500kV电缆隧道中5G通信系统的研究与应用

国网北京通州供电公司 马文营 王春雷 孙笑一

相对于架空线路，电力电缆多敷设于地下、相间距小，能够提升城市景观、提高土地利用率。同时由于城市核心区重要负荷集中，高可靠性和安全性要求高，电力电缆越来越成为城市核心区电网的首选。换言之，提高电缆网的安全性也是提升城市核心区电网安全性的重中之重。

提升电网高可靠性的一个重要方面是提高系统网架的可靠性，即从系统规划层面提供多方向电源，保证电网在N-1、N-2情况仍可靠运行，但受限于城市空间规划和电网整体经济性，一味新建电网网架、提升电网冗余度显然不现实也不合理。另一面就是提升现有电网的运维水平，比如通过增添一些新的监控手段或措施，提高电网对安全隐患、故障的排除，从而提高电网安全可靠性。

目前，随着信技术和电力电子技术的飞速发展，电缆及电缆隧道的监测设备层出不穷，同时随着“万物互联”在电缆隧道中的应用和推广，电缆隧道中（作为输电网重要的感知层设备安装点）的监控设备也越来越多[1-6]，大大提升了电网的智能化应用水平。文献[1]介绍了500kV 电缆隧道中的在线监测，包含多种监控系统，可认为是一个综合监测系统，同时综合管廊电力舱多采用独立成舱模式，其综合监测与电力隧道内综合监测基本相同。更多的文献[2-6]是针对各个子系统，如光纤测温在线监测、局放在线监测，以及两类相近功能联合监测的。

分布式是送电网监控系统与变电站设备的监控的最大不同，也是送电网系统的天然属性，针对其分布式，通信系统和供电系统是送电网监控系统的核心和难点。而随着通信技术的发展，5G 通信作为新一代通信系统，具有通信可靠性高、低延时等优点，完美的匹配高压电缆隧道监控系统（如视频监控等）传输数据量大、实时性要求高的特点，成为高压电缆隧道通信系统一个非常重要的组成部分，也是一个趋势。同时由于高压电缆隧道本身是一个密闭空间，其通信传输通道受电缆隧道影响大，如何经济合理布置5G 通信设备也是一个待解决的问题。从目前查阅的资料，5G 通信已大量应用于地铁、广电物联网等场景，但在电缆隧道中的应用案例鲜有报道。

本文以北京某500kV 电缆的5G 通信升级改造工程实例为基础，深入分析研究其监控系统，结合监测系统和5G 通信特点，重点论述了500kV 电缆隧道中5G 通信系统的研究与应用，为相关类似工程提供的借鉴和参考。

1 工程概况及在线监控系统

1.1 工程概况

北京某500kV 送电工程是国内第二条500kV电压等级电缆送电线路，同时也是首条采用了国产电缆及附件的工程，开创了超高压电缆系统国产化的先河。该工程全线为架空与电缆混合线路，其中电缆部分全线采用隧道敷设，电缆路径长约6.7km，其中约5km 盾构、1.7km 暗挖隧道。为了更好地保障隧道内电缆运行安全，提高电缆及隧道运维的智能化水平，该电缆工程加装了大量的电缆本体及隧道环境的监测设备，经过近7年的使用，其良好的运行性能也验证了其监控设备的合理性和优越性。

隧道横断面设通行人行步道，内侧墙壁固定超高压电缆，全程铺设耐火槽盒，可用于通信光缆、电源线的布放，另一侧安装有巡检机器人滑道。隧道内部整体阴冷，环境湿度约70%以上。本次针对巡检机器人视频回传、巡检人员音频视频实时交互等大数据量传输需求，增加5G 通信功能。另外基于现场环境评估，还应尽量减少隧道内有源设备的使用，减轻后期设备管理、维护的压力。

500kV 电力隧道包含通风、照明、排水、光纤测温、井盖监控等常规附属设施，同时为提升电缆及隧道监测的智能化水平，需增加对电力隧道内运行环境多状态及高压电缆本体的综合监测，并建设全程巡视的电力隧道智能巡检机器人巡视系统，以便实现500kV 电力隧道固定、离散在线监控系统与动态、连续式监控，实现真正意义的自动巡视和状态检修，确保电缆线路及电缆通道安全可靠运行。

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和电缆环境监控两类。

1.2 电缆本体监测

电缆本体监测主要包括分布式光纤测温、接头红外矩阵式在线测温、护层接地电流在线监测和局部放电在线监测系统等。为加强对电缆的运行监控、测定电缆的负荷变化，同时对隧道内温度实现全线监测，为新建500kV 电缆配置一套光纤在线测温系统、为新建电力隧道配置一套光纤在线测温系统。温度监测主机安装在变电站内，光纤在线测温系统最大测量长度不小于10公里、空间分辨率不大于2米。沿电缆以及本路电缆所敷设的电力隧道内分别布置一条测温光纤。电缆测温光纤随中相电缆全线敷设，隧道测温光纤沿隧道顶端敷设全线。

电缆接头红外矩阵式在线测温、电缆护层接地电流在线监测、局部放电在线监测系统，均基于集中监控指挥中心综合数据智能监测管理平台为基础和核心由已建含多状态综合监控主机等软硬件设备的变电站内井盖综合监控屏汇集设备、已建电力隧道内数字编址总线式载波通信网络、矩阵红外测温采集器、矩阵红外温度传感器、精确接地电流采集器、精确CT 电流互感器、局放数据采集器、高频脉冲电流传感器、工频信号同步传感器及其他相关设备组成，通讯传输采用TCP/IP 综合数据网络+数字编址式载波通信网络+现场总线网络相结合一体网络通讯系统，以达到远程集中监测、集中显示报警、集中联动控制和集中管理的目标。

图1 电缆局部放电在线监测系统设备连接图

1.3 电缆环境监测

电缆环境监测同时包含隧道环境（温度、有害气体、水位等）、安防系统（井盖监控、进出口门禁、视频监控等）以及巡检机器人系统。其中，隧道环境、安防系统能有效监测电缆环境，保障设备和运维人员安全，是提升电缆运行环境安全的有力保障。与电缆本体监测一样，其传输数据量不算大，可以很方便的通过电力载波等方式实现。即通过TCP/IP 综合数据网络+数字编址式载波通信网络+现场总线网络相结合一体网络通讯系统，以达到远程集中监测、集中显示报警、集中联动控制和集中管理的目标。

隧道智能巡检机器人是电缆隧道巡检的重要组成部分，巡检机器人自带的监测设备能够实时实现视频、红外等一系列数据的采集，并能随着导轨运行至相应区域进行定点监测。由于要实时将所采集的视频、监测数据等信息上传至上位机平台，所以巡检机器所需的通信传输量相对较大，需采用光纤传输的方式实现大数据量实时上传，即采用有线与无线相结合的视频及控制数据的传输。

智能巡检机器人和中心管理平台通过以太网进行通信，从数据接入点到智能巡检机器人之间的高速数据传输利用MESH 无线网络方式，无线传输采用800M～2.4G 可调频率的MESH 无线设备，切换时间少于100毫秒，每隔150米设置一个无线基站，接入光纤通信传输网络。智能巡检机器人所有的控制信号、视频数据、音频数据、现场传感器采集数据及报警信息等均通过无线MESH 无线网络传输。但由于数据量巨大且实时性要求高，实际运行中，由于数据量传输巨大、会有图像信息卡顿现象发生。

2 5G 通信系统

5G 通信以其优良的大数据量和实时性，在智慧医疗、企业虚拟专网、智能电网、交通、智慧教育、智慧港口、超高清制播等七大重点领域得到了快速推广。同时也为本工程中巡检机器人和定点监控中的视频上传提供无线解决思路。

建设范围。本次电缆隧道5G 建设试验段位于500kV 电力隧道，信号覆盖500kV 变电站向西的线路分仓2.5公里。本次5G 建设涉及1套智能巡检机器人、2套接头红外矩阵式测温、2套局部放电等3类在线监测装置。在示范隧道通风机房内新建传输设备与BBU，上联联通局所，用光缆下接RRU。RRU通过馈线连接八木天线对地下隧道进行5G 覆盖，通过新建电缆进行取电。

5G 安装位置。根据联通公司在示范隧道通风机房内新建传输设备与5GBBU 单元，隧道建设使用RRU+八木天线的方式对地下隧道进行5G 覆盖，机器人和红外矩阵式测温5G 信号传输到联通基站，再由基站传输到监控平台的前端控制机5G 信号收集处理后传输到监控平台。由于RRU、漏缆较重，需评估墙体承重。同时漏缆需使用卡具固定（一般1个/米），需打孔，另一侧墙体部分不连续，漏缆无法贴墙安装。RRU 缺可靠加电、接地位置，现场需进行一定的改造，经核实可以与电力公司共同接地。

图2 八木天线

图3 5G 采集器及传感器（接地电流）

图4 隧道监控平台展示

图5 局放监控界面

5G 建设应用。500kV 电力隧道中，利用5G 技术向平台传输监测和作业数据，极大改善了视频、局放图谱等重要数据传输的流畅性和时效性。5G 巡检机器人可实现隧道环境的实时监控，并可在专题图中控制机器人的行进路线和角度，同时展示巡视过程中电缆的红外测温，随时掌控电缆运行状况。同时5G 红外矩阵测温是对接头区域进行网格化面测温装置，更全面监测接头重点部位温度变化。新增5G 局放/接地环流监测设备2套，全线共安装X 套局放在线监测装置，实现远程监测图谱和数据查询分析，诊断设备局放程度。

综上，本文以某500kV 电缆隧道5G 通信工程为例，可见采用5G 通信网络能够更有利于电缆隧道的在线监控平台中的数据传输，相对于其他通信网络电缆隧道内5G 通信有如下优势：超快速响应提高了数据传输的速率和可靠性；大幅提升了数据展示的流畅性和利用率，降低了数据传输时延；为监控电缆运行状态，管理异常信息做出快速应急反应提供了有力支撑。