變電站二次電／光纜敷設與運行管理的優化設計

姚念征， 錢 平， 吳夢初

（上海應用技術學院a.機械工程學院；b.電氣與電子工程學院；c.工程創新學院，上海 201418）

變電站二次電／光纜敷設與運行管理的優化設計

姚念征a， 錢 平b， 吳夢初c

（上海應用技術學院a.機械工程學院；b.電氣與電子工程學院；c.工程創新學院，上海 201418）

分析了變電站二次電／光纜敷設與運行管理中存在工作繁瑣、效率低下的現狀，對GSN電光纜敷設軟件的應用和RFID系統進行了研究，實現了電纜和信號光纜敷設設計的智能化功能.給出了電纜和信號光纜從施工敷設到后期改造的智能化信息管理的優化方法，提高了變電站工程建設的效率.

電光纜；GSN自動敷設軟件；射頻識別技術；電光纜吊牌

隨著我國電力體制改革的不斷深化，在對傳統變電站進行智能化改造的同時也在大力推進智能變電站的建設.二次電纜和信號光纜（以下統稱線纜）的敷設以及安裝質量作為智能化變電站建設的一項重要內容，影響著智能變電站主設備的可靠性，關系著系統的安全經濟運行.一般情況下，一個傳統220 k V變電站的二次線纜的數量可達上千甚至數千條，而智能變電站雖然減少了電纜數量但增加了信號光纜數量，二次線纜的總量仍然巨大［1-2］.

電力工程建設的效率始終是非常重要的.分析現有的設計和施工流程發現，線纜清冊編制需要人工統計長度，導致線纜長度不夠準確，冗余度把握不準.其次，在線纜敷設施工時，傳統做法是制作線纜吊牌，吊牌上標示該線纜的兩端位置、芯線數量、線纜編號，然后固定在各線纜纜頭上，以備安裝人員、調試人員或運行值班人員檢查.吊牌安裝位置的正確與否直接影響到線纜的施放質量和安裝接線效率.據現場調查，因線纜施放位置或吊牌信息錯誤，導致接線不正確的情況時有發生，造成了不必要的返工，且增加了后續繼電保護及其他調試的難度，存在不能按時正確送電的風險.另外，一些舊電站改造項目中，經常看到線纜大部分埋在線纜層或線纜溝內，只有兩頭能看到.而線纜吊牌因年限已久以及潮濕環境變得模糊不清，其結果給拆老線纜的施工人員造成極大的麻煩，降低了施工效率［3-5］.

為了提高變電站線纜敷設質量和效率，以及今后施工人員對線路的巡檢、變電站的智能改造，適應智能變電站的運行管理要求，應著重從線纜的敷設設計、現場施工以及巡檢等方面進行分析、優化，利用技術手段，完成二次線纜從線路敷設設計、施工到運行、巡檢、改造、管理等全流程（以下簡稱線纜工程）的系統優化.

1 智能變電站線纜工程系統優化的總體設計

基于GSN三維線纜敷設軟件以及RFID技術，對施工現場遇到的線纜布線或變電站智能化改造線路遇到的吊牌信息缺失等問題進行分析和研究，制定出一套能提高線纜設計水平、施工和檢驗效率，增強安裝準確度，降低人為出錯率的系統方案.該系統主要有3大系統模塊組成：

（1）線纜敷設設計模塊.能快速準確地按最優化選擇最佳敷設路徑，準確地統計出各橋架和線纜信息以及所需的線纜長度，能自動地建立線纜信息數據庫，為下一步施工和巡檢提供工程數據等.

（2）線纜敷設施工模塊.將設計模塊輸出的工程數據導入RFID寫入器，制作線纜吊牌電子標簽.實現智能化安裝線纜.

（3）智能巡檢模塊.能實現非接觸式識別線纜吊牌，準確地讀取吊牌攜帶的線纜信息和設備位置信息，方便快捷地檢驗線纜安裝信息，并及時地返給后臺的操作人員等.

2 線纜敷設設計模塊

根據文獻［6］中規定，電纜敷設方式一般有穿管式、直埋式、槽盒或橋架敷設等多種方式.在二次線纜敷設施工時常采用橋架或豎井的方式［7］，以減少工程量、便于施工.

2.1 GSN軟件技術

GSN系統是以AutoCAD為平臺，基于數據庫支持、設計與施工管理一體的電纜敷設設計三維軟件，主要解決基礎設施中的電纜敷設設計和施工問題.在設計階段，軟件主要解決電纜橋架設計，實現電纜路徑最優化設計，輸出電纜長度及敷設路徑信息，其創建的三維橋架模型還可用于協同設計和碰撞檢查.在施工、運營中，可對電纜敷設、安裝進行管理，進而幫助用戶提高設計效率，保證設計質量，節約施工設計以及運營維護中的時間和成本.GSN敷設設計軟件的信息流程如圖1所示.

圖1 GSN線纜敷設信息流程圖Fig.1 Flow chart of GSN cable laying information

2.2 電纜敷設設計流程

基于數據庫支持，該軟件能自動搜索符合規則的最佳敷設路徑，提供檢查校驗工具，生成統計報表，發布施工數據庫.其設計步驟：

（1）將線纜數據信息導入，對橋架和所經設備編號定義.

（2）按設計要求自定義電纜（Segregation Code）與敷設通道（Service Code）之間匹配規則，橋架及導管容積率、穿管根數.讀取電纜的起點與終點的邏輯信息，采取最優算法按敷設的最短路徑原則進行敷設.其敷設后的三維效果圖如圖2所示.

圖2 線纜橋架三維視圖Fig.2 Three-dimensional view of cable bridge

在線纜敷設的三維圖中能夠看到已經敷設的電纜的視圖，可查詢和顯示橋架的寬和高、電纜類型、距地高度、橋架編號以及線纜根數等.軟件也可根據不同線纜的截面、芯數、類型、外徑等計算容積率并校驗，保障敷設的合理性.

（3）設置線纜的長度裕度系數以及兩端接線屏高度等參數，軟件將自動計算出每根線纜的長度.

（4）敷設軟件輸出每根線纜所經過的橋梁編號信息和長度，為現場施工提供更加完整的電纜敷設信息.

基于數據庫的GSN三維線纜敷設軟件，可將所有數據存儲于數據庫中，操作簡便靈活.創建的三維橋架模型可加載到主流3D設計軟件中，如PDS＼PDMS＼Plant 3D＼PlantSpace等，用于三維空間的協同設計.軟件能自動生成標注、圖例和材料表以及橋架布線剖面（見圖3），同時從三維軟件中可提取二維圖紙及材料報表，取代了傳統手工統計，極大地縮短了統計線纜長度的時間，提高了現場施工的效率.

圖3 橋架剖面圖Fig.3 Sectional drawing of cable bridge

以上海市青浦區平朝樓110 k V變電站施工統計為例，整站手工統計線纜長度需要4個工時，使用軟件后統計線纜長度僅需1.2個工時，足足縮短了70%的時間.其耗時對比如圖4所示.

圖4 線纜統計耗時表Fig.4 The time-consuming table of cable statistics

3 二次線纜智能安裝和智能巡檢系統模塊

針對線纜敷設的施工以及常規巡檢任務，設計了一種基于RFID技術，集GPS定位系統和安卓智能系統為一體的線纜線路智能安裝和巡檢系統.該系統主要有閱讀器、閱讀點、中間件（即平板電腦和智能手機）以及數據管理平臺等組成，如圖5所示.

圖5 二次線纜智能安裝和巡檢系統Fig.5 Secondary cable intelligent installation and inspection system

該系統的工作原理：①將電纜清冊的工程數據導入RFID寫入器中，制作線纜的電子標簽式吊牌，懸掛于線纜上，用于閱讀器的閱讀點；②在線路安裝完成后，手持閱讀器對每個閱讀點上攜帶的信息進行讀取，定位其設備所在位置，校驗線纜布線及其位置是否正確，有無冗余.將讀取的標簽信息和GPS數據組合存儲于CT卡內，任務完成后將CF卡內的數據上傳于管理系統平臺做分析處理；③在變電站進行線路或保護屏柜等進行改造時，根據預先設定的規則，手持閱讀器讀取電纜標簽內的信息，找到外部回路線纜走向，及時、準確的拆除老的外部回路線纜.該系統設計主要解決兩個方面：一是二次電光攬線路安裝及智能巡檢工作，二是智能變電站的線路改造.

3.1 線纜智能敷設施工模塊

傳統的線纜安裝是施工人員將傳統吊牌懸掛于線纜上，線纜敷設是以圖紙和場地分析后進行敷設施工［8］.由于現場環境較差，且施工圖紙厚重繁瑣，造成人工大部分時間用于分析圖紙，特別是在圖紙遺失時更是一籌莫展.為解決上述問題，對傳統線纜安裝過程進行優化設計，設計了智能安裝模塊.采用智能安能模塊則可減去查閱厚重圖紙的時間，直接依靠閱讀器讀取吊牌信息進行施工，可大大減少人工工時，提高線纜敷設施工效率和準確率.其線纜敷設施工優化流程如圖6所示.

圖6 線纜敷設施工優化流程圖Fig.6 Flow chart of cable laying and construction optimization

線纜智能敷設施工模塊采用無源電子標簽作為信息載體，將線纜吊牌制作成信息數字化的非接觸識別線纜吊牌，并將其分成位置標簽和線纜標簽：①位置標簽，用于保護柜位置以及保護柜進出線纜信息的管理，其內部采用64 KB大容量芯片，并安裝GPS定位裝置，信息包括該保護柜的名稱、型號、位置，還包括保護柜內線纜排線纜的數量、編號等相關信息；②線纜標簽，其標簽表面印刷有線纜型號、起點和終點、線纜線數的信息，其內部芯片置有除吊牌表面印刷的信息外，還包括經過橋架的閱讀點、橋架編號、線纜的長度、線纜內部芯數以及該線纜兩端連接的設備型號和位置等信息.

現場施工時，可采用2種施工方案：①先確定位置標簽的安裝位置，再掛設線纜標簽.施工人員手持閱讀器讀取位置標簽信息，確定位置標簽安裝的保護柜位置.讀取保護柜進出線纜編號，找出線纜標簽.讀取線纜標簽信息，確定線纜型號、長度以及線纜敷設走向等，制作線纜，懸掛線纜標簽，完成線纜安裝.②位置標簽與線纜標簽同時安裝.施工人員手持閱讀器讀取線纜標簽信息，確定線纜型號、長度等信息，制作安裝線纜，并懸掛線纜標簽.手持閱讀器讀取位置標簽信息，確定位置標簽的安裝的保護柜位置，讀取保護柜進出線纜編號，找到事先制作的線纜，再次讀取線纜標簽信息完成線纜施工.

方案①施工安裝時有先后順序，施工時間較長，但對施工人員的數量要求少.方案②為同時施工，減少了整體施工時間，但對施工人員的數量要求多.兩種施工方案均能有效地優化線纜施工工程，施工時可根據現場人員配置以及工期要求合理選擇施工方案.

3.2 智能巡檢模塊

智能巡檢模塊主要依托RFID為技術手段，通過手持式閱讀器對閱讀點進行讀取，完成智能巡檢.在線路驗收完成后的驗收工作或定期巡檢時，手持閱讀器對閱讀點進行讀取，閱讀器將讀取的內容包括該線纜的型號、線纜長度、線纜的起點位置和終點位置，線纜內部芯數、敷設路徑，橋架的編號等信息顯示于閱讀器屏.位置標簽同時帶有設備位置定位顯示于閱讀器屏上，供巡檢人員查看.然后閱讀器將讀取的標簽信息和GPS數據組合在一起存儲于CT卡內，任務完成后將CF卡內的數據交于管理系統平臺做分析.

與傳統的巡檢相比，傳統的巡檢任務是巡檢人員攜帶厚重的圖紙，對每一個線纜上懸掛的標簽進行核實，然后根據標簽和圖紙上攜帶的信息，檢驗線纜線路的正確與否，工作繁重，占用人工多，耗時長，效率低下，特別是在定期巡檢或線路改造時，由于時間長久，環境差等因素造成線纜吊牌上的信息模糊不清甚至全部消失，造成無法確認要巡檢的線路，也大大增加了改造線路時拆除老回路的難度，經常造成誤拆.智能巡檢模塊將線纜信息數字化，保存于電子標簽內部芯片中，巡檢時，擺脫了攜帶厚重的圖紙進行線路核實的繁重任務，對于線纜吊牌上信息模糊不清或丟失等情況，無須再用圖紙進行一步一步地核對，從而減少了人工耗時，極大的提高了巡檢效率和準確性，實現了智能變電站的智能巡檢任務，為以后的線路改造提供了更加簡單、高效的線路拆除方法.

4 結 語

將GSN軟件技術引入變電站線纜敷設設計，實現了線纜敷設設計智能化.線纜信息數據存儲于數據庫，便于快速查詢，取代了傳統手工統計，縮短了線纜參數統計時間，提高了設計效率.引用電子標簽技術，可實現線纜現場施工以及巡檢的智能化，節約了變電站施工工期，提高了施工效率.這一方案優化了傳統變電站線纜敷設設計以及運行管理，在今后的智能化變電站工程建設和工程改造中有較廣泛的應用前景.

［1］ 劉召杰.智能變電站二次電光纜敷設自動敷設設計及全流程管理［J］.安徽電氣工程職業技術學院學報，2013，18（3）：7-10.

［2］ 況驕庭，徐建國，陳晴，等.智能變電站線纜敷設設計優化［J］.電力建設，2012，33（5）：41-44.

［3］ 鄭少鵬.大型電站工程電纜設計與施工的一些方法［J］.電力建設，2004，25（2）：5-6.

［4］ 錢昌偉.芻議電力系統中電纜敷設技術存在的問題與優化對策［J］.科技致富向導，2013（6）：152.

［5］ 李繼偉.智能型地埋電纜路徑檢測技術研究和系統設計［D］.西安：西安電子科技大學，2010.

［6］ GB 50217—2007電力工程電纜設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［7］ 張予紅，張全安.變電站電纜立體交叉排列敷設方法［J］.中國電力，2009，42（8）：83-86.

［8］ 郭延江.電纜敷設技術在10 k V電力配電工程中的應用［J］.電子技術與軟件工程.2013（23）：161.

（編輯 俞紅衛）

Optimization Design of Secondary Electrical／Optical Cable Laying and the Operation Management in Substation

YAO Nian-zhenga， QIAN Pingb， WU Meng-chuc
（a.School of Mechanical Engineering；b.School of Electrical and Electronic Engineering；c.School of Engineering Innovation，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Based on the analysis of the present situation about the tedious work and inefficiency in secondary electrical／optical cable laying and operation management，the application of the GSN electric cable installation software and RFID system were researched，intelligent function of the cable and signal cable laying design was realized.Optimization method of cable and signal cable from laying to the late reformation in intelligent information management was put forward，which could improve the efficiency of the project construction in intelligent substation.

electric and optical cable；GSN automatic installation software；radio frequency identification（RFID）technology；cable tag

TM 757

A

1671-7333（2015）01-0074-05

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.01.013

2014-08-16

國家自然科學基金面上資助項目（61374132）

姚念征（1987-），男，碩士生，主要研究方向為機電系統智能化集成技術.E-mail：yaonz1224＠163.com

錢 平（1960-），男，教授，碩士生導師，主要研究方向為電力電子和電氣傳動裝置.E-mail：qping＠sit.edu.cn