電力管線是現代城市地下管網的主要組成部分，是維系城市地上地下空間有效利用的重要方式，是一個城市重要的基礎設施，擔負著信息傳輸、電力輸送等工作，是城市賴以生存和發展的物質基礎，有效地保障了城市經濟發展和整體運行。隨著我國城市發展進程的加快，城市電力管線種類和數量也逐年增加。城市電網電纜化率逐年提升，北京、上海、南京、太原及西安等城市電纜化率均已達60%以上，地下電纜正逐漸取代架空導線成為城市電網的主要輸配電通道形式。

電力管線在國內的建設已達數十年，由于長期運行在地下的封閉環境，多地電纜使用年限較長，風險隱患增大，一旦電網管線在地下受到溫濕度、水、火及有害氣體等環境因素影響并達到一定破壞程度，又不能及時發現，會給整個城市的電力安全穩定運行造成極其重大的社會和經濟影響。

去年，重慶、西安、大連等地接連發生由電纜故障引起的大面積停電事故，城市電網安全運行面臨新的形勢，各主要大中城市電力公司相繼成立電纜運檢室。國家電網公司和各地政府對地下電纜安全運行高度重視。

針對地下管線設備當前遇到的問題，實時監測地下電力管線的環境信息、分析并展示預警信息可以有效地解決這些問題，由此本文提出環境監測系統的研究與設計。本系統采用當前成熟的監測方法和現代網絡信息化技術，根據當前傳感器技術的快速發展與應用，結合地下電力電纜線路的特點，設置必要的環境監測項目，布置相應的傳感器設備，實現對數據的采樣。

此外，針對大量的地下電力管線設備，采用分布式數據采集技術和相應的傳輸設備，自動采集監測數據并傳輸至環境監測中心的計算機，監測系統對數據進行實時計算分析，當數據達到警戒閾值時立即發出告警通知，實現對電纜及通道狀態的全天候在線自動化實時監測，便于管理人員對電纜設備及其通道的環境信息及時掌控，進而做出準備判斷，為安全運行提供保障。

1 系統方案設計

1.1 平臺設計

地下電網管線環境監測系統的整體設計如圖1所示，采用現有的智能電網調度技術支持系統平臺（D5000）及準實時平臺兩平臺相結合的方式，前者支撐實時監控業務，包括數據采集、數據處理、計算統計、數據記錄及告警服務等；后者支撐管理類業務，包括地理信息系統（geographic information system, GIS）服務、告警定位、數據查詢及報表等。系統采用傳感器技術監測環境信息，分布式數據采集技術實現環境數據的采集功能。

圖1 總體架構圖

1.2 軟件設計

本系統的軟件設計采用包括資源層、數據層、平臺服務層、應用服務層和應用層5層結構，如圖2所示。

1）資源層。通過對網絡設備、服務器設備、存儲設備及安全設備等硬件資源進行虛擬化，為上層提供抽象資源。

2）數據層。提供模型數據、業務數據、運行數據及地理信息等數據的持久化存儲。

圖2 軟件架構圖

3）平臺服務層。基于準實時開放軟件開發平臺以及WebGIS，為上層應用提供基礎服務，包括消息總線、服務總線、報表服務、告警服務、數據訪問、權限服務及GIS服務等。

4）應用服務層。利用平臺提供的服務，通過封裝，對上層應用提供與業務相關的服務，包括空間分析服務、拓撲分析服務、查詢定位服務及畫面瀏覽服務等。

5）應用層。主要包括兩大模塊，設備管理模塊包含模型管理、臺賬管理及設備變更管理三部分；環境監測管理模塊包含地下電網管線設備的溫濕度、水位、消防、有毒氣體及門禁等環境數據監測，環境歷史數據管理，狀態分析評估，異常狀態預警，以及異常設備定位等功能。

1.3 硬件設計

本系統從業務功能上分為數據采集、數據處理和環境監測管理，數據采集需要在地下電網管線及其管廊內布點傳感器，包括溫濕度監測、氣體監測及積水監測等，轉化為數據信號后通過無線網絡、無線數采交換機上傳至前置數據采集服務器，由于系統的業務需求，需要分別部署信息交換服務器、數據庫服務器、應用服務器等，經過業務處理后，在工作站進行系統展示業務。如圖3所示。

圖3 硬件結構圖

2 業務功能需求

1）設備臺賬管理

電網地下管線設備臺賬信息維護主要負責維護設備臺賬信息與空間信息，如拓撲信息、相對坐標等，以及臺賬信息與設備模型的映射關系。

設備臺賬查詢：根據設備模型、設備編號及設備型號等關鍵信息實現對應設備臺賬信息的查詢統計。

2）設備數據采集

數據采集業務是系統的最底層模塊，通過傳感器技術獲取相應的環境監測數據，主要涉及電網地下管線所處的管廊內的溫濕度、積水、有害氣體濃度、門禁狀態及消防等信息。根據不同的要求接入傳感器，并通過通信網絡將監測信號引出到地面，再通過無線通信技術服務（general packet radio service, GPRS）傳輸到中心系統，完成整體的環境數據采集。

本文針對大批量數據的采集要求，采用分布式數據采集技術。

3）環境數據處理

將采集到的環境數據進行分類處理，分別實時記錄至對應設備的數據庫中。根據不同環境信息的閾值標準，進行計算分析，自動列出異常信息。同時對歷史監測數據，提供數據分析與對比功能，可以有效地預測信息發展趨勢。

4）異常信息告警

將采集到的監控數據進行處理與分析，對超出設定閾值的環境數據，設置為數據異常情況，實時進行告警提示，管理者收到預警后，可以實時對地下電力管線的相關設施進行處理，防止高危情況 發生。

5）地理圖信息展示

通過地理圖形式展示地下電力管線的設備定位信息，包括設備臺賬信息和實時數據監測信息，并對出現異常提示的設備做出顯著標識，可以清晰展示設備的環境狀態信息和地理定位信息。

3 系統關鍵技術

3.1 環境監測技術

經過多年來的研究與應用，傳感器技術已成功應用到電力系統中，本系統采用傳感器裝置布點在電網地下管線的相應位置，監測周圍環境或特殊物質，包括溫濕度、水位、有害氣體及消防等，把模擬信號轉化成數字信號，通過中央處理器的處理，將環境信息最終轉變成溫濕度參數、有害氣體濃度參數及消防信號參數等，通過無線傳輸網絡將數據上傳至服務器，便于進行數據管理。

由于地下管廊較長，需選擇合適的距離對環境信息進行監測，傳感器和報警器監測的布點要求如下：

• 1）對于監測溫濕度數據可200m設置一個測點。
• 2）對于積水傳感器的設置應選擇低洼或易積水區域。
• 3）氣體探測器應安裝在管廊內人員出入口和通風口處。
• 4）門禁控制器設置在管廊出入口及不同設備分隔區。
• 5）消防監測器在每個防火分區進行布點設置。

3.2 分布式數據采集技術

1）數據采集任務動態分配

數據采集任務動態分配根據電網地下管線的分區管理，采用負載均衡技術，將各分區的管線設備數據采集任務分別歸屬惟一的前置機負責，由此每臺前置機數據采集的范圍是不存在交集的，各前置機將完成數據采集后的數據送往應用層，形成統一的全系統數據合集，實現數據的全系統共享。

其中前置機集群的創建采用主機和備機相結合的方式；在一個前置集群中，應用主機只有一臺，備機可以有多臺，并且任一臺前置機均可作為主機和備機切換使用，所以當一臺前置應用主機出現故障時，優先級高的備機自動轉變為前置應用主機。如圖4所示。

圖4 前置機集群

2）負載均衡技術

前置采集任務以管線設備分區通道為單位進行分配，首先系統初始化是根據系統資源的狀態將任務部署到各個節點，使各個節點的資源負載處在均衡狀態。假設有12個通道狀態，初始化完成后的任務分布示例見表1。

表1 初始化任務分配表

定期從系統的資源管理功能獲取資源狀態，當發現負載最高的節點與負載最低節點的負載差異大于一定閾值時，可自動將一個負載最高節點的任務遷移到負載最低的節點，直至差異小于閾值時停止。

新采集節點加入系統后，從資源管理模塊獲取資源狀態，按照負載均衡原則將其他采集節點上的部分采集任務遷移到該新加入的采集節點上。同理，采集節點由于故障等原因需要刪除時，同樣按照負載均衡原則將該節點上的任務分配并遷移到其他使用中的采集節點上。

4 應用情況

地下電網管線的環境監測與預警系統已完成整體設計開發，并將應用于南京、北京等地的地下管線管理系統，項目通過利用各種在線監測、檢測、巡檢及試驗等技術手段，采集電纜及通道運行的相應環境數據，通過計算、分析及時發現設備的異常和隱患，從而減少非計劃停電事故的發生。

圖5展示了在線監測各類環境數據裝置所布點的位置，以不同顏色閃爍圖標顯示在線監測預警的等級和設備位置。圖6展示地下電力管線設備的臺賬管理界面，可查看設備的位置信息和具體的本體及管理信息。

圖5 監測控制界面

圖6 設備臺賬管理界面

結論

本文緊密結合地下電網管線的問題現狀和不斷增加的覆蓋需求，對針對地下電網管線的環境監測系統作了較深入細致的研究與設計。系統實現了地下電力管線設備的臺賬管理、數據采集處理、告警通知、GIS展示等應用功能，其中的傳感器技術對影響管線的環境因素數據進行監測與轉換，分布式數據采集技術對大批量管線設備的環境數據進行高效的采集上傳。

整體系統的設計和對關鍵技術的應用改變了人工巡察的工作模式，提高了系統的實時性、準確性和穩定性，保障了城市的電力安全可靠性，對地下管線的自動化管理有著重要的意義。并且隨著地下管線城市化覆蓋面的不斷增加，相關技術的不斷研究與完善，地下電網管線的環境監測系統將得到越來越廣泛的應用，是未來電力發展的一個重要方向。