綜合管廊電力艙綜合監(jiān)測系統(tǒng)集成化研究

王恩德，馬學良，仇天驕，侯 贊，郭 曄

(北京電力經濟技術研究院有限公司,北京 西城 100031)

隨著城市發(fā)展，包括電力、電信、供水、廣播電視信號等兩種以上的公共設施管線的綜合管廊[1]得到了大力推廣。隨著監(jiān)控手段和技術的發(fā)展，隧道除了常規(guī)的通風、排水、照明外，新增了針對隧道本體的井蓋監(jiān)控和氣體、水位等監(jiān)測系統(tǒng)，針對電纜和電纜附件本體電纜光纖測溫在線監(jiān)測系統(tǒng)、接地電流在線監(jiān)測系統(tǒng)、局放監(jiān)測系統(tǒng)等，種類繁多。同時隨著“數字化電網”在電纜隧道中的應用和推廣，作為輸電網重要的感知層設備安裝點，電纜隧道中的監(jiān)控設備必然會越來越多。

而目前已建成的綜合管廊或者電力隧道的各種監(jiān)控手段、平臺，都或多或少存在冗余，通信通道重復預留，甚至各監(jiān)控平臺間不兼容等問題，進行綜合監(jiān)測系統(tǒng)集成化研究刻不容緩。通過集成化研究將大大減少不必要的資金和通道空間資源浪費，同時提高系統(tǒng)的兼容性和擴展能力，并為工程應用推廣提供理論支持。

1 綜合管廊電力艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)現狀

為了統(tǒng)一監(jiān)控系統(tǒng)的安裝要求，國家電網有限公司運檢部出臺了相關文件，目前綜合管廊電力艙及電力隧道內綜合監(jiān)測設備均按此原則安裝。即按照電力艙及隧道內所敷設電纜故障對電力系統(tǒng)影響的情況，將電力隧道進行分級，然后依據分級的情況，差異化配置各種監(jiān)測設備，以兼顧運行要求和經濟性。實際執(zhí)行中，往往存在大量的冗余，造成資金和通道及變電站二次機柜屏位的占用。一方面由于隧道壽命為100年，而電纜使用壽命約30年，電網規(guī)劃10～15年，時間上的不匹配，必然導致隧道等級存在變化的可能，另外隨著新監(jiān)測手段的快速發(fā)展以及泛在物聯的發(fā)展需要，必然導致管廊內綜合監(jiān)測為了遠期預留，往往會有大量冗余。另一方面，綜合管廊一個電力艙內往往敷設有多回工期不一樣的電纜，而部分監(jiān)控設備需要隨電纜敷設而新建，會導致時間工程中同一路由會有多個不同廠家的監(jiān)控系統(tǒng)，這樣也必然會導致通信路由和后臺主機的增加。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)分類

近年來，隨著通信技術的發(fā)展以及各種低功耗、智能化監(jiān)測終端設備在電力隧道運行中的推廣，綜合管廊電力艙及電力隧道內的新監(jiān)測設備層出不窮。為了盡可能減少冗余，節(jié)省通道空間及變電站二次屏柜。

按監(jiān)測對象來分，目前常用的監(jiān)控設備可分為電力電纜本體運行檢測、綜合管廊電力艙內環(huán)境檢測、隧道防火3類，具體設備檢測內容相如表1所示。

1.3 基本框架

在智能監(jiān)測系統(tǒng)中，一般由智能傳感器及信息采集單元、站控監(jiān)測單元、電源與通信單元、巡檢機器人以及電纜網綜合監(jiān)。綜合管廊電力艙或電力隧道綜合監(jiān)測工程從結構層次的角度可分為4層。

表1 綜合監(jiān)測種類

第一層是部署在地下通道及電纜網精益化管理系統(tǒng)。第二層是由多狀態(tài)綜合監(jiān)控主機等軟硬件設備為優(yōu)化系統(tǒng)結構層次、提高信息傳輸效率、便于系統(tǒng)組網而組建的站控級監(jiān)控平臺本地控制中心，本期工程主要涉及多狀態(tài)綜合監(jiān)控主機、有線應急通信主機、應急通信語音模塊、雙熱備份專用電源、以太網交換機、數字音頻配線架、網絡硬盤錄像機、UPS電源系統(tǒng)及多狀態(tài)綜合監(jiān)控柜等，部署在電纜隧道就近的變電站。第三層是實現采集、數字化預處理、通信、控制功能的通信采集裝置(即各種數據采集器和遠程控制單元)，主要涉及隧道采集器、遠程狀態(tài)監(jiān)測控制單元、局部放電采集單元、矩陣紅外測溫采集器等，均部署在電纜隧道內。第四層是終端監(jiān)測裝置(即各種傳感器和遠程控制動作機構)，屬于系統(tǒng)的最底層，主要涉及帶電子鎖玻璃鋼人井內蓋、有害氣體傳感器、氧氣傳感器、可燃氣體傳感器、模擬量投入式水位探測儀、電纜運行狀態(tài)綜合傳感器、矩陣紅外溫度傳感器、防爆紅外攝像機、軸流風機、LED照明燈、智能巡檢機器人以及智能滅火機器人等，均部署在電纜隧道內。

2 綜合監(jiān)測系統(tǒng)的集成優(yōu)化

2.1 硬件集成

通過對各監(jiān)控子系統(tǒng)的分析，不難發(fā)現，站內主機為第二層，即多狀態(tài)綜合監(jiān)控主機，而各監(jiān)控主機多需要配置電源系統(tǒng)、計算主機、網絡系統(tǒng)。顯然同類主機具備整合的可能，比如對于一個220kV變電站往往有22回220kV或110kV電纜出線，而光線測溫主機往往只支持16通道，這樣一個變電站內就需要配置2套同型號的測溫光纖主機，而顯然電源和通信模塊可以共用，只需配置2個采集計算單元即可，這樣就可以整合成1個屏柜。另外對于不同類監(jiān)控主機，比如光纖測溫和局放主機，其電源系統(tǒng)同樣具備整合的可能。通過個系統(tǒng)主機集成，可以將6臺主機屏柜減少為4臺主機屏柜，減少約30%二次屏柜占用量。

隧道內的分布式監(jiān)測系統(tǒng)，主要有供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。而對于低功耗終端，供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)完全可以共用，即采用電力載波的形式，或者采用復合光纜的形式，將多個系統(tǒng)的通信光纖和供電系統(tǒng)整合成一根復合光纜，這樣一方面可以大大減少隧道內通道的占用，另一方面可以減少安裝和后期運維的成本。

2.2 綜合監(jiān)測集成化系統(tǒng)

以某地區(qū)綜合管廊電力艙綜合監(jiān)測系統(tǒng)為例，搭建的集成優(yōu)化后的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)框架采用系統(tǒng)平臺層、多狀態(tài)監(jiān)控主機層、數字預處理層和采集層4層。

系統(tǒng)平臺層依托高壓電纜精益化管理綜合平臺，以提升高壓電纜及通道本質安全水平為主線，從源頭抓管控、以科技提質效，深化電纜六防的信息化管控，形成6個特色應用，最終實現4個提升，開啟專業(yè)建設新征程。進一步深入挖掘數據價值，依托電纜管控平臺，提高設備前期設計、建設的質量管控，提升專業(yè)精益化管理水平，實現“狀態(tài)感知自動化、通道環(huán)境可視化、平臺建設智能化、運維管理精益化、生產指揮扁平化、分析決策智能化”。

為了保證將各系統(tǒng)進行集成，對各系統(tǒng)進行相關約定，保證一定的通用性。其中，邊緣物聯計算設備：泛在連接，支持多種物理接口和用協議，集中多專業(yè)設備和感知傳感器，實現對各類采集終端的統(tǒng)一接入。精確感知，根據適配的多種接口和應用協議，采集不同傳感器和電力設備的數據，完成數據解析和實時計算。邊緣智能，內置策略引擎，根據預置規(guī)則，對電力的業(yè)務進行策略同一控制，并實現與管理平臺的雙向互聯。具備強大的計算能力，可以匹配海量終端，可將采集的數據進行匹配和控制，實現數據的現場使用，現場共享，現場存儲，最終實現區(qū)域的自治；數據傳輸符合國家電網公司安全要求，能夠確保數據和業(yè)務的安全穩(wěn)定。

動態(tài)智能電源通信系統(tǒng)：智能電源供電，可根據現場傳感器功耗情況進行動態(tài)補償，通過負載均享技術實現自動均衡。提高通信帶寬，提升大數據傳輸能力，為后續(xù)高速大數據接入提供通道。支持連接485類型終端及其他第三方類型設備接入，接口靈活性強，并能保障各子系統(tǒng)間時鐘同步性。采用通信電纜供電與通信，并支持分布式部署，可實現分布式供電，分布式數據管理，可加入區(qū)塊鏈技術，提高數據交互及處理能力。系統(tǒng)每個節(jié)點終端都支持智能手機的藍牙接入，通過服務平臺和手機App相應功能可實現信息廣播推送、語音對講、短視頻交互、設備配置管理等功能，在隧道內應急搶修等情況下實現音視頻實時交互。帶協議網關及防火墻，保障數據接入的安全性。

智能狀態(tài)感知設備：設備具備數據處理、控制和通信功能，通過完善優(yōu)化紅外測溫、接地環(huán)流、高頻局放、隧道機器人等在線監(jiān)測功能，實現電纜本體狀態(tài)實時感知與分析診斷。通過水位、溫濕度、有毒有害氣體、結構沉降、井蓋監(jiān)控、低功耗視頻、振動光纖等監(jiān)測技術應用，實現電纜通道內外部環(huán)境的實時監(jiān)控。

2.3 綜合監(jiān)測終端

2.3.1 人臉識別門禁系統(tǒng)

人臉識別驗證過程非接觸，自動人臉識別，自動鑒別出入人員的身份；非法用戶進行識別，人臉將會被抓拍留底；管理軟件按時間、按人員設置有效開門區(qū)域、有效開門時段的權限；隨時查看人員出入的歷史記錄；管理軟件設置、修改人員的出入驗證的權限。

2.3.2 智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)

采用分層、分布式結構，主要由井蓋、井蓋電控鎖、井蓋鎖控制器、隧道地信通網絡和監(jiān)測主機。

采用實時在線監(jiān)測方式，實現電纜井蓋的集中控制、遠程開啟及非法開啟報警等功能，并有效防止未經許可人員進入電纜隧道內。

2.3.3 隧道智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)

隧道智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)可利用信號處理技術、智能圖像處理技術、高清寬動態(tài)技術、PIR人體偵測技術及現代計算機技術的智能視頻監(jiān)控分析系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)工作人員對監(jiān)控畫面進行監(jiān)視和分析的模式，有效提高了報警的精確度和響應速度，它通過嵌入在前端設備（網絡攝像機或視頻服務器）中的智能視頻模塊對所監(jiān)控的畫面進行分析，并采高級用智能算法與用戶定義的安全模型進行對比，一旦發(fā)現安全威脅立刻向監(jiān)控中心、值班人員報警。

2.3.4 高壓電纜本體在線監(jiān)測系統(tǒng)

電纜及電纜中間接頭、終端頭過熱如不能及時發(fā)現和處理，會引發(fā)爆炸與火災等惡性事故，是嚴重影響安全生產的因素之一，如果能對電纜運行溫度進行實時的監(jiān)控，就能提前避免這些事故的發(fā)生，將電纜運行的安全隱患消除于萌芽狀態(tài)。

2.3.5 電纜接地電流監(jiān)測系統(tǒng)

高壓電纜護層接地電流在線監(jiān)測系統(tǒng)可實現對高壓電纜線路電護層接地電流24h不間斷連續(xù)在線監(jiān)測，測量范圍0～300A（AC），取代傳統(tǒng)人工方式的定期接地電流巡測，大大減輕現場測量的勞動強度，提高系統(tǒng)維護效率。

2.3.6 分布式光纖振動防外破監(jiān)測系統(tǒng)

分布式光纖振動防外破監(jiān)測系統(tǒng)是一種快速響應且“可定位”線型振動防外破監(jiān)測系統(tǒng)，—般由分布式光纖振動主機、溫度振動感測光纜及系統(tǒng)應用軟件及相關部件組成，通過光纖振動測量技術，實時測量電纜隧道周圍的振動情況，對所檢測到的振動信號進行分類、識別可減小誤判率，明確引起振動的外部事件源，并根據光纖振動技術對振動源進行精確定位，對可能引起電纜故障的外破苗頭進行預警，有利于運維部門進行正確、合理的決策，最終大大減輕運維人員壓力，降低外破事件發(fā)生率，提高供電可靠性。

2.3.7 可燃氣體監(jiān)測子系統(tǒng)

通過對電纜隧道內有害氣體（一氧化碳、硫化氫等）、空氣含氧量、水位等環(huán)境參量進行監(jiān)測，可有效監(jiān)測到隧道內水位及氣體情況，及時發(fā)現由于外部跑水至電纜隧道內，外部可燃氣體進入隧道內等情況。通過水位、氣體監(jiān)測報警，及時發(fā)現隱患點所在位置及水位數值、氣體成分含量等情況，并上報和記錄原始數據；具備智能聯動控制功能，當隧道內的有害氣體含量、積水情況及環(huán)境溫濕度超過一定標準時，自動啟動排風、排水裝置進行通風、排水。為電力電纜的安全可靠運行提供全面的技術保障，改善電纜隧道運行環(huán)境，保證電纜隧道及隧道內電力電纜的安全穩(wěn)定運行有重要意義。

2.3.8 隧道智能巡檢機器人子系統(tǒng)

圓軌式巡檢機器人是整個系統(tǒng)的核心組成部份，也是實現電纜隧道智能巡視的主體。秉承模塊化、高性能、高密度、強兼容、高防護等設計原則，圓軌式巡檢機器人由車體結構、中央處理單元、無線通信模塊、電源驅動模塊、導航避障模塊、視頻成像模塊、環(huán)境感知模塊、燈光控制模塊等應用模塊組成，具有智能精確定位、智能跟蹤、智能避障、智能成像、智能測距、智能控制、自動穿越防火門等功能，可實現對重點電纜隧道的不間斷智能巡檢，取代人工巡檢同時當發(fā)生緊急情況時可以將現場情況第一時間內最清晰地采集到監(jiān)控中心，可實現在必要時對電纜隧道或電纜的特定部位采取有效的處理措施。

3 結束語

本文提出了綜合管廊綜合監(jiān)測系統(tǒng)的集成思路，并基于復合光纜和集成主機的形式，對綜合監(jiān)測系統(tǒng)進行了集成優(yōu)化，實現了通道內一根復合光纜實現全部有線通信和部分低功耗采集模塊的供電，同時通過各系統(tǒng)主機模塊的集成，減少總屏柜約30%。