综合管廊电力舱综合监测系统集成化研究

2021-07-08王恩德马学良仇天骄

农村电气化 2021年6期

王恩德，马学良，仇天骄，侯赞，郭晔

(北京电力经济技术研究院有限公司,北京西城 100031)

随着城市发展，包括电力、电信、供水、广播电视信号等两种以上的公共设施管线的综合管廊[1]得到了大力推广。随着监控手段和技术的发展，隧道除了常规的通风、排水、照明外，新增了针对隧道本体的井盖监控和气体、水位等监测系统，针对电缆和电缆附件本体电缆光纤测温在线监测系统、接地电流在线监测系统、局放监测系统等，种类繁多。同时随着“数字化电网”在电缆隧道中的应用和推广，作为输电网重要的感知层设备安装点，电缆隧道中的监控设备必然会越来越多。

而目前已建成的综合管廊或者电力隧道的各种监控手段、平台，都或多或少存在冗余，通信通道重复预留，甚至各监控平台间不兼容等问题，进行综合监测系统集成化研究刻不容缓。通过集成化研究将大大减少不必要的资金和通道空间资源浪费，同时提高系统的兼容性和扩展能力，并为工程应用推广提供理论支持。

1 综合管廊电力舱综合监控系统

1.1 监测系统现状

为了统一监控系统的安装要求，国家电网有限公司运检部出台了相关文件，目前综合管廊电力舱及电力隧道内综合监测设备均按此原则安装。即按照电力舱及隧道内所敷设电缆故障对电力系统影响的情况，将电力隧道进行分级，然后依据分级的情况，差异化配置各种监测设备，以兼顾运行要求和经济性。实际执行中，往往存在大量的冗余，造成资金和通道及变电站二次机柜屏位的占用。一方面由于隧道寿命为100年，而电缆使用寿命约30年，电网规划10～15年，时间上的不匹配，必然导致隧道等级存在变化的可能，另外随着新监测手段的快速发展以及泛在物联的发展需要，必然导致管廊内综合监测为了远期预留，往往会有大量冗余。另一方面，综合管廊一个电力舱内往往敷设有多回工期不一样的电缆，而部分监控设备需要随电缆敷设而新建，会导致时间工程中同一路由会有多个不同厂家的监控系统，这样也必然会导致通信路由和后台主机的增加。

1.2 监控系统分类

近年来，随着通信技术的发展以及各种低功耗、智能化监测终端设备在电力隧道运行中的推广，综合管廊电力舱及电力隧道内的新监测设备层出不穷。为了尽可能减少冗余，节省通道空间及变电站二次屏柜。

按监测对象来分，目前常用的监控设备可分为电力电缆本体运行检测、综合管廊电力舱内环境检测、隧道防火3类，具体设备检测内容相如表1所示。

1.3 基本框架

在智能监测系统中，一般由智能传感器及信息采集单元、站控监测单元、电源与通信单元、巡检机器人以及电缆网综合监。综合管廊电力舱或电力隧道综合监测工程从结构层次的角度可分为4层。

表1 综合监测种类

第一层是部署在地下通道及电缆网精益化管理系统。第二层是由多状态综合监控主机等软硬件设备为优化系统结构层次、提高信息传输效率、便于系统组网而组建的站控级监控平台本地控制中心，本期工程主要涉及多状态综合监控主机、有线应急通信主机、应急通信语音模块、双热备份专用电源、以太网交换机、数字音频配线架、网络硬盘录像机、UPS电源系统及多状态综合监控柜等，部署在电缆隧道就近的变电站。第三层是实现采集、数字化预处理、通信、控制功能的通信采集装置(即各种数据采集器和远程控制单元)，主要涉及隧道采集器、远程状态监测控制单元、局部放电采集单元、矩阵红外测温采集器等，均部署在电缆隧道内。第四层是终端监测装置(即各种传感器和远程控制动作机构)，属于系统的最底层，主要涉及带电子锁玻璃钢人井内盖、有害气体传感器、氧气传感器、可燃气体传感器、模拟量投入式水位探测仪、电缆运行状态综合传感器、矩阵红外温度传感器、防爆红外摄像机、轴流风机、LED照明灯、智能巡检机器人以及智能灭火机器人等，均部署在电缆隧道内。

2 综合监测系统的集成优化

2.1 硬件集成

通过对各监控子系统的分析，不难发现，站内主机为第二层，即多状态综合监控主机，而各监控主机多需要配置电源系统、计算主机、网络系统。显然同类主机具备整合的可能，比如对于一个220kV变电站往往有22回220kV或110kV电缆出线，而光线测温主机往往只支持16通道，这样一个变电站内就需要配置2套同型号的测温光纤主机，而显然电源和通信模块可以共用，只需配置2个采集计算单元即可，这样就可以整合成1个屏柜。另外对于不同类监控主机，比如光纤测温和局放主机，其电源系统同样具备整合的可能。通过个系统主机集成，可以将6台主机屏柜减少为4台主机屏柜，减少约30%二次屏柜占用量。

隧道内的分布式监测系统，主要有供电系统和通信系统。而对于低功耗终端，供电系统和通信系统完全可以共用，即采用电力载波的形式，或者采用复合光缆的形式，将多个系统的通信光纤和供电系统整合成一根复合光缆，这样一方面可以大大减少隧道内通道的占用，另一方面可以减少安装和后期运维的成本。

2.2 综合监测集成化系统

以某地区综合管廊电力舱综合监测系统为例，搭建的集成优化后的综合监测系统。

系统框架采用系统平台层、多状态监控主机层、数字预处理层和采集层4层。

系统平台层依托高压电缆精益化管理综合平台，以提升高压电缆及通道本质安全水平为主线，从源头抓管控、以科技提质效，深化电缆六防的信息化管控，形成6个特色应用，最终实现4个提升，开启专业建设新征程。进一步深入挖掘数据价值，依托电缆管控平台，提高设备前期设计、建设的质量管控，提升专业精益化管理水平，实现“状态感知自动化、通道环境可视化、平台建设智能化、运维管理精益化、生产指挥扁平化、分析决策智能化”。

为了保证将各系统进行集成，对各系统进行相关约定，保证一定的通用性。其中，边缘物联计算设备：泛在连接，支持多种物理接口和用协议，集中多专业设备和感知传感器，实现对各类采集终端的统一接入。精确感知，根据适配的多种接口和应用协议，采集不同传感器和电力设备的数据，完成数据解析和实时计算。边缘智能，内置策略引擎，根据预置规则，对电力的业务进行策略同一控制，并实现与管理平台的双向互联。具备强大的计算能力，可以匹配海量终端，可将采集的数据进行匹配和控制，实现数据的现场使用，现场共享，现场存储，最终实现区域的自治；数据传输符合国家电网公司安全要求，能够确保数据和业务的安全稳定。

动态智能电源通信系统：智能电源供电，可根据现场传感器功耗情况进行动态补偿，通过负载均享技术实现自动均衡。提高通信带宽，提升大数据传输能力，为后续高速大数据接入提供通道。支持连接485类型终端及其他第三方类型设备接入，接口灵活性强，并能保障各子系统间时钟同步性。采用通信电缆供电与通信，并支持分布式部署，可实现分布式供电，分布式数据管理，可加入区块链技术，提高数据交互及处理能力。系统每个节点终端都支持智能手机的蓝牙接入，通过服务平台和手机App相应功能可实现信息广播推送、语音对讲、短视频交互、设备配置管理等功能，在隧道内应急抢修等情况下实现音视频实时交互。带协议网关及防火墙，保障数据接入的安全性。

智能状态感知设备：设备具备数据处理、控制和通信功能，通过完善优化红外测温、接地环流、高频局放、隧道机器人等在线监测功能，实现电缆本体状态实时感知与分析诊断。通过水位、温湿度、有毒有害气体、结构沉降、井盖监控、低功耗视频、振动光纤等监测技术应用，实现电缆通道内外部环境的实时监控。

2.3 综合监测终端

2.3.1 人脸识别门禁系统

人脸识别验证过程非接触，自动人脸识别，自动鉴别出入人员的身份；非法用户进行识别，人脸将会被抓拍留底；管理软件按时间、按人员设置有效开门区域、有效开门时段的权限；随时查看人员出入的历史记录；管理软件设置、修改人员的出入验证的权限。

2.3.2 智能井盖监控系统

采用分层、分布式结构，主要由井盖、井盖电控锁、井盖锁控制器、隧道地信通网络和监测主机。

采用实时在线监测方式，实现电缆井盖的集中控制、远程开启及非法开启报警等功能，并有效防止未经许可人员进入电缆隧道内。

2.3.3 隧道智能视频监控系统

隧道智能视频监控系统可利用信号处理技术、智能图像处理技术、高清宽动态技术、PIR人体侦测技术及现代计算机技术的智能视频监控分析系统，改变传统工作人员对监控画面进行监视和分析的模式，有效提高了报警的精确度和响应速度，它通过嵌入在前端设备（网络摄像机或视频服务器）中的智能视频模块对所监控的画面进行分析，并采高级用智能算法与用户定义的安全模型进行对比，一旦发现安全威胁立刻向监控中心、值班人员报警。

2.3.4 高压电缆本体在线监测系统

电缆及电缆中间接头、终端头过热如不能及时发现和处理，会引发爆炸与火灾等恶性事故，是严重影响安全生产的因素之一，如果能对电缆运行温度进行实时的监控，就能提前避免这些事故的发生，将电缆运行的安全隐患消除于萌芽状态。

2.3.5 电缆接地电流监测系统

高压电缆护层接地电流在线监测系统可实现对高压电缆线路电护层接地电流24h不间断连续在线监测，测量范围0～300A（AC），取代传统人工方式的定期接地电流巡测，大大减轻现场测量的劳动强度，提高系统维护效率。

2.3.6 分布式光纤振动防外破监测系统

分布式光纤振动防外破监测系统是一种快速响应且“可定位”线型振动防外破监测系统，—般由分布式光纤振动主机、温度振动感测光缆及系统应用软件及相关部件组成，通过光纤振动测量技术，实时测量电缆隧道周围的振动情况，对所检测到的振动信号进行分类、识别可减小误判率，明确引起振动的外部事件源，并根据光纤振动技术对振动源进行精确定位，对可能引起电缆故障的外破苗头进行预警，有利于运维部门进行正确、合理的决策，最终大大减轻运维人员压力，降低外破事件发生率，提高供电可靠性。

2.3.7 可燃气体监测子系统

通过对电缆隧道内有害气体（一氧化碳、硫化氢等）、空气含氧量、水位等环境参量进行监测，可有效监测到隧道内水位及气体情况，及时发现由于外部跑水至电缆隧道内，外部可燃气体进入隧道内等情况。通过水位、气体监测报警，及时发现隐患点所在位置及水位数值、气体成分含量等情况，并上报和记录原始数据；具备智能联动控制功能，当隧道内的有害气体含量、积水情况及环境温湿度超过一定标准时，自动启动排风、排水装置进行通风、排水。为电力电缆的安全可靠运行提供全面的技术保障，改善电缆隧道运行环境，保证电缆隧道及隧道内电力电缆的安全稳定运行有重要意义。

2.3.8 隧道智能巡检机器人子系统

圆轨式巡检机器人是整个系统的核心组成部份，也是实现电缆隧道智能巡视的主体。秉承模块化、高性能、高密度、强兼容、高防护等设计原则，圆轨式巡检机器人由车体结构、中央处理单元、无线通信模块、电源驱动模块、导航避障模块、视频成像模块、环境感知模块、灯光控制模块等应用模块组成，具有智能精确定位、智能跟踪、智能避障、智能成像、智能测距、智能控制、自动穿越防火门等功能，可实现对重点电缆隧道的不间断智能巡检，取代人工巡检同时当发生紧急情况时可以将现场情况第一时间内最清晰地采集到监控中心，可实现在必要时对电缆隧道或电缆的特定部位采取有效的处理措施。