云南保山中心城区综合管廊电气与智能化设计

徐 鑫 业

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海　200092]

0　引　言

随着城市经济的快速发展,综合管廊建设规模不足、管理水平不高等问题凸显,一些城市相继发生管线泄漏爆炸、路面塌陷、“马路拉链”等事件,严重影响着人身、财产安全及城市运行秩序。因此,综合管廊是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。

1　项目概况

保山中心城区综合管廊工程(简称保山管廊工程)位于云南省保山市,其类型包括单舱、双舱、三舱和四舱等多种断面形式,将给水、污水、天然气、电力、通信等城市工程管线一并纳入综合管廊中。在满足管线的使用和运营维护要求前提下,管廊进行整体规划、设计、施工和运维。截止2018年5月,保山管廊工程已累计建设管廊总长达86.23 km,监控中心共3座;试运营管廊总长达42.25 km,监控中心共2座。

本文结合综合管廊自身供配电及智能化监控的特点,兼顾大规模综合管廊集群运维的统一性、便捷性,进行了综合管廊总体监控系统设计和总体10 kV智能配网设计;根据GB/T 51274—2017《城镇综合管廊监控与报警系统工程技术标准》和GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》[1]的要求,设计了综合管廊内部的变配电系统、通讯系统、环境监控系统、火灾自动报警系统等系统,保障保山管廊工程的顺利投运。

2　总体监控系统设计

保山管廊工程基本遍布保山中心城区的各主要干道,其整体监控具有规模大、集中度高、数据容量多、重要性强等特点。针对上述特点,为便于数据管理及备份,并保证监控中心数据负载率处于合理的水平,在保山中心城区内设计3座监控中心。综合管廊监控中心布置如图1所示。

图1　综合管廊监控中心布置

2.1　监控中心容量计算

每座监控中心将负责区域内管廊的监控数据通过单模光纤传输收集至监控中心的骨干交换机。综合管廊监控中心的数据容量计算如表1所示。

表1　综合管廊监控中心的数据容量计算

由表1可见,3座监控中心的数据负载设计达到相对平衡,以降低单座监控中心的数据压力,并使得3座监控中心能相互进行数据异地灾备。

2.2　监控中心设备设计

针对保山管廊工程数据量大、数据种类多的特点,并考虑今后运维及统一管理,监控中心机房内主要设计4种类型的弱电机柜以满足上述要求,其中包括交换机柜、视频存储服务器机柜、管理平台机柜和应用服务器机柜。综合管廊监控中心机房内弱电机柜示意如图2所示。

2.2.1交换机柜

为满足现状及今后管廊运维,设计要求交换机交换容量≥16 Tb/s,包转发性能≥4 800 Mb/s;并配置防火墙与VPN(安全接入网关),在实现网络安全的同时也能远程与其他监控中心及管线管理部门实时交换数据。

2.2.2视频存储服务器机柜

针对管廊内1080P摄像机的特点,设计要求服务器配置16路视频记录、H.265制式高清画面、网络回放功能、可快慢播停操作等功能,并预留24盘位以上的硬盘空间,保证视频数据的存储安全。

2.2.3管理平台机柜

针对监控数据包繁多的特点,同时为了利于长期运行,考虑到平衡管理平台服务器负载,设计4台管理平台服务器,利用平衡数据负载的方式降低管理平台服务器的故障率,增加系统的稳定性。

2.2.4应用服务器机柜

管廊内含有多种系统的通信数据,如感温光纤、可燃气体检测、入侵检测、门禁、巡更等。针对上述系统产品型号不一、通信协议不同等特点,单独设计应用服务器机柜,将上述系统的数据先汇总至该机柜,再上传到监控平台进行分类管理。

保山管廊工程监控中心设备的合理设计,保证在降低造价、减少设备负载的前提下,3座监控中心的监控系统能够稳定、安全的工作。

图2　综合管廊监控中心机房内弱电机柜示意

3　总体10 kV配网系统设计

保山管廊工程的内部配电由10/0.4 kV系统实现,变压器总容量高达25 MVA。考虑到保山管廊工程变配电系统具有总容量大、变压器供电点分散、供电距离长、可靠性要求高等特点,结合大集群综合管廊PPP工程重运营、重维护的特点,设计一套独立、可靠、便于管理的10 kV配网系统。

3.1　分区设计

保山管廊工程已累计建设总长达86.23 km,将整个保山中心城区组成一个巨大的综合管廊网络。传统的监控中心集中配网方式会造成大量电缆的重复浪费,同时监控中心一旦进线电源失电,会引起所服务管廊区域全面停电,存在巨大的安全隐患。因此,为避免上述问题的发生,将整个保山管廊配网系统分成5个区块,采用分区块供电的方式。保山综合管廊工程配网系统分区如图3所示。各管廊区块用电负荷如表2所示。

5个区块的进线带计量环网柜向所属区域内变电站各申请1路10 kV专线间隔电源。同时,利用干线10 kV电缆将5个区域联通,并在干线上设置联络带分支环网柜,向各支线综合管廊进行供电。

上述设计有两大优点:① 使管廊10 kV用电不须从其他市政环网柜中T接引入,既确保管廊10 kV用电的可靠性,也可通过10 kV专线间隔电源防止管廊用电与其他市政用电混接,从而保证PPP公司运维、管理的便捷性;② 干线计量柜与支线环网柜的级联设计,在确保支线综合管廊可靠运行的同时,也解决电缆重复敷设的问题,降低造价。

图3　保山综合管廊配网系统分区

管廊区块名服务管廊里程/km变压器总容量/kVA1#区块21.226 3002#区块18.615 3003#区块18.155 0004#区块13.724 0005#区块14.534 400总计 86.2325 000

3.2　智能配网设计

保山管廊工程通过分区设计,整体被分成5个供电区域,并各自独立引入10 kV专线电源。为进一步降低今后管廊运维公司的运维难度和减少线路故障后的修复时间,设计一套适用于该管廊工程10 kV供电特点的智能配网系统。

3.2.1环网柜一二次设计及继电保护设计

为保证故障停电尽可能不影响其他管廊,在每个环网柜的进出线间隔一次部分均设计“断路器+负荷开关”,二次部分采用“远程测控终端(DTU)+微机综保”配置。

二次部分采集的环网柜10 kV进出线模拟量数据包含电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等;采集的数字量数据有电量、标准时钟接收输出;采集的状态量数据有开关状态、事故跳闸信号、保护动作信号和异常信号、终端状态信号、开关储能信号、通道状态信号等。

二次部分微机保护装置配置无时限过流保护、两段式定时限过流保护、反时限过负荷保护、高压侧零序过流保护、过电压保护、失电压保护等功能,以迅速切断故障线路。

3.2.210 kV在线电缆监测系统

保山管廊工程多为含有燃气舱、电力舱的双舱、三舱、四舱断面类型,且管廊全部敷设于城区内,管廊长时间断电可能对管廊及城区安全带来比较大的隐患。因此,尽快寻找并隔离10 kV线路故障点就成为当务之急。针对这一特点,设计10 kV在线电缆监测系统。

10 kV在线电缆监测系统面板主机安装在综合管廊变电所内(10 kV进出线旁),可就地显示故障、电流、温度等信息,并接收故障指示器传感器信息。故障传感器卡装在电缆线路上,分为A、B、C与零序传感器,用于检测电缆对应的单相及零序线路,可检测送电、停电、接地、短路、负荷电流及温度等10 kV路线信息,并通过远程GPRS通信方式直接上传至监控中心智能配网工作站。

通过该系统可迅速标出发生故障的部分,维修人员可根据此指示器的报警信号迅速找到故障区段并隔断故障区段,从而及时恢复无故障区段的供电,大幅减少停电时间和停电范围,并节省维修人员工作时间。

3.2.3通信及联动系统

为实现统一集中管理的保山综合管廊运维模式,将上述环网柜一二次部分及继电保护部分、10 kV在线电缆监测系统的各类型数据通过光纤传输和无线传输两种手段,实时上传3座监控中心的配网工作平台及工作站,用以测量5个区块内所有环网柜及整个保山管廊工程上百个综合管廊专用变压器的进出线数据,使5个区块实现智能失电、故障自动联锁的功能。综合管廊智能配网自动联锁原理如图4所示,为A、B区联锁设计示意(其他片区间联锁方式一致,不一一展示)。

图4　综合管廊智能配网自动联锁原理

图4中,平时工况下A、B区分列运行,A区Ⅰ进线开关处于合闸状态,A区电源引自就近左侧变电站;Ⅱ联络开关处于合闸状态;Ⅲ联络开关处于分闸状态;Ⅳ联络开关处于合闸状态;Ⅴ联络开关处于合闸状态,Ⅵ进线开关处于合闸状态,B区电源引自就近右侧变电站。

当某一区电源点失电(如A区),Ⅰ进线开关处电流电压信号监测出现异常,联动Ⅰ进线开关投切成分闸状态;待确认Ⅰ进线开关处于分闸状态后,远程或就地将Ⅲ联络开关投入合闸状态;这样A区所有覆盖的综合管廊负荷全部由B区电源提供,待A区故障点排除后,将Ⅲ联络开关切换成分闸状态;待确认Ⅲ联络开关处于分闸状态后,远程或就地合上Ⅰ联络开关;A区、B区恢复各自分列运行。

整个保山管廊10 kV配电系统采用分区设计方式,提高管廊变压器进线电源的可靠性;同时采用10 kV智能配网系统设计,最大程度缩小故障影响范围,便于管理。上述设计方式从根本上保护保山管廊工程的10 kV用电安全,并大幅度提高运维的响应速度,减少运维人员的工作量。

4　综合管廊内部电气及监控系统设计

4.1　电气系统

4.1.1变配电系统

经过现场测量,保山综合管廊内部湿度较大,部分管廊段湿度超过85%。同时,管廊需每1 km设计1处变配电系统。针对保山管廊湿度大、变配电设备多的设计背景,采用“变压器(高防护等级)+配电柜(高防护等级、内部电加热)”的配置方式。

变压器采用防护等级IP68、免维护、体积小的10/0.4 kV地埋式变压器。配电柜防护等级均设计为IP55,并在柜内安装电加热系统,当湿度达到75%,该加热系统会自动启动。上述设计保证变配电系统在管廊内能够长时间、免维护的可靠运行。

4.1.2MCC系统

根据保山管廊内所需远程/就地控制的机械设备较少(主要为双速风机、水泵及照明设施),且部分在燃气舱的设备控制柜(箱)需防爆的特点,设计电机控制中心(MCC)。

每个配电区间(约200 m)根据设备数量的不同,设计1～2套MCC控制柜,安装在设备夹层内。同时,在就地机械设备处设置体积小、防护等级高的就地按钮箱,与MCC控制柜进行联动。

该设计方式有两大特点:维护量小,只需要重点维护每个配电区间的MCC柜;现场按钮箱性价比高,体积小,整体美观,容易满足防爆等级,且造价低。

4.2　监控系统

4.2.1冗余通讯架构

保山管廊工程具有数据传输距离长、数据量大,维护量大等特点,将监控系统中最为重要的3个子系统单独组建通信网络,独立成环并上传到监控中心。这3个系统分别为环境安防系统、IP电话系统(兼做消防电话、消防广播)、火灾自动报警系统(FAS)。

传统的管廊通信方式是将所有数据采用1根多芯(72芯较普遍)进行传输。相比传统方式,各系统独立组网方式虽在成本上略有增加,但极大简化施工难度及后期运维难度,也保证一组通信网在软故障(软件或者通信故障)和硬故障(光纤损坏、交换机硬件损坏)的情况下其他两组通信网络仍能正常运作,大幅提高管廊通信系统的可靠性。

数据量最大的环境安防系统采用单独组环、大环套小环的方式。综合管廊环境安防系统如图5所示。

图5　综合管廊环境安防系统

该方式最大程度保证环境安防系统链路的通信可靠性,使整个安防监控通信系统即使在有几处故障点未排除的情况下仍能安全运营。

4.2.2环境气体检测仪传输方式

根据GB/T 51274—2017《城镇综合管廊监控与报警系统工程技术标准》与GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》的要求,管廊每个舱内均设置有3套相同功能的气体检测仪。因此,整个保山中心城区86.23 km的管廊中,布置上万个各类气体检测仪。为了使运维中能迅速排查出检测仪故障点,采用传统的4～20 mA模拟量信号传输方式。相比总线通信方式,4～20 mA模拟量信号传输方式极大地减少大规模管廊运维排查故障点的工作量。

4.2.3可燃气体检测“双保险”配置

保山管廊工程约有近50 km管廊段设有专用燃气舱。为保证燃气舱的安全运营,在可燃气体检测系统的设计上严格参照GB 50058—2006《城镇燃气设计规范》[2]、GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》等相关规范,采用15 m间距的可燃气体检测仪和独立式的可燃气体报警控制器。为保证大规模、长距离可燃气体检测的可靠性,可燃气体检测仪均采用兼备“总线传输+4～20 mA传输”的配置方式,将数据通过总线方式接入可燃气体报警控制器,4～20 mA传输方式接入每个防火分区的ACU中。采用上述“双保险”的方式,确保大规模、长距离燃气舱的安全使用。

4.2.4“多功能”的IP电话系统

根据GB 50838—2015第7.5.6.1条:“固定式电话消防专用电话合用时,应采用独立通信系统”,保山综合管廊IP电话系统通过采用独立交换机和独立光纤,组成独立的通信网络架构。该设计方式减少单独消防电话的布置,降低管廊内电话设备的数量,同时采用的独立通信网络也提高管廊电话的可靠性。为兼备消防广播的功能,IP电话单独配置功放音箱模块,使IP电话系统功能最大化,实现“网络电话+消防电话+消防广播”三合一的功能。

4.2.5“简约”的火灾自动报警系统

针对保山管廊工程全线(超过80 km)均容纳电力、通信电缆的情况,设置火灾自动报警系统。该系统采用消防二总线的方式,将I/O模块、手动报警、声光报警等各种设备接入火灾报警主机。同时为方便管理,简化防火门监控系统,将防火门监控主机省去,简化为利用门磁开关的干接点直接接入火灾自动报警系统的输入模块。在满足防火门监控功能、降低总造价的同时,也解决许多管廊项目中防火门监控主机与火灾报警主机衔接不畅的问题。

5　结　语

类似于保山管廊工程组团集群式管廊项目,一般都具有规模大、重要性高、建设于中心城区的特点。对于此类项目,电气与智能化设计时应从全局角度出发,保障综合管廊供电和监控系统的可靠性。同时,结合综合管廊内电气、智能化设备种类繁多、功能不一的特性,在针对长距离组团集群式管廊项目设计时,还应在满足现行规范标准基础上,将后期运维管理作为设计的重要思路依托,对一些功能相似的设备检测装置进行简化重组;对一些因管廊特殊环境可能影响其功能的设备仪器,增加防护和除湿功能;对一些一旦发生故障会导致管廊较大影响的设备,采取缩小故障范围的设计思路,尽可能避免重大事故发生。

综上所述,只有基于规范、忠于运维,电气与智能化设计才能更好地帮助建设单位进行大规模集群式管廊的建设与运营,并能降低后期运维难度及成本。

收稿日期：2018-04-02