特長隧道智能配電系統設計與應用

王 穎

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

近年來，隨著我國高速公路網的快速發展，出現了越來越多的隧道群、特長隧道，如何更好地保障隧道運營安全，是隧道設計和運營中考慮的首要問題[1]。隧道是一個相對封閉的環境，運營環境較為特殊，通風、消防、照明、通信、監控等配套設施是保證隧道安全高效運營的基礎，因此為這些負荷提供安全可靠的供配電顯得尤為重要[2]。傳統被動的進行運行維護的配電系統已無法適應交通產業日益增長的數字化、智慧化管理以及運維的需求，基于物聯網、大數據及智能決策技術深度融合的智能配電系統具有可靠性高、運行維護主動、安全性高以及互聯互通性強等特點，并且為滿足隧道實際的需求還可以進行擴展設計，從數字化過渡到智慧化，建立“人——設備——數據”的互聯互通，從經驗驅動創新發展到數據驅動，使其可以更好地滿足隧道自動化運維、管理的需求。本文基于智能配電系統的技術特點與優勢，結合隧道配電系統運營的實際需求，以G98環島高速三亞崖州灣隧道工程實例為切入點，通過優化隧道內供配電方案，確定了隧道工程的智能配電系統設計方案及其應用方向和要點，提升了隧道供配電設施供電安全性和可靠性，有力保障了隧道平安、智慧、高效和可持續運營。

1 工程概況

海南G98環島高速是溝通海口至三亞兩城市，連接海口市、澄邁縣、臨高縣、儋州市、洋浦經濟開發區、白沙縣、昌江縣、樂東縣、三亞市的交通主干線，也是海南省高速公路網中的主骨架。現狀G98環島高速為路堤形式，從崖州灣科技城重點片區中間穿越，對片區有嚴重的割裂作用，兩側地塊無法溝通，嚴重制約崖州灣科技城重點片區的建設發展。該工程是海南G98環島高速的一部分，位于三亞市崖州灣科技城重點片區，為新建G98環島高速隧道段項目，隧道規模為雙向四車道，長度為3.93 km，其中暗埋段3.09 km，隧道中間未設置匝道，主線為雙向四車道并兩應急通道設計，其中隧道10 kV變電所總體布置如圖1所示。

圖1 隧道10 kV變電所總體布置圖

2 隧道用電負荷及供電方案設計

隧道工程的供電應確保隧道安全可靠地正常運行，滿足設計規范中對不同等級負荷的供電要求。

2.1 負荷分級

G98環島高速三亞崖州灣隧道重要電力負荷的分級如下：

（1）一級負荷：隧道內應急照明、基本照明、射流風機、消防泵、消防風機、監控設備等，其中應急照明等為特別重要負荷。

（2）二級負荷：加強照明、排水泵等其余負荷。

（3）三級負荷：檢修電源等其余負荷。

2.2 供電電源及接線方案設計

根據負荷分布的特點，隧道擬設4座分變電所，隧道1#、4#變電所為地面式泵站變電所，按照當地行業管理要求，另增設1路柴油發電機為備用電源的主接線，低壓側為單母線分；隧道2#、3#變電所為以隧道射流風機為負荷中心和主要負荷的變電所，主接線為兩路10 kV雙變壓器接線，低壓側為單母線分段，中間設聯絡開關，接線方案如圖2所示。

圖2 隧道接線系統圖

2.3 負荷計算

根據表1負荷計算，隧道采用兩路10 kV電源供電。受隧道用地條件限制，該工程隧道與管理中心變電所距離較遠，分別以管理中心變電所、隧道1#變電所作為受電電源點，隧道10 kV電源引自城市電網，兩路電源同時運行，當一路電源退出運行時，另一路電源應能承擔隧道100%負荷正常運行，不能同時停電。

表1 變電所負荷計算表

該工程用電負荷按變電所的設置分為：（1）隧道風機和照明用電；（2）泵站用電；（3）管理用房建筑照明和消防用電。

3 隧道智能配電系統架構

近年來，隨著制造工藝的提高、信息技術的發展，結合最新技術的新型智能配電系統便應運而生。該系統是基于物聯網的數字化配電解決方案，結合控制技術、云計算和大數據分析與服務等，將配電系統中的智能設備互聯互通，從安全性、可靠性、穩定性等方面，對配電系統各個環節、重要運行參數進行在線、實時監測以及設備健康狀態的預測，為配電系統合理調配及能源數據的科學分析提供智能輔助決策[3-4]，實現主動性高效維護，保障配電運行更加安全、可靠，全方位地改善了傳統的配電系統。

由于國家目前尚未頒布相關智能配電系統的標準及規范[4-5]，設計人員在具體工作中無行業依據，隧道項目智能化配置一般需要多個單體整體監控，包括隧道、泵站、城市道路、管理站等，采用強弱電一體化或中低壓一體化方案，也可根據項目不同采用三遙或四遙監控模式以及現場手動與遠端遙控相結合方式，本文通過智能配電系統與傳統電力監控系統的對比（見表2），并綜合考慮隧道實際運維管理的需要，給出一種智能配電系統的架構方案，如圖3所示。

圖3 隧道智能配電系統架構方案

表2 智能配電系統與傳統電力監控系統架構功能對比

通過智能配電系統的上述管理，全方位改善配電系統，可提高供電的可靠性、安全性以及高效性，實現預防性維護，提升隧道的運營效率和設備使用效率，提高隧道運營中的能源利用率。上述架構可通過智能化的電力設備、集成化的控制系統與基于物聯網大數據和人工智能的有機結合實現，如圖4所示。

圖4 智能配電系統三層架構

4 智能配電系統在隧道中設計與應用

4.1 智能配電系統設計拓撲

通過調研目前主流智能配電系統領域產品線及其配套的軟件系統，本隧道工程智能配電系統設計方案采用了如圖5所示的系統網絡拓撲圖，項目配電室現場部署軟硬件一體的站控管理單元，便于現場實現配電站的主動運維。

圖5 隧道智能配電系統網絡拓撲圖

4.2 主要硬件設備和軟件系統選型

電氣設備應具有鹽霧不易腐蝕的性能，在沿海地區使用過程中保障設備運行安全、可靠。同時，各類硬件可選配的功能十分豐富，設備選型以經濟合理為基本原則，既要保證系統功能的實現，又要避免配置過高造成浪費。隧道內五座變電所無人值守，要求高、低壓設備互通互聯具有智能配電系統功能，并配有相應數字化，監控平臺及通信組件。隧道所應用的配電系統，在常規情況下系統中低壓配電柜配置了眾多類型的儀表，主要用來動態監測系統的運行狀態，及時掌握系統的變化情況。高壓開關柜選用智能型金屬鎧裝中置移開式開關柜，具有卓越的抗內部電弧能力；低壓開關柜選用智能型金屬封閉固定分隔式；變壓器選用節能型干式變壓器。

4.2.1 P remS et屏蔽式固體絕緣開關柜

4.2.1 P IX中置式金屬鎧裝柜

該工程選用的中壓Pix系列原廠柜采用空氣絕緣，防止隧道內高濕度變化氣候環境中產生凝露帶來的危險，在斷路器室和電纜室內分別裝設加熱器，同時還能防止腐蝕的發生。主動運維智能單元PMBOX可就地顯示實時變電站設備信息，主動運維智能單元APP手機能直接讀取NFC預存儲的信息，還可支持遠程運維操作，實現對關鍵參數的實時監測與診斷，大大減輕人力操作時間和運維成本。

4.2.2 Bloks et智能低壓配電柜

該工程選用滿足高可靠性要求的低壓成套設備Blokset，適用于400 Hz以下，額定電壓690 V，絕緣電壓1 000 V，額定電流6 300 A及以下的電力供配電系統，符合IEC60439-1、IEC60529、IEC60947等相關標準，將具有高級保護和通信功能的元件集成到設備中，能夠實現電能的精準測量及開關狀態的輕松捕捉，系統具備高水準的可靠性和安全性，并加強了對人身和設備安全的保護。高質量、高可靠性的產品保證了供電的連續性和系統的耐用性。

4.2.3 數字化運維管理平臺——千里眼

千里眼是基于云計算的開放平臺工具，將智能硬件中的信息進行安全匯集和處理，對配電設備和場所進行高效易用的資產管理、狀態監測、運維作業和數字服務，全面實現低壓柜的移動運維功能。辦公室管理人員通過網頁PC端，可以全面細致地進行資產、派單管理和事件追蹤，同時還能實時數據單線圖看板。現場運維人員則可通過手機APP端接收工單任務，定位故障位置，通過掃碼訪問，快速查看資產數據，記錄拍照，處理留檔作業，實現移動運維管理。

千里眼的資產管理，通過設備信息二維碼讀取，圖紙文檔云端儲存，信息流轉便捷高效，能提供詳細完整的臺賬信息，實時數據的顯示；千里眼的報警管理，通過在線監測實時數據，分析歷史數據，對設備故障及時準確報警，并可設置區分不同等級的報警，通過短信通知接收人第一時間獲取報警信息，通過報警屬性來管理、篩選和導出報警信息；千里眼的運維管理，從連接設備到與“人”的互通，實現管人、管車、管站點。制定周期性、預防性維護計劃和提醒，自動或手工生成、派發臨時的維護任務工單，對歷史數據、現場照片、運維日志、設計信息等進行歸檔分析，執行閉環管控；千里眼的工單管理，可將工單創建，工單執行日期提前短信推送執行人，并對工單、運維日志、設備資產等報表報告定期分析，防患未然。

4.2.4 P ower S CADA Operation電力監控系統

Power SCADA Operation集成了從設備層到配電網絡層的所有信息，通過優化設備效率和自動化操作控制，并結合電網保護、電力參數儀表和監控平臺，從而保證設備安全、可靠、高效的運行。采用分層分布式結構，分監控管理層、通訊接口層、現場間隔層三層，保護、測控功能不受通訊網絡的影響，確保系統的安全性和可靠性。將趨勢和報警相結合，快速識別和隔離故障，減少停機時間；當報警等事件發生時，通過實時地捕獲需要監控的關鍵信息并采取正確的決策，延長設備壽命和正常運行時間，減少人工維修時間，極大提高配電系統的可用性。

4.3 系統功能概述

該工程智能配電系統在傳統電力監控系統的基礎上和能源管理完美融合，通過數據通訊將現場設備層的綜合保護裝置、多功能電表、變壓器溫控器以及智能斷路器的有效信息自動地、實時地采集到電力監控系統，可以提供多方位的實時狀態監測，為隧道配電系統的運行提供安全、可靠、高效的監控解決方案。

通過可視化電力系統監控界面，可以提供隧道10 kV變配電單線圖系統顯示、0.38 kV各個配電室配電單線圖系統顯示，并且支持動態著色功能，區分帶電和不帶電的設備，同時還可實時顯示現場設備的運行狀態和各種測量值等。

當系統出現故障或者其他報警信號時，根據事件等級進行嚴重程度判別，發出相應報警信號，自動對報警信息進行數據存儲，記錄故障類型，自診斷功能根據報錯信息確定故障部位，然后報警和閉鎖故障元件，保證其它部分正常工作，降低故障影響范圍。故障錄播功能還原故障前后的電流、電壓等參數變化情況以及開關的動作順序，有助于運維人員判定事件發生的順序并進行根本原因的分析，縮短事件響應時間和提高安全性。

能耗管理系統精確記錄各項能源消耗，將采集的能耗數據通過數字化的儀表盤進行分項對比，自動執行同比、環比、變化趨勢、不同能耗介質對比，統計能源消耗情況，并提供便于用戶觀察的圖形表現方式。系統將離散的能源信息通過有效的分級和組織，變成動態生動的數據，將能耗分攤或按負荷類型進行分類，反映各個用能設備的用能特點。系統投運后獲得相當數量的數據信息后，能夠統計分析不同的因素對能源使用狀況的影響，從而輔助運維單位分析預測和優化能源使用。靈活設置與電力公司相匹配的賬單結構，通過賬單分析避免不正常的能源成本增長，還可預設多年的賬單結構，將能源數據轉換成可追蹤的碳排放。

電能質量監視與分析能夠對整個系統范圍內的電能質量進行持續的數據采集與監測分析，能夠對安裝在配電網絡中任何地點的電氣信號進行精確分析以識別任何電能質量擾動數據，進而分析其對系統和相應安裝地點設備產生的危害。現場電能質量監測裝置同步的對所有的電壓電流信號進行波形捕捉，捕捉到的波形存儲在裝置內存中，并送達到操作員工作站中，便于操作員操作分析。

運維管理系統主要用于向運維人員進行設備維護、資產管理提供決策依據。斷路器在配電系統中起著決定性作用，充分考慮產品工藝、材質、設備運行溫度、運行時間、分合閘次數的相關信息，對斷路器絕緣性能、機械性能、電力性能的全方位監控，通過建模分析，對斷路器進行電氣老化、機械老化分析和綜合評估，并定期向運維人員推送老化分析報告。維護計劃管理功能通過設備壽命設置預警閾值，提供維護計劃和工單管理，提供清晰準確的工作日程，節省維護成本并提高電氣系統安全性。

5 結 語

為滿足新時代發展的需求，隧道在建設發展的過程中應用了較多新型技術以及設備工藝。在此情況下研究智能配電系統在隧道中的應用，確定其應用方向以及要點，對進一步提高生產效率以及降低資源損耗具有重要意義。針對特長隧道智能配系統的設計與研究，符合隧道數字化、智慧化運維管理需求，是物聯網、大數據時代下的必然產物，系統建成后可向建設單位和運維單位提供完整的智能配電系統解決方案。

首先，以傳感技術、無線通訊技術、嵌入式系統打通了設備的“感官系統”，同時打造了從中壓到終端、母線到電源、能效到溫度的全IP架構，實現了電氣設備的“全局感知”。其次，從關鍵電力到分散站點，將機器學習、智能算法、云技術與配電知識、行業經驗、制造和服務能力等的IOT技術融合為智慧和行動，以數字化工具打破了傳統模式中建設投入與運營投入之間的區隔。最后，無論是在配電現場，還是在遠程后臺，資產隨時隨地盡在掌握，更貼合建設與運維的日常工作軌跡以及設施管理的場景需求，提供高效、精確、專業地部署與運營，打造了“精細化管理”的新高度，實現配電系統智能化管理新升級。

該工程投運后，將持續對系統進行跟蹤反饋，加以完善，并嘗試推廣類似的其他的重要市政、公路工程配電系統應用，持續不斷地進行研究創新，更好地利用新型技術，從專業角度出發，做好技術應用，為實現市政、公路工程的平安、高效、持續健康發展提供保障，以期產生更大的經濟效益和社會效益。