光伏及无线技术在城市电缆沟安全监测中的应用探索

李明春（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

光伏及无线技术在城市电缆沟安全监测中的应用探索

李明春（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

随着城市化节奏的日益加快及居住人群的急剧增长，满足居民生活所必须的基础设施需求也显著增加，与此相关的城市电缆沟数量及总里程也随之急速增长。而电缆沟因其线路类型多、空间密闭、易积聚有毒有害及可燃气体等特点日益成为危害城市人民生活的一大安全隐患。利用现有的固定式数据测量技术存在着投入成本高、维护困难等系列难题，为解决以上问题，本文提出利用光伏供电、无线数据传输技术实现城市电缆沟安全隐患状况的实时监测与就地处理功能。

光伏供电；低功耗；无线测量；气体采集；安全监测；无线传输

引言

目前国外广泛采用共同沟管廊技术实现水、电、气、通信设施的入沟管理，但国内目前仍大量使用电缆沟实现水、电、气、通信设施的埋设处理，由于受城市地下环境及条件限制，电缆沟中的燃气管线、电力线路、用水管路无法独立成沟，各管路与线路之间经常互相交叉，一旦管线或管路破损将渗透到其它管路或管线中形成严重安全隐患，若遇火花或热源时极易发生爆炸，在检修井盖或其它连接处泄漏到地表对行人造成严重安全威胁。本文即是探讨此种环境下数据信息的采集及设备供电问题，其主要原理是利用气体传感、状态感知、液位探测、电量测量技术实现电缆沟内的环境信息探测，然后通过无线技术将数据信息发送至调度中心的中心站软件，相关设备的供电由光伏技术解决，以此彻底解决现有固定式采集技术成本高、建设耗时、维护困难等问题，此种技术成功应用后可解决目前电缆沟存在的安全隐患问题，具有极大的实际意义和社会价值。

1 光伏供电技术

光伏供电技术其实质是将太阳能转化为电能的一整套技术，具体包括太阳能板模块二次开发技术、电能采集控制转换技术、充电控制技术、防过充防过放技术、蓄电池模块二次开发技术，综合以上技术可以实现太阳能到电能的能量转换，同时通过蓄电池蓄能后能稳定输出24VDC供后端采集模块使用。在充放电部分需要解决的两个主要问题是过充及过放问题，过充方面指在太阳光较强烈时需要使用限压技术确保向蓄电池充电时不能超过限定最高电压，而在太阳光较弱时需要使用升压技术确保提供给蓄电池的充电电压不能低于限定最低电压；过放方面指在蓄电池本身电量不足时不能向后端用电模块持续供电，否则将会对蓄电池造成永久损害而导致无法继续正常使用，即在蓄电池本身电量不足时控制电路能关闭其它非必要的用电模块，在低于蓄电池的放电警界电量时控制电路能切断其后端输出，当蓄电池电量恢复至最低电量以上时才恢复其后端电量输出。

1.1 数据采集前置信号放大处理技术

电缆沟环境中检测各种气体［2］（如O2、CO2、CO、H2S、SO2、NO2）、状态、液位、电量数据时，从传感器接收的原始信号比较微弱，不能够满足AD转换器直接采样的要求［3］，故需要对传感器接收的原始信号进行前期处理（如信号放大、滤波、去噪、消除干扰等），经过以上处理后将二次信号交AD转换器进行采样即能分析计算出电缆沟环境中各种真实数据值。

1.2 低功耗设计技术

低功耗设计其目的是为了降低设备的单位功耗，而降低功耗主要指降低后端采集模块的功耗，根据电缆沟的使用环境可以采用两种技术降低采集模块的功耗。①间隙式工作技术，即采集模块工作一段时间后由CPU控制进入休眠状态，在休眠状态时采集模块只消耗极少的电量以维护待机状态，当休眠时间结束时由定时器唤醒采集模块再次进入工作状态，通过灵活设置工作状态和休眠时长可节省50～80%的电量。②各种元器件选择功耗小或具备主动能源管理功能的器件，如CPU选择工作频率动态调整的器件，即需要器件全速处理时即进入高速运算模式，只需器件作简单运算处理时即进入低速模式，以此可以节省10～50%的电量。综合以上两种节能降耗模式可以将整个设备的功耗降低到传统设计技术的1/3以下，通过低功耗设计可以使设备在连续数周阴天情况下保持正常运行。

1.3 高效率光伏转换利用技术

目前常用的光伏技术是将太阳能转换为电能后储存于蓄电池中，由蓄电池统一供给后端用电模块，此种方式的主要优点是技术成熟可靠且设计简单，存在的缺点是频繁向蓄电池充放电会极大影响蓄电池的使用寿命［5］。针对此种情况提出一种蓄电池充用分离设计技术，即在太阳光较充足时将电能储存于蓄电池中的同时直接向后端用电模块供电，只有在太阳光微弱时才由蓄电池向后端用电模块供电。此种方式需要解决太阳能板输出电压波动较大不能满足后端用电模块的用电稳定性要求的问题，解决方式是配置大容量电容以满足后端用电设备对供电端的要求。由于电容具有充电时间快、放电特性稳定、充电次数不受限制等特点，可以解决蓄电池频繁充电带来的储电性能及使用寿命下降问题。通过以上设计较传统方式其充放电次数减少了一半以上，提高了光伏转换利用效率。

2 环境数据无线传输技术

城市电缆沟经常布置在城市道路之下，传统有线方式要采集电缆沟中的各种环境数据需要布设各种电缆及通信线缆，但由于电缆沟中环境恶劣接电不便［4］，造成传统有线固定式采集方式布设困难维护不便。针对现场实际情况可采用无线传输将信号传输至调度中心。具体实现方式是采集设备采集现场的气体浓度、液位高度、线缆温度、烟雾浓度、电量等数据，然后通过专用处理电路运算分析后显示在现场设备的显示屏上，当有数据超限报警时能驱动声光报警器报警同时启动相应的控制设备完成关联设备的控制，然后将实时数据及报警数据通过无线模块发送至调度中心，调度中心接收到数据经运算分析后进行报警及存储处理。

无线传输的传输效果对环境有相应要求，电缆沟内的环境对无线信号传输有以下几方面影响：电缆沟内的电力线缆对无线信号的电磁干扰［1］、电缆沟壁的多径干扰影响无线信号传输速度及距离、电缆沟上层地表的大型建筑干扰无线信号传输。在设计无线发送功能模块时需考虑以上多方面因素，同时可将天线设计成可伸缩式设计以实现更好的发送接收效果。

城市电缆沟内无线传输需要解决的其它难题主要是多个无线终端设备在传输信号时的碰撞处理，即在同一时刻有可能有多个监测设备在同时发送数据，针对此种情况需采用碰撞处理算法解决，即监测设备在发送数据时先侦听网络情况，只有当无线网络空闲时才开始发送信号，一旦某监测设备发送出去的信号与其它监测设备发送的信号发生碰撞冲突时，所有监测终端均停止发送数据同时每个监测终端暂停一段随机时间后再次侦听并尝试发送，如果再次发送信号仍然发送碰撞则继续暂停一段更长的随机时间，以此解决多终端发送信号时的碰撞问题。

3 采集处理与显示分离设计技术

城市电缆沟处于地表以下，光伏供电需要将太阳能板置于地表以上能见到太阳光的位置，而环境数据采集则需要将相应的探头置于地表以下的电缆沟中，针对此种情况需要将采集处理模块置于地表下部的电缆沟中而将显示供电置于地表以上，地表以上的显示供电部分与地表以下的采集处理部分通过4芯电缆连接，其中2芯供电另外2芯传输数字信号。可将其分成地表显示供电传输与地下的采集处理控制两部分，地下采集处理控制部分负责各种环境数据的采集处理及就地控制，所有数据通过数字信号传输至地表显示供电传输部分，地表部分需显示的环境数据信息解码后通过显示屏展示出来，同时将所有需上传的数据通过无线传输模块发送出去。

4 现场应用设计研究

4.1 应用概述

电缆沟内各种线缆类型众多，同时部分区域降雨量频繁故沟内潮湿易结雾，针对此种情况地表以下采集处理控制部分需要将防护等级设计成IP68以上级别才能满足实际使用要求，由于地表与地下部分存在连接电缆，为实现以上防护级别在结构设计时可将电缆以浇封方式实现全密封。同时地表部分需设计电源指示、无线信号指示、蓄电池充电指示、蓄电池剩余电量指示等功能以方便维护人员使用查看。

4.2 应用设计

电缆沟安全监测从设备及应用层面主要包括现场采集传输设备、现场控制设备、调度中心软件等几部分。此种设计方式结构清晰同时易于扩展，当需要新增测点时只需要在现场增加监测设备即可，设备安装完毕后会自动将新测点数据上传至调度中心，上位机软件会根据新增测点发送的定位信息直接在地图上定位并显示新增测点的相关信息。

5 结语

本文从现场环境及技术实现上探讨了利用光伏及无线技术实现电缆沟安全监测的可行性及实用性，此项技术较传统通用方式极大提高实用性的同时降低成本，在大面积推广后可以解决目前电缆沟中的安全隐患问题，对于提高城市居民生活安全性以及低碳目标具有显著的推广价值。

［1］王朝伟.物联网无线传输技术与应用［M］.2012：52～59.

［2］谭秋林.红外光学气体传感器及检测系统［M］.2013：102～105.

［3］孙萍，冯兴.质量敏感型有毒有害气体传感器及阵列研究［M］.2015：23～27.

［4］严剑峰，周孝信.电力系统在线动态安全监测与预警技术［M］.2015：151～153.

［5］巴普洛夫.铅酸蓄电池科学与技术［M］.2015：35～39.

TM755

A

2095-2066（2016）28-0065-02

2016-9-18

李明春（1981-），男，汉族，重庆人，工程师，从事工业及矿山安全成套技术研究工作，主要从事安全监控自动化系统、计算机软件、嵌入式软件的研究。