变电站二次电／光缆敷设与运行管理的优化设计

姚念征， 钱 平， 吴梦初

（上海应用技术学院a.机械工程学院；b.电气与电子工程学院；c.工程创新学院，上海 201418）

变电站二次电／光缆敷设与运行管理的优化设计

姚念征a， 钱 平b， 吴梦初c

（上海应用技术学院a.机械工程学院；b.电气与电子工程学院；c.工程创新学院，上海 201418）

分析了变电站二次电／光缆敷设与运行管理中存在工作繁琐、效率低下的现状，对GSN电光缆敷设软件的应用和RFID系统进行了研究，实现了电缆和信号光缆敷设设计的智能化功能.给出了电缆和信号光缆从施工敷设到后期改造的智能化信息管理的优化方法，提高了变电站工程建设的效率.

电光缆；GSN自动敷设软件；射频识别技术；电光缆吊牌

随着我国电力体制改革的不断深化，在对传统变电站进行智能化改造的同时也在大力推进智能变电站的建设.二次电缆和信号光缆（以下统称线缆）的敷设以及安装质量作为智能化变电站建设的一项重要内容，影响着智能变电站主设备的可靠性，关系着系统的安全经济运行.一般情况下，一个传统220 k V变电站的二次线缆的数量可达上千甚至数千条，而智能变电站虽然减少了电缆数量但增加了信号光缆数量，二次线缆的总量仍然巨大［1-2］.

电力工程建设的效率始终是非常重要的.分析现有的设计和施工流程发现，线缆清册编制需要人工统计长度，导致线缆长度不够准确，冗余度把握不准.其次，在线缆敷设施工时，传统做法是制作线缆吊牌，吊牌上标示该线缆的两端位置、芯线数量、线缆编号，然后固定在各线缆缆头上，以备安装人员、调试人员或运行值班人员检查.吊牌安装位置的正确与否直接影响到线缆的施放质量和安装接线效率.据现场调查，因线缆施放位置或吊牌信息错误，导致接线不正确的情况时有发生，造成了不必要的返工，且增加了后续继电保护及其他调试的难度，存在不能按时正确送电的风险.另外，一些旧电站改造项目中，经常看到线缆大部分埋在线缆层或线缆沟内，只有两头能看到.而线缆吊牌因年限已久以及潮湿环境变得模糊不清，其结果给拆老线缆的施工人员造成极大的麻烦，降低了施工效率［3-5］.

为了提高变电站线缆敷设质量和效率，以及今后施工人员对线路的巡检、变电站的智能改造，适应智能变电站的运行管理要求，应着重从线缆的敷设设计、现场施工以及巡检等方面进行分析、优化，利用技术手段，完成二次线缆从线路敷设设计、施工到运行、巡检、改造、管理等全流程（以下简称线缆工程）的系统优化.

1 智能变电站线缆工程系统优化的总体设计

基于GSN三维线缆敷设软件以及RFID技术，对施工现场遇到的线缆布线或变电站智能化改造线路遇到的吊牌信息缺失等问题进行分析和研究，制定出一套能提高线缆设计水平、施工和检验效率，增强安装准确度，降低人为出错率的系统方案.该系统主要有3大系统模块组成：

（1）线缆敷设设计模块.能快速准确地按最优化选择最佳敷设路径，准确地统计出各桥架和线缆信息以及所需的线缆长度，能自动地建立线缆信息数据库，为下一步施工和巡检提供工程数据等.

（2）线缆敷设施工模块.将设计模块输出的工程数据导入RFID写入器，制作线缆吊牌电子标签.实现智能化安装线缆.

（3）智能巡检模块.能实现非接触式识别线缆吊牌，准确地读取吊牌携带的线缆信息和设备位置信息，方便快捷地检验线缆安装信息，并及时地返给后台的操作人员等.

2 线缆敷设设计模块

根据文献［6］中规定，电缆敷设方式一般有穿管式、直埋式、槽盒或桥架敷设等多种方式.在二次线缆敷设施工时常采用桥架或竖井的方式［7］，以减少工程量、便于施工.

2.1 GSN软件技术

GSN系统是以AutoCAD为平台，基于数据库支持、设计与施工管理一体的电缆敷设设计三维软件，主要解决基础设施中的电缆敷设设计和施工问题.在设计阶段，软件主要解决电缆桥架设计，实现电缆路径最优化设计，输出电缆长度及敷设路径信息，其创建的三维桥架模型还可用于协同设计和碰撞检查.在施工、运营中，可对电缆敷设、安装进行管理，进而帮助用户提高设计效率，保证设计质量，节约施工设计以及运营维护中的时间和成本.GSN敷设设计软件的信息流程如图1所示.

图1 GSN线缆敷设信息流程图Fig.1 Flow chart of GSN cable laying information

2.2 电缆敷设设计流程

基于数据库支持，该软件能自动搜索符合规则的最佳敷设路径，提供检查校验工具，生成统计报表，发布施工数据库.其设计步骤：

（1）将线缆数据信息导入，对桥架和所经设备编号定义.

（2）按设计要求自定义电缆（Segregation Code）与敷设通道（Service Code）之间匹配规则，桥架及导管容积率、穿管根数.读取电缆的起点与终点的逻辑信息，采取最优算法按敷设的最短路径原则进行敷设.其敷设后的三维效果图如图2所示.

图2 线缆桥架三维视图Fig.2 Three-dimensional view of cable bridge

在线缆敷设的三维图中能够看到已经敷设的电缆的视图，可查询和显示桥架的宽和高、电缆类型、距地高度、桥架编号以及线缆根数等.软件也可根据不同线缆的截面、芯数、类型、外径等计算容积率并校验，保障敷设的合理性.

（3）设置线缆的长度裕度系数以及两端接线屏高度等参数，软件将自动计算出每根线缆的长度.

（4）敷设软件输出每根线缆所经过的桥梁编号信息和长度，为现场施工提供更加完整的电缆敷设信息.

基于数据库的GSN三维线缆敷设软件，可将所有数据存储于数据库中，操作简便灵活.创建的三维桥架模型可加载到主流3D设计软件中，如PDS＼PDMS＼Plant 3D＼PlantSpace等，用于三维空间的协同设计.软件能自动生成标注、图例和材料表以及桥架布线剖面（见图3），同时从三维软件中可提取二维图纸及材料报表，取代了传统手工统计，极大地缩短了统计线缆长度的时间，提高了现场施工的效率.

图3 桥架剖面图Fig.3 Sectional drawing of cable bridge

以上海市青浦区平朝楼110 k V变电站施工统计为例，整站手工统计线缆长度需要4个工时，使用软件后统计线缆长度仅需1.2个工时，足足缩短了70%的时间.其耗时对比如图4所示.

图4 线缆统计耗时表Fig.4 The time-consuming table of cable statistics

3 二次线缆智能安装和智能巡检系统模块

针对线缆敷设的施工以及常规巡检任务，设计了一种基于RFID技术，集GPS定位系统和安卓智能系统为一体的线缆线路智能安装和巡检系统.该系统主要有阅读器、阅读点、中间件（即平板电脑和智能手机）以及数据管理平台等组成，如图5所示.

图5 二次线缆智能安装和巡检系统Fig.5 Secondary cable intelligent installation and inspection system

该系统的工作原理：①将电缆清册的工程数据导入RFID写入器中，制作线缆的电子标签式吊牌，悬挂于线缆上，用于阅读器的阅读点；②在线路安装完成后，手持阅读器对每个阅读点上携带的信息进行读取，定位其设备所在位置，校验线缆布线及其位置是否正确，有无冗余.将读取的标签信息和GPS数据组合存储于CT卡内，任务完成后将CF卡内的数据上传于管理系统平台做分析处理；③在变电站进行线路或保护屏柜等进行改造时，根据预先设定的规则，手持阅读器读取电缆标签内的信息，找到外部回路线缆走向，及时、准确的拆除老的外部回路线缆.该系统设计主要解决两个方面：一是二次电光揽线路安装及智能巡检工作，二是智能变电站的线路改造.

3.1 线缆智能敷设施工模块

传统的线缆安装是施工人员将传统吊牌悬挂于线缆上，线缆敷设是以图纸和场地分析后进行敷设施工［8］.由于现场环境较差，且施工图纸厚重繁琐，造成人工大部分时间用于分析图纸，特别是在图纸遗失时更是一筹莫展.为解决上述问题，对传统线缆安装过程进行优化设计，设计了智能安装模块.采用智能安能模块则可减去查阅厚重图纸的时间，直接依靠阅读器读取吊牌信息进行施工，可大大减少人工工时，提高线缆敷设施工效率和准确率.其线缆敷设施工优化流程如图6所示.

图6 线缆敷设施工优化流程图Fig.6 Flow chart of cable laying and construction optimization

线缆智能敷设施工模块采用无源电子标签作为信息载体，将线缆吊牌制作成信息数字化的非接触识别线缆吊牌，并将其分成位置标签和线缆标签：①位置标签，用于保护柜位置以及保护柜进出线缆信息的管理，其内部采用64 KB大容量芯片，并安装GPS定位装置，信息包括该保护柜的名称、型号、位置，还包括保护柜内线缆排线缆的数量、编号等相关信息；②线缆标签，其标签表面印刷有线缆型号、起点和终点、线缆线数的信息，其内部芯片置有除吊牌表面印刷的信息外，还包括经过桥架的阅读点、桥架编号、线缆的长度、线缆内部芯数以及该线缆两端连接的设备型号和位置等信息.

现场施工时，可采用2种施工方案：①先确定位置标签的安装位置，再挂设线缆标签.施工人员手持阅读器读取位置标签信息，确定位置标签安装的保护柜位置.读取保护柜进出线缆编号，找出线缆标签.读取线缆标签信息，确定线缆型号、长度以及线缆敷设走向等，制作线缆，悬挂线缆标签，完成线缆安装.②位置标签与线缆标签同时安装.施工人员手持阅读器读取线缆标签信息，确定线缆型号、长度等信息，制作安装线缆，并悬挂线缆标签.手持阅读器读取位置标签信息，确定位置标签的安装的保护柜位置，读取保护柜进出线缆编号，找到事先制作的线缆，再次读取线缆标签信息完成线缆施工.

方案①施工安装时有先后顺序，施工时间较长，但对施工人员的数量要求少.方案②为同时施工，减少了整体施工时间，但对施工人员的数量要求多.两种施工方案均能有效地优化线缆施工工程，施工时可根据现场人员配置以及工期要求合理选择施工方案.

3.2 智能巡检模块

智能巡检模块主要依托RFID为技术手段，通过手持式阅读器对阅读点进行读取，完成智能巡检.在线路验收完成后的验收工作或定期巡检时，手持阅读器对阅读点进行读取，阅读器将读取的内容包括该线缆的型号、线缆长度、线缆的起点位置和终点位置，线缆内部芯数、敷设路径，桥架的编号等信息显示于阅读器屏.位置标签同时带有设备位置定位显示于阅读器屏上，供巡检人员查看.然后阅读器将读取的标签信息和GPS数据组合在一起存储于CT卡内，任务完成后将CF卡内的数据交于管理系统平台做分析.

与传统的巡检相比，传统的巡检任务是巡检人员携带厚重的图纸，对每一个线缆上悬挂的标签进行核实，然后根据标签和图纸上携带的信息，检验线缆线路的正确与否，工作繁重，占用人工多，耗时长，效率低下，特别是在定期巡检或线路改造时，由于时间长久，环境差等因素造成线缆吊牌上的信息模糊不清甚至全部消失，造成无法确认要巡检的线路，也大大增加了改造线路时拆除老回路的难度，经常造成误拆.智能巡检模块将线缆信息数字化，保存于电子标签内部芯片中，巡检时，摆脱了携带厚重的图纸进行线路核实的繁重任务，对于线缆吊牌上信息模糊不清或丢失等情况，无须再用图纸进行一步一步地核对，从而减少了人工耗时，极大的提高了巡检效率和准确性，实现了智能变电站的智能巡检任务，为以后的线路改造提供了更加简单、高效的线路拆除方法.

4 结 语

将GSN软件技术引入变电站线缆敷设设计，实现了线缆敷设设计智能化.线缆信息数据存储于数据库，便于快速查询，取代了传统手工统计，缩短了线缆参数统计时间，提高了设计效率.引用电子标签技术，可实现线缆现场施工以及巡检的智能化，节约了变电站施工工期，提高了施工效率.这一方案优化了传统变电站线缆敷设设计以及运行管理，在今后的智能化变电站工程建设和工程改造中有较广泛的应用前景.

［1］ 刘召杰.智能变电站二次电光缆敷设自动敷设设计及全流程管理［J］.安徽电气工程职业技术学院学报，2013，18（3）：7-10.

［2］ 况骄庭，徐建国，陈晴，等.智能变电站线缆敷设设计优化［J］.电力建设，2012，33（5）：41-44.

［3］ 郑少鹏.大型电站工程电缆设计与施工的一些方法［J］.电力建设，2004，25（2）：5-6.

［4］ 钱昌伟.刍议电力系统中电缆敷设技术存在的问题与优化对策［J］.科技致富向导，2013（6）：152.

［5］ 李继伟.智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计［D］.西安：西安电子科技大学，2010.

［6］ GB 50217—2007电力工程电缆设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2008.

［7］ 张予红，张全安.变电站电缆立体交叉排列敷设方法［J］.中国电力，2009，42（8）：83-86.

［8］ 郭延江.电缆敷设技术在10 k V电力配电工程中的应用［J］.电子技术与软件工程.2013（23）：161.

（编辑 俞红卫）

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

国家自然科学基金面上资助项目（61374132）

姚念征（1987-），男，硕士生，主要研究方向为机电系统智能化集成技术.E-mail：yaonz1224＠163.com

钱 平（1960-），男，教授，硕士生导师，主要研究方向为电力电子和电气传动装置.E-mail：qping＠sit.edu.cn