綜合管廊電力艙綜合監(jiān)測系統(tǒng)集成化研究

王恩德，馬學良，仇天驕，侯 贊，郭 曄

(北京電力經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司,北京 西城 100031)

隨著城市發(fā)展，包括電力、電信、供水、廣播電視信號等兩種以上的公共設施管線的綜合管廊[1]得到了大力推廣。隨著監(jiān)控手段和技術(shù)的發(fā)展，隧道除了常規(guī)的通風、排水、照明外，新增了針對隧道本體的井蓋監(jiān)控和氣體、水位等監(jiān)測系統(tǒng)，針對電纜和電纜附件本體電纜光纖測溫在線監(jiān)測系統(tǒng)、接地電流在線監(jiān)測系統(tǒng)、局放監(jiān)測系統(tǒng)等，種類繁多。同時隨著“數(shù)字化電網(wǎng)”在電纜隧道中的應用和推廣，作為輸電網(wǎng)重要的感知層設備安裝點，電纜隧道中的監(jiān)控設備必然會越來越多。

而目前已建成的綜合管廊或者電力隧道的各種監(jiān)控手段、平臺，都或多或少存在冗余，通信通道重復預留，甚至各監(jiān)控平臺間不兼容等問題，進行綜合監(jiān)測系統(tǒng)集成化研究刻不容緩。通過集成化研究將大大減少不必要的資金和通道空間資源浪費，同時提高系統(tǒng)的兼容性和擴展能力，并為工程應用推廣提供理論支持。

1 綜合管廊電力艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

為了統(tǒng)一監(jiān)控系統(tǒng)的安裝要求，國家電網(wǎng)有限公司運檢部出臺了相關(guān)文件，目前綜合管廊電力艙及電力隧道內(nèi)綜合監(jiān)測設備均按此原則安裝。即按照電力艙及隧道內(nèi)所敷設電纜故障對電力系統(tǒng)影響的情況，將電力隧道進行分級，然后依據(jù)分級的情況，差異化配置各種監(jiān)測設備，以兼顧運行要求和經(jīng)濟性。實際執(zhí)行中，往往存在大量的冗余，造成資金和通道及變電站二次機柜屏位的占用。一方面由于隧道壽命為100年，而電纜使用壽命約30年，電網(wǎng)規(guī)劃10～15年，時間上的不匹配，必然導致隧道等級存在變化的可能，另外隨著新監(jiān)測手段的快速發(fā)展以及泛在物聯(lián)的發(fā)展需要，必然導致管廊內(nèi)綜合監(jiān)測為了遠期預留，往往會有大量冗余。另一方面，綜合管廊一個電力艙內(nèi)往往敷設有多回工期不一樣的電纜，而部分監(jiān)控設備需要隨電纜敷設而新建，會導致時間工程中同一路由會有多個不同廠家的監(jiān)控系統(tǒng)，這樣也必然會導致通信路由和后臺主機的增加。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)分類

近年來，隨著通信技術(shù)的發(fā)展以及各種低功耗、智能化監(jiān)測終端設備在電力隧道運行中的推廣，綜合管廊電力艙及電力隧道內(nèi)的新監(jiān)測設備層出不窮。為了盡可能減少冗余，節(jié)省通道空間及變電站二次屏柜。

按監(jiān)測對象來分，目前常用的監(jiān)控設備可分為電力電纜本體運行檢測、綜合管廊電力艙內(nèi)環(huán)境檢測、隧道防火3類，具體設備檢測內(nèi)容相如表1所示。

1.3 基本框架

在智能監(jiān)測系統(tǒng)中，一般由智能傳感器及信息采集單元、站控監(jiān)測單元、電源與通信單元、巡檢機器人以及電纜網(wǎng)綜合監(jiān)。綜合管廊電力艙或電力隧道綜合監(jiān)測工程從結(jié)構(gòu)層次的角度可分為4層。

表1 綜合監(jiān)測種類

第一層是部署在地下通道及電纜網(wǎng)精益化管理系統(tǒng)。第二層是由多狀態(tài)綜合監(jiān)控主機等軟硬件設備為優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次、提高信息傳輸效率、便于系統(tǒng)組網(wǎng)而組建的站控級監(jiān)控平臺本地控制中心，本期工程主要涉及多狀態(tài)綜合監(jiān)控主機、有線應急通信主機、應急通信語音模塊、雙熱備份專用電源、以太網(wǎng)交換機、數(shù)字音頻配線架、網(wǎng)絡硬盤錄像機、UPS電源系統(tǒng)及多狀態(tài)綜合監(jiān)控柜等，部署在電纜隧道就近的變電站。第三層是實現(xiàn)采集、數(shù)字化預處理、通信、控制功能的通信采集裝置(即各種數(shù)據(jù)采集器和遠程控制單元)，主要涉及隧道采集器、遠程狀態(tài)監(jiān)測控制單元、局部放電采集單元、矩陣紅外測溫采集器等，均部署在電纜隧道內(nèi)。第四層是終端監(jiān)測裝置(即各種傳感器和遠程控制動作機構(gòu))，屬于系統(tǒng)的最底層，主要涉及帶電子鎖玻璃鋼人井內(nèi)蓋、有害氣體傳感器、氧氣傳感器、可燃氣體傳感器、模擬量投入式水位探測儀、電纜運行狀態(tài)綜合傳感器、矩陣紅外溫度傳感器、防爆紅外攝像機、軸流風機、LED照明燈、智能巡檢機器人以及智能滅火機器人等，均部署在電纜隧道內(nèi)。

2 綜合監(jiān)測系統(tǒng)的集成優(yōu)化

2.1 硬件集成

通過對各監(jiān)控子系統(tǒng)的分析，不難發(fā)現(xiàn)，站內(nèi)主機為第二層，即多狀態(tài)綜合監(jiān)控主機，而各監(jiān)控主機多需要配置電源系統(tǒng)、計算主機、網(wǎng)絡系統(tǒng)。顯然同類主機具備整合的可能，比如對于一個220kV變電站往往有22回220kV或110kV電纜出線，而光線測溫主機往往只支持16通道，這樣一個變電站內(nèi)就需要配置2套同型號的測溫光纖主機，而顯然電源和通信模塊可以共用，只需配置2個采集計算單元即可，這樣就可以整合成1個屏柜。另外對于不同類監(jiān)控主機，比如光纖測溫和局放主機，其電源系統(tǒng)同樣具備整合的可能。通過個系統(tǒng)主機集成，可以將6臺主機屏柜減少為4臺主機屏柜，減少約30%二次屏柜占用量。

隧道內(nèi)的分布式監(jiān)測系統(tǒng)，主要有供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。而對于低功耗終端，供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)完全可以共用，即采用電力載波的形式，或者采用復合光纜的形式，將多個系統(tǒng)的通信光纖和供電系統(tǒng)整合成一根復合光纜，這樣一方面可以大大減少隧道內(nèi)通道的占用，另一方面可以減少安裝和后期運維的成本。

2.2 綜合監(jiān)測集成化系統(tǒng)

以某地區(qū)綜合管廊電力艙綜合監(jiān)測系統(tǒng)為例，搭建的集成優(yōu)化后的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)框架采用系統(tǒng)平臺層、多狀態(tài)監(jiān)控主機層、數(shù)字預處理層和采集層4層。

系統(tǒng)平臺層依托高壓電纜精益化管理綜合平臺，以提升高壓電纜及通道本質(zhì)安全水平為主線，從源頭抓管控、以科技提質(zhì)效，深化電纜六防的信息化管控，形成6個特色應用，最終實現(xiàn)4個提升，開啟專業(yè)建設新征程。進一步深入挖掘數(shù)據(jù)價值，依托電纜管控平臺，提高設備前期設計、建設的質(zhì)量管控，提升專業(yè)精益化管理水平，實現(xiàn)“狀態(tài)感知自動化、通道環(huán)境可視化、平臺建設智能化、運維管理精益化、生產(chǎn)指揮扁平化、分析決策智能化”。

為了保證將各系統(tǒng)進行集成，對各系統(tǒng)進行相關(guān)約定，保證一定的通用性。其中，邊緣物聯(lián)計算設備：泛在連接，支持多種物理接口和用協(xié)議，集中多專業(yè)設備和感知傳感器，實現(xiàn)對各類采集終端的統(tǒng)一接入。精確感知，根據(jù)適配的多種接口和應用協(xié)議，采集不同傳感器和電力設備的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)解析和實時計算。邊緣智能，內(nèi)置策略引擎，根據(jù)預置規(guī)則，對電力的業(yè)務進行策略同一控制，并實現(xiàn)與管理平臺的雙向互聯(lián)。具備強大的計算能力，可以匹配海量終端，可將采集的數(shù)據(jù)進行匹配和控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場使用，現(xiàn)場共享，現(xiàn)場存儲，最終實現(xiàn)區(qū)域的自治；數(shù)據(jù)傳輸符合國家電網(wǎng)公司安全要求，能夠確保數(shù)據(jù)和業(yè)務的安全穩(wěn)定。

動態(tài)智能電源通信系統(tǒng)：智能電源供電，可根據(jù)現(xiàn)場傳感器功耗情況進行動態(tài)補償，通過負載均享技術(shù)實現(xiàn)自動均衡。提高通信帶寬，提升大數(shù)據(jù)傳輸能力，為后續(xù)高速大數(shù)據(jù)接入提供通道。支持連接485類型終端及其他第三方類型設備接入，接口靈活性強，并能保障各子系統(tǒng)間時鐘同步性。采用通信電纜供電與通信，并支持分布式部署，可實現(xiàn)分布式供電，分布式數(shù)據(jù)管理，可加入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，提高數(shù)據(jù)交互及處理能力。系統(tǒng)每個節(jié)點終端都支持智能手機的藍牙接入，通過服務平臺和手機App相應功能可實現(xiàn)信息廣播推送、語音對講、短視頻交互、設備配置管理等功能，在隧道內(nèi)應急搶修等情況下實現(xiàn)音視頻實時交互。帶協(xié)議網(wǎng)關(guān)及防火墻，保障數(shù)據(jù)接入的安全性。

智能狀態(tài)感知設備：設備具備數(shù)據(jù)處理、控制和通信功能，通過完善優(yōu)化紅外測溫、接地環(huán)流、高頻局放、隧道機器人等在線監(jiān)測功能，實現(xiàn)電纜本體狀態(tài)實時感知與分析診斷。通過水位、溫濕度、有毒有害氣體、結(jié)構(gòu)沉降、井蓋監(jiān)控、低功耗視頻、振動光纖等監(jiān)測技術(shù)應用，實現(xiàn)電纜通道內(nèi)外部環(huán)境的實時監(jiān)控。

2.3 綜合監(jiān)測終端

2.3.1 人臉識別門禁系統(tǒng)

人臉識別驗證過程非接觸，自動人臉識別，自動鑒別出入人員的身份；非法用戶進行識別，人臉將會被抓拍留底；管理軟件按時間、按人員設置有效開門區(qū)域、有效開門時段的權(quán)限；隨時查看人員出入的歷史記錄；管理軟件設置、修改人員的出入驗證的權(quán)限。

2.3.2 智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)

采用分層、分布式結(jié)構(gòu)，主要由井蓋、井蓋電控鎖、井蓋鎖控制器、隧道地信通網(wǎng)絡和監(jiān)測主機。

采用實時在線監(jiān)測方式，實現(xiàn)電纜井蓋的集中控制、遠程開啟及非法開啟報警等功能，并有效防止未經(jīng)許可人員進入電纜隧道內(nèi)。

2.3.3 隧道智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)

隧道智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)可利用信號處理技術(shù)、智能圖像處理技術(shù)、高清寬動態(tài)技術(shù)、PIR人體偵測技術(shù)及現(xiàn)代計算機技術(shù)的智能視頻監(jiān)控分析系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)工作人員對監(jiān)控畫面進行監(jiān)視和分析的模式，有效提高了報警的精確度和響應速度，它通過嵌入在前端設備（網(wǎng)絡攝像機或視頻服務器）中的智能視頻模塊對所監(jiān)控的畫面進行分析，并采高級用智能算法與用戶定義的安全模型進行對比，一旦發(fā)現(xiàn)安全威脅立刻向監(jiān)控中心、值班人員報警。

2.3.4 高壓電纜本體在線監(jiān)測系統(tǒng)

電纜及電纜中間接頭、終端頭過熱如不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，會引發(fā)爆炸與火災等惡性事故，是嚴重影響安全生產(chǎn)的因素之一，如果能對電纜運行溫度進行實時的監(jiān)控，就能提前避免這些事故的發(fā)生，將電纜運行的安全隱患消除于萌芽狀態(tài)。

2.3.5 電纜接地電流監(jiān)測系統(tǒng)

高壓電纜護層接地電流在線監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對高壓電纜線路電護層接地電流24h不間斷連續(xù)在線監(jiān)測，測量范圍0～300A（AC），取代傳統(tǒng)人工方式的定期接地電流巡測，大大減輕現(xiàn)場測量的勞動強度，提高系統(tǒng)維護效率。

2.3.6 分布式光纖振動防外破監(jiān)測系統(tǒng)

分布式光纖振動防外破監(jiān)測系統(tǒng)是一種快速響應且“可定位”線型振動防外破監(jiān)測系統(tǒng)，—般由分布式光纖振動主機、溫度振動感測光纜及系統(tǒng)應用軟件及相關(guān)部件組成，通過光纖振動測量技術(shù)，實時測量電纜隧道周圍的振動情況，對所檢測到的振動信號進行分類、識別可減小誤判率，明確引起振動的外部事件源，并根據(jù)光纖振動技術(shù)對振動源進行精確定位，對可能引起電纜故障的外破苗頭進行預警，有利于運維部門進行正確、合理的決策，最終大大減輕運維人員壓力，降低外破事件發(fā)生率，提高供電可靠性。

2.3.7 可燃氣體監(jiān)測子系統(tǒng)

通過對電纜隧道內(nèi)有害氣體（一氧化碳、硫化氫等）、空氣含氧量、水位等環(huán)境參量進行監(jiān)測，可有效監(jiān)測到隧道內(nèi)水位及氣體情況，及時發(fā)現(xiàn)由于外部跑水至電纜隧道內(nèi)，外部可燃氣體進入隧道內(nèi)等情況。通過水位、氣體監(jiān)測報警，及時發(fā)現(xiàn)隱患點所在位置及水位數(shù)值、氣體成分含量等情況，并上報和記錄原始數(shù)據(jù)；具備智能聯(lián)動控制功能，當隧道內(nèi)的有害氣體含量、積水情況及環(huán)境溫濕度超過一定標準時，自動啟動排風、排水裝置進行通風、排水。為電力電纜的安全可靠運行提供全面的技術(shù)保障，改善電纜隧道運行環(huán)境，保證電纜隧道及隧道內(nèi)電力電纜的安全穩(wěn)定運行有重要意義。

2.3.8 隧道智能巡檢機器人子系統(tǒng)

圓軌式巡檢機器人是整個系統(tǒng)的核心組成部份，也是實現(xiàn)電纜隧道智能巡視的主體。秉承模塊化、高性能、高密度、強兼容、高防護等設計原則，圓軌式巡檢機器人由車體結(jié)構(gòu)、中央處理單元、無線通信模塊、電源驅(qū)動模塊、導航避障模塊、視頻成像模塊、環(huán)境感知模塊、燈光控制模塊等應用模塊組成，具有智能精確定位、智能跟蹤、智能避障、智能成像、智能測距、智能控制、自動穿越防火門等功能，可實現(xiàn)對重點電纜隧道的不間斷智能巡檢，取代人工巡檢同時當發(fā)生緊急情況時可以將現(xiàn)場情況第一時間內(nèi)最清晰地采集到監(jiān)控中心，可實現(xiàn)在必要時對電纜隧道或電纜的特定部位采取有效的處理措施。

3 結(jié)束語

本文提出了綜合管廊綜合監(jiān)測系統(tǒng)的集成思路，并基于復合光纜和集成主機的形式，對綜合監(jiān)測系統(tǒng)進行了集成優(yōu)化，實現(xiàn)了通道內(nèi)一根復合光纜實現(xiàn)全部有線通信和部分低功耗采集模塊的供電，同時通過各系統(tǒng)主機模塊的集成，減少總屏柜約30%。