监测，还能够在水位超限时启动排水，或者在必要时人工启动排水，这是在现有条件下有效解决电缆隧道或电缆沟内长期积水问题的可行方法。以上系统的整体方案在实施时分步进行 ：首先，在关键位置部署水泵控制器（含水泵），解决积水超限的主动排水和关键点水位监测问题 ；然后，通过逐步增加部署水位采集器的数量，实现对电缆隧道或电缆沟全域覆盖的实时动态水位监测。