上海潘广路~逸仙路电力隧道综合监控系统设计

袁冠文

摘要：结合潘广路～逸仙路电力隧道的特点，分析电力隧道对智能化管理的需求。详细介绍潘广路～逸仙路电力隧道综合监控系统的集成模式、系统构成、系统功能。

Abstract： Based on the characteristics of Panguang Road ～ Yixian Road Power Tunnel， the demand for intelligent management of power tunnels is analyzed. The integration mode， system structure and system function of the Panguang Road ～ Yixian Road power tunnel integrated monitoring system are introduced in detail.

关键词：电力隧道;自动控制;综合监控

Key words： power tunnel;automatic control;comprehensive monitoring

中图分类号：U453.7                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）24-0268-04

1  概况

电力隧道是敷设电力电缆的专用通道。现代大、中城市电力架空线逐渐被埋地电缆取代，并有向更高电压等级、更大传输容量发展的趋势。电力隧道具有节约土地资源、利于大容量输送、运行环境安全可控、提高通道资源利用率等优点，是大型城市电力、环境发展的趋势和潮流。

潘广路～逸仙路电力隧道是上海市区北部最重要的电力通道之一，提升宝山、杨浦、虹口三区输电供电能力。上海北部电网供电的杨行分区是上海全网负荷最重的分区，规划500kV虹杨变电站将有效解决周边电网负荷增长的需要。潘广路～逸仙路电力隧道是联络500kV杨行站-500kV虹杨站的电力关键通道，并肩负贯通上海西北-东南输电脉络，提升事故情况下负荷转移和电力支援能力的责任。隧道全长14.36km，设15座工作井，1#井至10#井区间，隧道内径DN3500，采用单管顶管掘进;10#井至15#井区间，隧道内径DN5500，采用单管盾构掘进，并分隔为上下双层。隧道内每350米为一个防火分区。

2  电力隧道的管理模式

潘广路隧道是特长隧道，必须利用自动控制手段实现对隧道及运行电缆的全面监控。电力隧道日常维护包括：巡视外界破坏和潜在危险源，隧道入口及投料口情况，电缆、接头、护套、相色状况，隧道内温湿度、毒害气体浓度，消防、通风、排水、动照等机电设施运行状况。

为实现集约化、智能化、网络化的建设要求，通过监控中心监控整条隧道的运行管理模式势在必行。监控中心采集隧道各类信息，通过预案管理、预置程序，结合管理人员要求，进行自动或手动控制，建立集信息采集、传输、集成、计算分析、命令选择等功能的一体化综合监控系统。综合隧道与500kV虹杨站土建及通道条件，潘广路电力隧道控制中心设置在虹杨站一层。同时，上海电网电力隧道网络建设已现雏形，本隧道相关信息需上传至市北供电网络管理中心，预留远期线网级管理功能。

3  主要设计原则

潘广路电力隧道监控系统主要遵循以下设计原则：

①确保电力隧道安全、高效运行;确保巡视、维护人员人身安全;确保电力电缆载流能力。

②实现电力隧道统一监控，集约化管理，提高安防、防灾、消灾能力。

③采用综合监控的模式，实现多功能综合集成，各系统信息互通、资源共享，提高智能化管理水平，达到智慧控制的目的。

④选用的设备能够适应电力隧道内环境，采用先进且成熟的技术和产品，具有高可靠性和稳定性。

⑤系统应具备开放性、可扩展性、易操作性的特点。

4  功能需求分析

电力隧道综合监控系统实现对全隧道的监控、调度和指挥，主要功能包括对电缆的运行状况监控管理，对环境和机电设备的监控，对特殊事件的预警和应急事件处理等三个层次：

首先，系统应能完成对主要电力电缆的负载水平、总体绝缘状况、电缆固有缺陷以及其他表征电缆状态信息的监视。通过计算机技术综合分析电缆的运行状况。

其次，监视和控制隧道内各类环境信息（包括温湿度、毒害气体成份等）以及各类机电系统设备工作状态，提供良好的隧道环境，提高相应控制与调整的有效性。

第三，综合监控系统对入侵、灾害、电缆损伤及电网事故等事件进行准确、尽早的预警、报警。当事件发生时，及时有效地下发控制指令和联动处理。降低事故发生概率、减少事故造成影响，保证供电系统安全。

隧道监控系统不仅仅对以上功能简单叠加，而需进行系统整体的有机集成，在信息共享的基础上实现一体化综合监控。

5  综合监控系统总體架构

潘广路～逸仙路电力隧道综合监控系统包括以下几个分系统：

①中央控制系统;

②通信系统;

③火灾报警系统;

④设备监控系统;

⑤安防系统;

⑥电缆监测系统。

系统总体构成如图1所示。

综合监控系统为多系统集成的综合监控平台，采用分层分布式体系结构，第一层采用以太网、服务器和工作站组成中央信息层，实现中央级监控功能，并预留通信接口与上级管理中心联网;第二层为数据传输层，采用工业级光纤以太网构成数据传输层，为监控、音频、视频业务提供传输平台。各系统均通过安全网关接入传输交换机，实现各业务系统间的安全隔离。同时，传输交换机对不同系统划分不同VLAN，保证各业务系统间的通讯隔离。

数据传输网络分两级设置，第一级为工业级千兆主干通信网络，由设置在控制中心、各工作井设备室的千兆以太网交换机互联构成环网。千兆交换机、网络安全设备和传输光缆均采用冗余设置。第二级为现场控制网络，采用工业级百兆以太环网。围绕各工作井为单元，各工作井左、右侧隧道内设置多台工业级百兆以太网交换机，交换机间通过光纤互联构成现场百兆以太环网，并在工作井接入千兆主干网络通信节点。第三层为现场设备层。负责就地级数据采集和监控。

在控制方式上可分为三级，即中央控制级、区域（工作井）自动控制和就地人工控制。各分系统通过中央信息层实现数据共享和联动。

6  各系统构成及具体功能

6.1 中央控制系统

中央控制系统是隧道智能管理的核心，是集数据管理、协调控制、通信传输、图文显示为一体的综合信息应用系统，在各种情况下准确、可靠、迅捷的做出反应，辅助管理人员决策，协调联动各弱电分系统间，达到合理有效监控的目的。同时，中央控制系统提供各分系统间信息交流和共享，为隧道智能管理提供软硬件后台支持，并对外通信提供服务平台。

中央控制系统由数据库服务器、I/O服务器、Web服务器、千兆以太网交换机、数据库软件、图控软件、防病毒软件、操作员站、工程师站、打印机等设备组成。

数据服务安装Wonderware的实时数据库InSQL，从I/O服务器、操作员站、工程师站获取数据，保存的数据包括现场设备的状态信息（包括电缆及机电设备的运行状态、隧道安防状态）、环境的实时数据（温湿度、毒害气体浓度）、各类报警信息、操作人员登录信息、操作记录、时间处理记录等以及存储各监控系统信息。数据库服务器为操作人员提供数据源，操作人员可以在操作员站或者工程师站上通过数据库服务器客户端查询数据报表、趋势曲线等信息。

I/O服务器安装Wonderware的DAServer，是上位计算机系统和其他设备交互数据的接口服务器。和I/O服务器连接的设备有设备监控系统、FAS系统、大屏切换系统、通信系统、电缆检测系统。中央控制系统通过I/O服务器获得隧道中的各种信息，指挥和协调数据的流向，存入数据库中。

Web服务器安装Wonderware的InformationServer，将操作员站的操作界面以门户网站的形式展示出来，方便国网管理人员以浏览器登录的方式查看，Web服务器可以接入办公网络提供相应的区域内登录查看。

中央控制系统采用成熟的图控组态软件包，采用模块化程序结构设计，各功能模块相对独立并能互相协调工作，并具备扩展及升级的能力。

6.2 设备监控系统

设备监控系统监控电力隧道机电设备的正常运行，维持隧道内良好的工作环境，按照管理的要求实施自动控制，联动各机电设备，实现智能化运行。隧道内的监控对象包括各类风机、风阀、照明、水泵、蝶阀、氧气浓度、温度、湿度、毒害气体浓度、电源等。

本系统由中心控制器RTU、區域控制器ACU、以太网交换机、光/电缆等设备组成。区域控制器包含冗余PLC、I/O模块、总线通信模块、串口/以太网转换器和中间继电器等设备。远端模块按照数据就近采集的原则设置。区域控制器设置在各工作井内，当与控制中心联络中断时，各工作井区域控制器可完成管辖范围内的联动控制。各区域控制器均带有液晶显示屏，提供各工作井现场操作管理。

设备监控系统架构如图2所示。

设备监控系统在隧道内每个防火分区设置远端模块，采集各类传感器信息，实时获取电力隧道内的温湿度状态、氧气浓度以及毒害气体浓度数据，与环控系统实施联动，实现智能调节环境的功能。

输电电缆故障首先会产生大量热能，本系统与光纤光栅温度监测系统实时通讯，实施联动。当某段隧道内温度高于规定值时，工作井控制器开启对应区间两端的送风机、排风机及风阀，执行通风工况，降低电缆隧道内的温度，保障电缆输电效率，减少电缆损耗，达到长期正常工作的目的。

本系统与FAS联动，当隧道内发生火灾时，系统根据预设程序投入紧急运行模式，根据火灾工况、疏散工况关闭以及开启相应区间环控设备。

6.3 火灾报警系统

火灾报警系统（FAS）主要应对消防需求，通过降低火灾发生的概率，减少火灾造成的影响，达到控制火灾等灾害发生风险的目的。系统具有自动报警、手动报警、自动控制、手动控制、设备监视、消防联动控制、信息存储及打印等功能。

本系统在虹杨站隧道控制中心设置火灾报警主控制器，在14号井、12号井、10号井、8号井、6号井、4号井、2号井设置火灾报警区域控制器，管辖相邻区间的消防设备。光纤光栅信号处理器设置在控制中心以及12号井、8号井、4号井，与相应FAS区域控制器通信。火灾自动报警系统单独组建光纤自愈环网。火灾报警主控制器与区域控制器之间采用环网方式连接。

本系统在隧道内设置光纤光栅感温探测器，探测方式为逐点式，实时监测电缆隧道内环境温度情况。隧道内光栅光纤探测器在定温报警的同时，设置差温报警，当单位温升过快时给出预警信号。在每项电缆接头处设置点式感烟探测器，应对电缆接头爆燃事故。当隧道内发生火灾时，FAS联动关闭相关通风设备，联动关闭防火门隔断火灾区域，输出火警信息由中央控制系统统一实施火灾工况，包括：引导疏散，交替声光报警及广播，启动对应区间消防水阀，释放相关区域门禁等。

FAS系统在虹杨站隧道控制中心监视全线消防设备的运行状态，建立数据库并进行档案管理、定期输出等各类数据、报告，进行火灾信息的处理与传送。灾害时，监控大屏自动弹出相应火灾报警区域的火灾点位置平面图，火灾报警具有最高优先级。

6.4 通信系统

通信系统包括固定电话系统和广播系统。

固定电话系统服务于隧道对内、对外的电话联系，尤其是隧道现场的告警、抢险救灾及特殊情况下的通信联络。系统与CCTV系统联动，实现重点区域紧急电话使用时的视频切换。目前尚未有支持15公里以上距离并通过CCCF认证的消防通信产品。故由固定电话系统兼顾消防通信职能。

广播系统服务于隧道内工作维护联系、告警、疏散。火灾时，与FAS系统联动，自动对相关区域进行消防疏散广播。

通信系统采用一体化IP电话和广播设备，通过光纤传递通信业务。系统在虹杨站隧道控制中心设置IP话务台和广播呼叫台。在控制中心机房设置光纤接入、电话交换和广播控制设备。隧道内每条区间为一个广播音区，隧道内每350米为一个防火分区，各防火分区以及工作井内设置IP电话机、广播音区控制器和功放，区间隧道内均匀配置扬声器，每只扬声器负责25米的广播距离。隧道内话机采用一体化结构，抗噪能力强，针对潮湿、杂散电流腐蚀的等环境设计。

6.5 安防系统

安防系统由CCTV系统、门禁系统、入侵报警系统、井盖监控系统组成。

6.5.1 CCTV系统

CCTV系统对隧道区间、各工作井出入口进行监视，供管理人员及时、清楚地了解现场情况。本系统在隧道内重点区域（一般为电缆接头处）、工作井、各出入口设置高清摄像机。隧道内摄像机采用固定式枪基，带红外灯。平常监控为黑白图像，图像变动时切换为彩色模式。

CCTV系统单独设置传输光纤，系统采用EPON网络传输方式，配置EPON光发送/接收机，通过光纤传输图像。光接收机OLT、综合显示大屏、磁盘阵列设在虹杨站隧道控制中心。系统通过综合监控平台与相关系统实施联动，当事件发生时在监控大屏自动切换出相关画面，便于管理人员及时了解现场情况。

6.5.2 门禁系统

门禁系统接受授权管理信息，管理各工作井出入口及主要设备用房出入口门禁设备的运行状况、记录进出信息，显示非法进入、故障告警信息。并能满足网络授权、监控、数据库管理、维修管理及查询等功能。

门禁系统采用集中管理分散控制模式，设控制中心和工作井二层网络架构。在虹杨站隧道控制中心设置门禁主控制器，在各工作井内设置就地控制器。就地控制器利用综合监控系统提供的传输通道，将数据传输至控制中心门禁主控制器。门禁主控制器集成入中央控制系统。

6.5.3 入侵报警系统

入侵报警系统利用红外紫外双鉴探测技术对外界入侵进行探测及报警。系统对入侵的事件来源和发生的时间给出指示并存档;并与CCTV系统相联动。

各工作井出入口和井下设备间设置入侵报警撤、布防点。入侵报警系统在各工作井设置控制器，在主要出入口、投料口、通风口等位置设置被动式探测器。各工作井控制器通过总线接入各工作井设备监控ACU。

6.5.4 井盖监控系统

电力隧道铸铁井盖丢失情况时有发生，井盖监控系统对井盖开启、关闭、故障、失盗情况做全时记录，并有效防止未经许可人员进入隧道。具备控制中心远程开启、井下应急开启等功能;能按时间、地点、人员设置多种组合的权限。

井盖监控系统利用综合监控系统提供的传输通道，在隧道控制中心设置井盖监控主机、在各工作井设置井盖监控分，在各工作井投料口设置的一体式电子井盖。

6.6 电缆监测系统

电缆监测系统主要包括电缆测温系统、局放监测系统和接地环流监测系统。

6.6.1 电缆测温系统

电缆载流量是电缆运行中受环境条件和负荷影响的重要动态运行参数，涉及输电线路的安全可靠、经济合理的运行以及电缆寿命，电缆运行中的导体温度是衡量电缆是否达到其输送容量限制的主要依据。

本系统在每相电缆上采用接触式敷设分布式测温光纤，电缆接头处采用盘绕法进行安装，电缆接头处测温光纤的盘绕长度均大于3米。光纤信号处理器设置在各工作井，利用综合监系统提供的传输通道接入控制中心电缆测温主机。

电缆测温系统通过连续实时温度监测，结合电缆原始数据和历史运行数据，通过专家系统进行分析和判断，能够掌握电缆的实时传输能力和传输余度。在此基礎上结合电网整体负荷波动规律，可以实现电缆输电能力的趋势预测和电网电能输送的适应性分析。通过实时了解各关键传输通道上的传输余度，能够准确判断传输瓶颈出现几率和相应边界条件等情况，最大限度发挥电缆的输电能力，有效控制电网能量传输。为电网异常情况下及时有效的负荷转移提供决策依据。

6.6.2 局放监测系统

电力电缆在长期运行过程中，受潮、热等环境影响，受过电压、机械力损伤以及产品质量缺陷不断放大等因素的影响，其绝缘水平逐年下降。在电场、磁场和本身发热的长期作用下，绝缘层的物理性能发生变化，会引起绝缘击穿故障，造成线路停电或设备损坏等事故。

局放监测系统对电缆进行绝缘水平实时监测。系统在控制中心设置监测主机，隧道内每1回电缆设置1套局部放电分析系统，每个系统设置1个监测点，包含3个钳形高频电流传感器、1个同步传感器、1套局部放电在线分析仪，以及相关的滤波器、连接电缆、通讯电缆。局放监测分析主机对接收到的监测数据进行分析处理，利用故障诊断专家库，对局放信号和其它电力系统参数间的关联性进行分析，评估电缆缺陷状态。发现潜在危害的缺陷时，系统可调用特定程序进行局放定位。

6.6.3 接地环流监测系统

护层电流的监测是电缆检测常用的重要技术手段。正常情况下，电缆护层对地只有感应电压。当电缆护层损坏或接地系统破坏时，电缆护层上压降变成悬浮电压，接地点会出现长期放电。本系统在电缆接头处设置电流互感器，采集电缆金属护层接地点的电流参数，当接地电流异常时发出警报。系统具备4+1报警管理功能，即正常、提示、预警、报警与故障等级，同时报警等级根据需要进行关闭与打开;在传感器报警时，监控后台优先处理该传感器数据及相关联传感器数据。

本工程局放监测系统、接地环流监测系统通过光纤环网与控制中心电缆监测主机进行连接。

6.7 系统供电

隧道综合监控系统按一级负荷供电，虹杨变电站隧道控制中心以及各工作井由动力专业提供两路独立的消防电源，本专业完成末端自切。为保证电源的质量和不间断性，每处供电点设置一台长延时不间断电源（UPS），保证紧急情况下系统连续供电95%负荷不少于3小时。

7  结语

电力隧道综合监控系统为管理人员提供了一套智能、可靠的监控管理平台，并为多隧道线网控制中心的建设、实现网络化管理创造了有利条件。随着实践中不断的总结和完善，综合监控系统将为电力管理者提供更好的服务。

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