油气管道阀室安防系统低功耗解决方案

高世杰（中国石油管道局工程有限公司）

引言

目前，管道阀室均为无人职守阀室，为便于远程了解阀室内部及周边的安全情况，需要设置安防系统，主要包括：视频监控子系统、入侵探测子系统。按照常规安防系统的设置方法，视频监控子系统、入侵报警子系统相互独立设置，耗电设备数量较多，系统整体耗电量较大。分析管道阀室的建设特点：大多建设在人烟稀少的偏远地区、征地面积较小、使用太阳能供电系统进行供电。总结出设置阀室安防系统面临的主要问题为：较大的安防设备功耗叠加上阀室内仪表、工艺、传输系统的功耗后，造成阀室整体用电量的大大增加，而仪表、工艺、传输系统的功耗通常情况下无法进行缩减；耗电量增加一方面将造成太阳能电池组件面积太大无法在较小阀室内放置，另一方面也会造成蓄电池容量及数量增加，导致较小的设备间无法摆放过多的蓄电池。因此，需要设计一种功耗低、系统简洁、适用于管道阀室的低功耗安防系统。

1 阀室低功耗安防系统

阀室低功耗安防系统由阀室部分和站场部分构成。物理构架为基于IP的2层网络构架。逻辑构架为基于物联网技术的3层网络构架，分为：感知层、网络层、应用层[1-2]。

感知层：通过智能IP网络摄像机[3-4]实现阀室现场的视觉感知、三鉴/微波探测器实现对阀室现场一定范围内的移动物体的探测与感知、声光报警器用来实现感知到入侵信号时的现场警示；网络层：通过局域网交换机、专网/公网传输设备实现阀室本地、站场与阀室的数据交换与传输；应用层：分为主机支持层与提供服务层，主机支持层为提供服务层功能的实现提供硬件支持。网络拓扑图见图1，逻辑拓扑图见图2。

图1 阀室低功耗安防系统网络拓扑图

该系统与常规安防系统的区别在于：

1）基于物联网构架搭建，将不同设备分层、分区域部署，降低电源匮乏区域的耗电设备数量。

2）增加内置微处理器的低功耗网络继电器[5]，实现阀室部分主要耗电设备（摄像机、声光报警器）的按需启/停、及时启/停，远程启/停操作，进而实现电源耗电量的智能可控，改变了常规视频监控系统24 h连续运行的模式，削减了安全状态下的耗电量。

图2 阀室低功耗安防系统逻辑拓扑图

2 阀室低功耗的实现方法

2.1 选用新设备，分层、分区域部署设备

选用内置微处理器的低功耗网络继电器替换功耗较大的入侵报警主机。网络继电器具备开关量、干节点、继电器信号的输入/输出能力，可接入IP网络，具备自编程逻辑控制能力及远程操控能力，能够满足阀室的控制需求。网络继电器功耗在2 W左右，而报警主机的功耗在25 W左右，既满足了功能需求又降低了功耗。

目前，阀室为传输生产数据，均配备有专用光传输设备/公网传输设备与邻近站场进行通信，因此，可将视频监控系统的NVR部署在远端站场内，减少阀室内的耗电。

2.2 按需启/停的实现

实现按需启/停，需解决的关键问题是及时启/停[6-7]，否则无法及时记录并警示入侵行为。IP摄像机从电源开启到可上传视频图像的时间间隔为15～20 s[6-7]，显然，启动时间过长不能满足及时启动的需求。必须引入“超前控制”的概念[8]，提前对入侵行为进行探测，预先启动摄像机。

该设计选择带自处理功能的三鉴/微波探测器进行探测。通过分析入侵行为的发生时间，将三鉴/微波探测器的探测半径设置为10 m，当10 m范围内存在可疑人员时启动摄像机，并通过摄像机的前端智能分析功能进行人员行为分析[9-10]，在分析到确实有攀爬、破坏等行为时，联动现场警示设备，并上报邻近站场运维人员。整个系统运行步骤及流程详见图3。

图3 阀室低功耗安防系统工作流程

3 系统耗电分析

根据国内主要输油气管线的工程设计经验，阀室供电系统通常为离网式光伏发电系统加备用蓄电池，供电电压为24 V，安防系统的后备时间通常情况下不小于3天，部分地区连续阴雨天数较多，后备时间在5～7天。为便于横向对比说明，该设计选取国内某主干管线49#阀室建设模式进行说明。各设备功耗统计见表1。

根据表1得出常规安防系统日平均耗电量计算方法如下：

日平均耗电量为视频监控系统日平均耗电量、入侵探测报警系统日平均耗电量、传输系统日耗电量三者之和。

根据表1、以及对西气东输、双兰线、中缅管道、轮库线、库鄯线、哈沈线的部分阀室调研情况：90%以上的阀室位于极少有人活动的戈壁、荒漠、无人区、山区等地区，少于10%的阀室位于人员活动较少的城镇、乡村的郊区，人员在阀室10 m之内活动的日平均累积时间在0～12 h，其中，90%以上的阀室的人员活动的日平均累积时间靠近0～6 h，那么阀室低功耗安防系统日平均耗电量为24 h连续运行设备的日平均耗电量与按需开启设备的日平均耗电量之和。

其中：24 h连续运行设备的日平均耗电量为三鉴/微波探测器日平均耗电量、光口交换机日平均耗电量、网络继电器日平均耗电量三者之和。

由于增加了智能分析功能，且可以通过网络继电器远程启/停声光报警器，使得声光报警器日平均工作时间约为零，本次分析将忽略其日平均耗电量。

按需开启设备的日平均耗电量为两倍球形IPC耗电功率与摄像机受人员活动影响，导致的日平均开启累积时间之积。

通过上述方法及太阳能系统的配置计算，得出常规安防系统、低功耗安防系统所需太阳能供电系统配置及耗电量对比情况，如表2所示。

结论分析：阀室低功耗安防系统的日平均耗电量为常规安防系统的日平均耗电量的10%～37.3%。在后备时间3天的情况下，电池组件功率降低40%～60%，蓄电池容量降低62.1%～76.2%，板阵面积减小4.04～6.06 m2。结合图3得出，低功耗安防系统的太阳能供电系统在阀室建设是可行的。

4 控制稳定性及经济效益分析

低功耗安防系统控制信号全部采用开关量信号，而常规安防系统中控制信号采用RS485与开关量信号混合使用，因此，低功耗安防系统控制信号的稳定性、可靠性、抗干扰性明显优于常规安防系统。系统整体投资节省情况见表3。

5 结论

通过测试与计算，本设计新型低功耗安防系统是完全可以实现的，且具备功耗低、功能全面、接口标准、扩展性强、搭建方便、投资低的特性，取得了良好的效果。不仅满足了油气管道阀室对安防系统的功能需求、低功耗需求，更能够满足远程巡检的需求，提高了运维人员的巡检效率，减少了无效巡检次数。同时，由于耗电量较低，降低了太阳能系统的容量，减小了极板的面积，减少了阀室用地面积。大大降低了偏远阀室进行安防系统建设与运行维护的整体投资。有广阔的应用前景，为地处偏远、耗电量受限、征地面积较小的阀室进行安防系统的建设，提供了良好的解决方案与设计思路。

表1 常规安防系统与低功耗安防系统阀室设备配置

表2 常规安防系统与低功耗安防系统的太阳能供电系统关键参数对比

表3 经济效益估算统计表