人工智能高壓電纜隧道建設(shè)研究

秦亞杰，華旭昀，鄧 鵬, 翟超超，王 悅

(國網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

電纜隧道是承載輸電電纜的重要通道，人工智能高壓電纜建設(shè)有助于推動電纜的專業(yè)化發(fā)展，提升電纜及通道的本質(zhì)安全和智能運檢水平，充分挖掘潛能，注重實用實效，以提高輸電網(wǎng)效能、提升智能運維效率、創(chuàng)建多場景聯(lián)動式生產(chǎn)平臺、深化能源互聯(lián)網(wǎng)改革為研究目標(biāo)。

1 高壓電網(wǎng)建設(shè)進展

按照國網(wǎng)公司“感知層-網(wǎng)絡(luò)層-平臺層-應(yīng)用層”的設(shè)計架構(gòu)，建立了高壓電纜專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)體系，并對各層設(shè)備及系統(tǒng)進行了具體部署。

(1) 感知層。按所處空間位置設(shè)備可分為兩類。

① 隧道內(nèi)感知終端，包括局放、電流等設(shè)備狀態(tài)感知終端，以及溫度、煙感等通道環(huán)境感知終端，各終端設(shè)備按功能分別接入相應(yīng)的專業(yè)系統(tǒng)，并由隧道邊緣計算中心進行統(tǒng)一管理和控制。

② 非隧道內(nèi)感知終端，包括地面上使用的人員移動作業(yè)終端、監(jiān)控相機及智能井蓋等設(shè)備，部分智能井蓋可作為節(jié)點設(shè)備匯集地下溝管內(nèi)的感知終端信號，解決非隧道類電纜通道中的感知數(shù)據(jù)采集難題。

(2) 網(wǎng)絡(luò)層。包括光纖網(wǎng)絡(luò)、無線專網(wǎng)和APN專網(wǎng)。地上感知設(shè)備與移動作業(yè)終端由無線專網(wǎng)或APN 專網(wǎng)接入公司內(nèi)網(wǎng)；隧道內(nèi)的感知信號先匯聚至邊緣計算中心，再由該中心通過光纖信道就近接入變電站內(nèi)的路由端口。

(3) 平臺層。包括設(shè)備數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)3 個模塊組。

① 設(shè)備數(shù)據(jù)模塊組，主要用于管理基礎(chǔ)臺賬、通道地理信息和生產(chǎn)準(zhǔn)備記錄。

② 運維數(shù)據(jù)模塊組，主要用于管理巡視、缺陷、帶電檢測等運維業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

③ 感知數(shù)據(jù)模塊組，主要用于在線監(jiān)測設(shè)備臺賬管理、告警數(shù)據(jù)篩選與分析以及邊緣系統(tǒng)運行情況等。

(4) 應(yīng)用層。主要涉及基于臺賬、運維、感知3 類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的高級決策輔助功能，包括電纜線路可靠性評價、通道運行風(fēng)險評價、設(shè)備老化趨勢分析、應(yīng)急處置輔助決策等功能，指導(dǎo)運維人員開展高壓電纜運維檢修工作。

2 智慧電纜線路建設(shè)重點

2.1 提升線路一次設(shè)備的本質(zhì)安全水平

(1) 編制運維工作預(yù)案。對所有高壓電纜線路和通道開展設(shè)備定級、狀態(tài)評價與風(fēng)險評估工作，并根據(jù)評估結(jié)果編制一線一運規(guī)、一線一檢規(guī)，為每條線路量身定制巡視計劃、紅外測溫、局放等帶電檢測項目執(zhí)行計劃及周期性試驗計劃，制定常見缺陷隱患處理方案、故障應(yīng)急搶修方案與防外力破壞保護方案，為運維人員提供切實可行的指導(dǎo)。

(2) 保障隧道內(nèi)安全作業(yè)措施?？紤]到高壓電纜隧道內(nèi)部環(huán)境的特殊性，在隧道內(nèi)的適當(dāng)位置添置應(yīng)急救援箱，箱內(nèi)存放防毒面具、正壓式呼吸器等裝備，并指定專人維護；同時在分叉路口、階梯和人井處掛設(shè)逃生路線導(dǎo)引牌，以保障隧道內(nèi)作業(yè)人員的人身安全。

2.2 提升智能感知設(shè)備的本質(zhì)安全水平

參考一次設(shè)備的運維管理方法，加強對在線監(jiān)測設(shè)備及智能感知系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)、驗收與運維工作的管理。

(1) 成立智能設(shè)備專業(yè)化運維團隊。在電纜運維部門配備智能設(shè)備管理專員，并組建專業(yè)運維隊伍，負(fù)責(zé)各類監(jiān)控裝置、電源設(shè)備、服務(wù)器等設(shè)施的定期檢查、維護和修理工作。

(2) 開展隧道環(huán)境綜合整治。通過改造隧道內(nèi)的排水和通風(fēng)設(shè)施，降低隧道內(nèi)空氣濕度，減少灰塵堆積，以保證智能設(shè)備處于良好運行環(huán)境。

(3) 加強智能設(shè)備設(shè)計、建設(shè)與驗收監(jiān)管。電纜運維部門參考電纜一次設(shè)備工程的管理模式，主動參與智慧電纜線路建設(shè)項目可研與設(shè)計工作，結(jié)合專業(yè)需求及時向供應(yīng)商提出優(yōu)化建議，以保證系統(tǒng)建設(shè)方案的實用性與合理性。同時，組織編制《電力電纜隧道在線監(jiān)控安裝及驗收指導(dǎo)意見》，對新投智能設(shè)備進行資料驗收、現(xiàn)場盤點和功能驗收。

① 資料驗收內(nèi)容包括設(shè)備臺賬、供電與通信系統(tǒng)組網(wǎng)方式資料和設(shè)備操作指導(dǎo)材料。

② 現(xiàn)場盤點要求現(xiàn)場智能設(shè)備的類型、數(shù)量與臺賬一致，且應(yīng)配備標(biāo)準(zhǔn)化名稱牌，注明智能設(shè)備的運維管理方法，以方便巡視人員定期檢查智能設(shè)備的工作情況。

③ 功能驗收要求所有感知數(shù)據(jù)均能接入隧道邊緣計算中心，且能與電纜精益化管理平臺進行告警信息與操作指令的交互。

在上述3 項驗收全部通過之后，建設(shè)部門才能將智能設(shè)備正式交付給電纜運維部門使用。通過近一年的規(guī)范化管理，2019 年新投的監(jiān)測設(shè)備基本做到了資料明晰、功能實用、運行可靠。

(4) 加強智能設(shè)備信息安全監(jiān)督。所有無線傳輸裝置均按國網(wǎng)要求配置數(shù)據(jù)加密卡，溝管通道的智能井蓋通過APN 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中控臺接入內(nèi)網(wǎng)；隧道內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)入網(wǎng)端口處增設(shè)硬件防火墻；人員手持單兵、機器人等入網(wǎng)端口處加設(shè)無線網(wǎng)關(guān)。同時，組織項目建設(shè)人員接受網(wǎng)絡(luò)安全培訓(xùn)，防止智能設(shè)備在建設(shè)與使用過程中發(fā)生違規(guī)外聯(lián)、黑客攻擊等網(wǎng)絡(luò)安全事件。

3 全狀態(tài)感知能力提升改造

對照智慧電纜線路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，對某電纜隧道已有的視頻、測溫和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行升級改造，并實現(xiàn)應(yīng)急通訊、消防控制、機器人巡檢等34 項新功能，全面實現(xiàn)了通道環(huán)境深度感知、電纜狀態(tài)多維感知與診斷、隧道智能消防控制、隧道人員管理與應(yīng)急指揮等多項應(yīng)用場景中的設(shè)備聯(lián)動功能，主要涉及以下專業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)。

3.1 電纜接地環(huán)流感知裝置

單芯電纜的護層接地系統(tǒng)受損后會造成金屬護層環(huán)流過高，繼而引發(fā)電纜過熱，甚至發(fā)生絕緣擊穿事故?？赏ㄟ^電纜接地環(huán)流感知裝置監(jiān)測護層環(huán)流，診斷電纜早期絕緣缺陷和事故隱患，控制突發(fā)性絕緣事故，保障電纜設(shè)備安全、可靠運行。該裝置已實現(xiàn)以下主要功能。

(1) 環(huán)流感知。每套感知裝置都設(shè)有鉗形線圈和電流信號采集器，可分別監(jiān)測各相金屬護層的環(huán)流數(shù)值，數(shù)據(jù)傳輸至環(huán)流監(jiān)測主機后，可以數(shù)據(jù)表或曲線圖的形式進行展示。

(2) 數(shù)據(jù)分析?？苫跉v史數(shù)據(jù)進行環(huán)流趨勢分析，識別環(huán)流突變、三相不平衡等危險征兆。

(3) 報警功能?？稍陔娏鞒^閾值時發(fā)出報警。

3.2 電纜接頭局放感知裝置

電纜設(shè)備內(nèi)的局部放電現(xiàn)象與附件安裝質(zhì)量密切相關(guān)，若附件制作工藝不良，其引起的異常局放會加速絕緣材質(zhì)老化，引發(fā)擊穿故障。局放監(jiān)測裝置的主要作用是采集局放指標(biāo)數(shù)值，即感應(yīng)電壓，mV。接頭處裝有高頻局部放電傳感器，可實時采集接頭內(nèi)部局部放電時產(chǎn)生的電磁信號；采集處理單元對信號進行放大、濾波和AD 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并傳至局放監(jiān)測系統(tǒng)處理。電纜接頭局放監(jiān)測系統(tǒng)具有以下功能。

(1) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計?？刹樵儭⒔y(tǒng)計每組被測接頭的歷史放電量、放電相位、放電次數(shù)等數(shù)據(jù)。

(2) 趨勢分析?？筛鶕?jù)數(shù)據(jù)形成二維、三維放電譜圖及相應(yīng)趨勢圖。

(3) 預(yù)警分析。可根據(jù)趨勢識別異常局放現(xiàn)象，提供故障預(yù)警。

3.3 電纜接頭與隧道溫度感知裝置

通道全程敷設(shè)環(huán)境測溫光纖和纏繞在電纜表面的測溫光纖，可對隧道內(nèi)12 個消防控制分區(qū)的環(huán)境溫度和全線24 組接頭的表面溫度進行實時感知。當(dāng)監(jiān)控范圍內(nèi)出現(xiàn)高于40 ℃的熱區(qū)時，測溫系統(tǒng)能夠及早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患并關(guān)閉過熱區(qū)域兩端的防火門，同時將報警信號實時發(fā)送至電纜運行監(jiān)控中心。運維人員可在中心監(jiān)控屏幕上瀏覽通道內(nèi)各段分區(qū)及各組電纜接頭的溫度變化情況。

此外，系統(tǒng)還具備電纜載流量分析和故障自檢功能，可利用載流量分析軟件對電纜的載流能力進行分析和預(yù)測。當(dāng)光纜發(fā)生斷裂或信號衰減過大時，可指示出斷點的具體位置。

3.4 有毒有害氣體與溫濕度感知裝置

根據(jù)Q/GDW 11455—2015《電力電纜及通道在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》的要求，該隧道內(nèi)裝有13 組有害氣體監(jiān)測器，可感知隧道內(nèi)溫度、濕度，以及CO，CH4，O2，H2S 等氣體的濃度，感知覆蓋率達(dá)100 %。當(dāng)監(jiān)測到隧道內(nèi)缺氧或有害氣體超標(biāo)時，可向邊緣計算中心發(fā)送告警，由中心調(diào)度通風(fēng)系統(tǒng)的6 臺風(fēng)機進行鼓風(fēng)，并向作業(yè)人員手持終端及隧道入口處的電子顯示屏推送安全告警信息，避免火災(zāi)、中毒、窒息等事故的發(fā)生，保障地下隧道內(nèi)作業(yè)人員的人身安全。

3.5 水位信號感知裝置

該隧道內(nèi)設(shè)有集水井12 處，每處均配有液位監(jiān)測裝置。當(dāng)積水溢出(水位超過警戒值)時，液位計可直接啟動水泵抽水直至水位恢復(fù)到警戒值以下。水位信號和水泵狀態(tài)皆可傳達(dá)至邊緣計算中心，水泵在必要時可由中心統(tǒng)一調(diào)度，或?qū)嵤┤斯みh(yuǎn)程操控。

3.6 風(fēng)機監(jiān)控

隧道的工井內(nèi)設(shè)有大功率風(fēng)機，可由邊緣計算中心根據(jù)隧道內(nèi)的實時環(huán)境情況向風(fēng)機下達(dá)控制指令。當(dāng)測溫光纖發(fā)出火災(zāi)報警時，向風(fēng)機下達(dá)關(guān)停指令；當(dāng)氧氣不足或有害氣體超標(biāo)時，向風(fēng)機下達(dá)啟動指令，待氣體含量恢復(fù)正常后下達(dá)關(guān)停指令。

3.7 智能井蓋

線路溝管通道段配置了智能井蓋，除授權(quán)開啟、位移異常、傾角異常報警等標(biāo)準(zhǔn)配置功能外，通過井蓋下方的低功耗“多合一”傳感器，可實現(xiàn)對井下水位、氣體、煙感、振動、井蓋位移等狀態(tài)量的綜合性監(jiān)測功能。

3.8 隧道邊緣計算中心

邊緣計算中心是一個可實現(xiàn)多層級邊緣代理功能構(gòu)架的智能管控平臺。該平臺在架構(gòu)上徹底消除了原先“終端-子站-主站”三層式傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)低智能化、高依賴性的弊端，建立了“感知終端-區(qū)域邊緣-通道邊緣中心”的新型架構(gòu)。

新架構(gòu)將智能感知設(shè)備按通道地段、功能類型和傳輸方式劃分為多個控制單元，如隧道內(nèi)煙感、溫感、水泵、防火門等設(shè)備按區(qū)域組成多個環(huán)境控制單元，地表可視化監(jiān)控與智能井蓋組成地表設(shè)備控制單元等。

每個控制單元配備一臺區(qū)域邊緣代理裝置，該裝置對下可就地響應(yīng)感知數(shù)據(jù)并調(diào)度防火門等相應(yīng)的控制設(shè)備，對上可與邊緣計算中心進行數(shù)據(jù)交互，并接受中心下達(dá)的控制指令。邊緣計算中心負(fù)責(zé)匯聚各個區(qū)域邊緣裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同場景的需要，綜合調(diào)度各區(qū)域的智能設(shè)備，同時與電纜運行監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)交互，并接受監(jiān)控中心下達(dá)的控制指令。

4 結(jié)論

(1) 通過采用這種新型玻璃盾殼防水設(shè)計，結(jié)合智能化設(shè)備，有效解決了隧道滲水問題。

(2) 利用電纜隧道與設(shè)備狀態(tài)全感知技術(shù)，可及時掌控地下環(huán)境與設(shè)備異常情況，節(jié)約人力與物力成本，有效降低安全風(fēng)險，提升人員運維效率，提高供電可靠性。

(3) 利用感知數(shù)據(jù)智能分析模型，在打造數(shù)據(jù)分析標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、多維化的同時，可深度挖掘數(shù)據(jù)資源價值，強化輔助決策功能，提升地下電纜通道精益化管理水平。

(4) 利用人機協(xié)同快速聯(lián)動機制，可提升地下電纜隧道空間環(huán)境風(fēng)險應(yīng)對與應(yīng)急處置能力。