引 言

對于敷設在電纜隧道和電纜溝中的電力電纜，規(guī)范要求電纜不能長期浸水，電纜接頭不能浸水 [1]，電纜隧道和電纜溝在設計和建造過程中也相應做了防水、排水處理 [2]。但是在實際使用過程中，由于結構滲漏水、局部敞口雨水等因素， 電纜隧道和電纜溝內的積水情況仍大面積存在。如果這些積水不能及時排除，很容易將隧道內的電纜淹沒，輕則因無法檢修維護而縮短隧道及電纜壽命，重則影響用戶及工作人員生命財產安全 [3-4]。為電力電纜隧道或電纜溝加裝基于物聯網技術的積水水位在線監(jiān)測和主動排水系統(tǒng)，不僅能夠實現對隧道和電纜溝內積水水位的實時動態(tài)監(jiān)測，還能夠在水位超限時啟動排水，或者在必要時人工啟動排水，這是在現有條件下有效解決積水問題的可行方法。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)設計原則

積水水位在線監(jiān)測和主動排水系統(tǒng)的設計方案遵從下述指導性原則 ：

(1) 低壓供電 ：所有在電纜隧道或電纜溝內安裝的設備均采用交流 24V或直流 48V低壓供電，確保不引入額外的危險源 ；

(2) 全防水 ：傳感器、采集器采用全密封防水，以適應高濕度甚至浸水環(huán)境 ；

(3) 高可靠性 ：在隧道或電纜溝內的設備選用有線通信方式，所有設備以及設備與后臺之間均采用脈搏信號實時傳遞自身狀態(tài)，實現高可靠的數據傳輸和狀態(tài)感知 ；

(4) 低功耗 ：采用無源傳感器和低功耗技術，水位監(jiān)測點在自供電情況下可連續(xù)工作 3 年以上 ；

(5) 靈活配置 ：一個水泵控制器和多個水位監(jiān)測點組成一個分組，系統(tǒng)由多個分組構成，分組邏輯可靈活設置，適用于各種長度、結構的隧道或電纜溝。

1.2 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)主要由布置在現場的水位采集器、水泵控制器和后臺管理系統(tǒng)構成，現場設備與后臺系統(tǒng)間通過物聯網低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）實現無線組網 [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，一個水泵控制器（含潛水泵和投入式水位傳感器）與多個水位采集器構成一個分組。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進行數據傳輸 ；水泵控制器內含無線通信模塊（GPRS，NB-IoT或LoRa），與系統(tǒng)后臺之間實現雙向無線數據傳輸。水位采集器使用分段式水位傳感器實現對積水水位的定性測量，水泵控制器連接的投入式水位傳感器可實現對水位的精確定量測量。分段式水位傳感器的水位最小分辨率由磁感應水位開關的垂直安裝位置決定（如最小安裝間隔為 100mm，相當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。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，方便獲取隧道整體的水位分布（主要關注積水對電力電纜的浸沒情況）。水位采集器使用內置電池工作，無需額外的電源供應，無附帶安全隱患。

2 單元實現

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、無耗電、高可靠等因素， 選擇磁性水位開關作為分段式水位傳感器的最小單元。磁性水位開關由磁性浮子和內部的干簧管組成，水位未使浮子浮起時，干簧管內部觸點斷開，浮子浮起時，干簧管內部觸點接通。磁性水位開關的優(yōu)點是全密封，電氣部分與外部高度絕緣，不受被測液體清濁、導電率高低等影響。磁性水位開關的兩種常見形式如圖 2 所示。

在一個水位測量點，將多個磁性水位開關按照監(jiān)測水位高度的不同，同時安裝在一條水位標尺上，共同組成一個完整的水位感知傳感器。水位標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置 2個水位開關，在每層電纜橋架對應設置 1個水位開關，以便定性感知隧道內的積水水位。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

采集單元負責定時采集分段式水位傳感器的各磁性水位開關通斷狀態(tài)，并轉換為該監(jiān)測點水位數值后，通過 RS 485 總線傳輸到水泵控制器。為避免引入外部電源可能帶來的潛在安全隱患，并降低布線成本，水位采集器采用內置電池供電。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。由于本方案所選擇水位傳感器本身不耗電，因此可大大提高內置電池的持續(xù)工作時間，再配合單片機的低功耗設計，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 防護等級防水盒。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據傳輸

由于電纜隧道內空氣濕度等因素影響較大，并且隧道為封閉小空間，對無線信號的傳輸較為不利，因此選用 RS 485 總線傳輸方式，以保證數據可靠傳輸。

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

經實地考察，電纜隧道內積水的主要原因是結構滲漏水， 水質相對比較清澈、雜物較少，而電纜溝內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，最大揚程為 6.5 m。水泵自帶缺水、卡機、過熱智能保護功能。

（2）投入式水位傳感器

為實現更為精確的水位測量，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，測量精度可達 0.5 級（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，可將水壓轉換為水位高度的測量值。

（3）控制單元

控制單元主要實現與系統(tǒng)后臺的無線通信，采集水位數據，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。

為避免水泵電機啟停和外部電源波動等帶來的電源干擾，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計。在水泵電源輸出端設置隔離式電壓和電流傳感器， 實時監(jiān)測水泵的工作狀態(tài)。

水泵啟 / 停狀態(tài)和工作電流的監(jiān)測使用霍爾直流電流互感器，在實現水泵工作電流監(jiān)測的同時實現水泵過流保護和啟停工作狀態(tài)識別 [6] ；外部供電電壓的監(jiān)測使用線性光電耦合傳感器，實時監(jiān)測控制器外部供電電壓 [7]，實現外部電源故障和停電自動報警。

3 數據傳輸與無線組網

在系統(tǒng)工作時，由水位采集器定時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的水位值打包后，定時集中上傳到后臺系統(tǒng)。水泵控制器同時上傳到后臺的還包括電源狀態(tài)、水泵運行狀態(tài)等信息。后臺系統(tǒng)可通過向水泵控制器發(fā)送無線指令，遠程設置水泵啟動和關閉的臨界水位，水泵控制器根據臨界水位設定執(zhí)行對水泵的開啟和關閉控制 ；后臺系統(tǒng)也可通過發(fā)送指令，遠程控制水泵開啟和關閉，適合于人工介入控制。系統(tǒng)各設備之間，以及設備與后臺之間的數據傳輸參考《電力電纜及通道在線監(jiān)測裝置技術規(guī)范》中約定的格式進行編碼 [8]。

現場設備與后臺系統(tǒng)之間的數據通信采用物聯網LPWAN， 即廣域網通信技術， 可采用 GPRS，NB-IoT 或LoRa 協議實現。GPRS 和 NB-IoT 存在日常的使用年費和流量費，但技術成熟，通信覆蓋有保證 ；LoRa 具有終端模塊成本低，使用非授權頻段無其他日常費用等優(yōu)點，但在實現廣域覆蓋時，需要搭建私有網絡 [9]。本系統(tǒng)基于可配置的設計思想，以通信模塊可更換的方式，在電路上同時兼容GPRS。NB-IoT 或者 LoRa 協議的使用可根據實際環(huán)境和對于傳輸控制的不同要求來靈活選擇。

隨著各大運營商物聯網公共平臺服務的逐漸成熟，系統(tǒng)也可以選擇接入公共物聯網平臺，以便進一步提高使用效率和穩(wěn)定性，降低運行成本 [10]。

4 結 語

積水水位在線監(jiān)測和主動排水系統(tǒng)不僅能夠實現對隧道和電纜溝內積水水位的實時動態(tài)監(jiān)測，還能夠在水位超限時啟動排水，或者在必要時人工啟動排水，這是在現有條件下有效解決電纜隧道或電纜溝內長期積水問題的可行方法。以上系統(tǒng)的整體方案在實施時分步進行 ：首先，在關鍵位置部署水泵控制器（含水泵），解決積水超限的主動排水和關鍵點水位監(jiān)測問題 ；然后，通過逐步增加部署水位采集器的數量，實現對電纜隧道或電纜溝全域覆蓋的實時動態(tài)水位監(jiān)測。