變電站二次電／光纜敷設(shè)與運(yùn)行管理的優(yōu)化設(shè)計(jì)

姚念征， 錢 平， 吳夢(mèng)初

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院a.機(jī)械工程學(xué)院；b.電氣與電子工程學(xué)院；c.工程創(chuàng)新學(xué)院，上海 201418）

變電站二次電／光纜敷設(shè)與運(yùn)行管理的優(yōu)化設(shè)計(jì)

姚念征a， 錢 平b， 吳夢(mèng)初c

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院a.機(jī)械工程學(xué)院；b.電氣與電子工程學(xué)院；c.工程創(chuàng)新學(xué)院，上海 201418）

分析了變電站二次電／光纜敷設(shè)與運(yùn)行管理中存在工作繁瑣、效率低下的現(xiàn)狀，對(duì)GSN電光纜敷設(shè)軟件的應(yīng)用和RFID系統(tǒng)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了電纜和信號(hào)光纜敷設(shè)設(shè)計(jì)的智能化功能.給出了電纜和信號(hào)光纜從施工敷設(shè)到后期改造的智能化信息管理的優(yōu)化方法，提高了變電站工程建設(shè)的效率.

電光纜；GSN自動(dòng)敷設(shè)軟件；射頻識(shí)別技術(shù)；電光纜吊牌

隨著我國電力體制改革的不斷深化，在對(duì)傳統(tǒng)變電站進(jìn)行智能化改造的同時(shí)也在大力推進(jìn)智能變電站的建設(shè).二次電纜和信號(hào)光纜（以下統(tǒng)稱線纜）的敷設(shè)以及安裝質(zhì)量作為智能化變電站建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，影響著智能變電站主設(shè)備的可靠性，關(guān)系著系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.一般情況下，一個(gè)傳統(tǒng)220 k V變電站的二次線纜的數(shù)量可達(dá)上千甚至數(shù)千條，而智能變電站雖然減少了電纜數(shù)量但增加了信號(hào)光纜數(shù)量，二次線纜的總量仍然巨大［1-2］.

電力工程建設(shè)的效率始終是非常重要的.分析現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和施工流程發(fā)現(xiàn)，線纜清冊(cè)編制需要人工統(tǒng)計(jì)長度，導(dǎo)致線纜長度不夠準(zhǔn)確，冗余度把握不準(zhǔn).其次，在線纜敷設(shè)施工時(shí)，傳統(tǒng)做法是制作線纜吊牌，吊牌上標(biāo)示該線纜的兩端位置、芯線數(shù)量、線纜編號(hào)，然后固定在各線纜纜頭上，以備安裝人員、調(diào)試人員或運(yùn)行值班人員檢查.吊牌安裝位置的正確與否直接影響到線纜的施放質(zhì)量和安裝接線效率.據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，因線纜施放位置或吊牌信息錯(cuò)誤，導(dǎo)致接線不正確的情況時(shí)有發(fā)生，造成了不必要的返工，且增加了后續(xù)繼電保護(hù)及其他調(diào)試的難度，存在不能按時(shí)正確送電的風(fēng)險(xiǎn).另外，一些舊電站改造項(xiàng)目中，經(jīng)?？吹骄€纜大部分埋在線纜層或線纜溝內(nèi)，只有兩頭能看到.而線纜吊牌因年限已久以及潮濕環(huán)境變得模糊不清，其結(jié)果給拆老線纜的施工人員造成極大的麻煩，降低了施工效率［3-5］.

為了提高變電站線纜敷設(shè)質(zhì)量和效率，以及今后施工人員對(duì)線路的巡檢、變電站的智能改造，適應(yīng)智能變電站的運(yùn)行管理要求，應(yīng)著重從線纜的敷設(shè)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工以及巡檢等方面進(jìn)行分析、優(yōu)化，利用技術(shù)手段，完成二次線纜從線路敷設(shè)設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)行、巡檢、改造、管理等全流程（以下簡稱線纜工程）的系統(tǒng)優(yōu)化.

1 智能變電站線纜工程系統(tǒng)優(yōu)化的總體設(shè)計(jì)

基于GSN三維線纜敷設(shè)軟件以及RFID技術(shù)，對(duì)施工現(xiàn)場遇到的線纜布線或變電站智能化改造線路遇到的吊牌信息缺失等問題進(jìn)行分析和研究，制定出一套能提高線纜設(shè)計(jì)水平、施工和檢驗(yàn)效率，增強(qiáng)安裝準(zhǔn)確度，降低人為出錯(cuò)率的系統(tǒng)方案.該系統(tǒng)主要有3大系統(tǒng)模塊組成：

（1）線纜敷設(shè)設(shè)計(jì)模塊.能快速準(zhǔn)確地按最優(yōu)化選擇最佳敷設(shè)路徑，準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出各橋架和線纜信息以及所需的線纜長度，能自動(dòng)地建立線纜信息數(shù)據(jù)庫，為下一步施工和巡檢提供工程數(shù)據(jù)等.

（2）線纜敷設(shè)施工模塊.將設(shè)計(jì)模塊輸出的工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入RFID寫入器，制作線纜吊牌電子標(biāo)簽.實(shí)現(xiàn)智能化安裝線纜.

（3）智能巡檢模塊.能實(shí)現(xiàn)非接觸式識(shí)別線纜吊牌，準(zhǔn)確地讀取吊牌攜帶的線纜信息和設(shè)備位置信息，方便快捷地檢驗(yàn)線纜安裝信息，并及時(shí)地返給后臺(tái)的操作人員等.

2 線纜敷設(shè)設(shè)計(jì)模塊

根據(jù)文獻(xiàn)［6］中規(guī)定，電纜敷設(shè)方式一般有穿管式、直埋式、槽盒或橋架敷設(shè)等多種方式.在二次線纜敷設(shè)施工時(shí)常采用橋架或豎井的方式［7］，以減少工程量、便于施工.

2.1 GSN軟件技術(shù)

GSN系統(tǒng)是以AutoCAD為平臺(tái)，基于數(shù)據(jù)庫支持、設(shè)計(jì)與施工管理一體的電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)三維軟件，主要解決基礎(chǔ)設(shè)施中的電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)和施工問題.在設(shè)計(jì)階段，軟件主要解決電纜橋架設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電纜路徑最優(yōu)化設(shè)計(jì)，輸出電纜長度及敷設(shè)路徑信息，其創(chuàng)建的三維橋架模型還可用于協(xié)同設(shè)計(jì)和碰撞檢查.在施工、運(yùn)營中，可對(duì)電纜敷設(shè)、安裝進(jìn)行管理，進(jìn)而幫助用戶提高設(shè)計(jì)效率，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，節(jié)約施工設(shè)計(jì)以及運(yùn)營維護(hù)中的時(shí)間和成本.GSN敷設(shè)設(shè)計(jì)軟件的信息流程如圖1所示.

圖1 GSN線纜敷設(shè)信息流程圖Fig.1 Flow chart of GSN cable laying information

2.2 電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)流程

基于數(shù)據(jù)庫支持，該軟件能自動(dòng)搜索符合規(guī)則的最佳敷設(shè)路徑，提供檢查校驗(yàn)工具，生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，發(fā)布施工數(shù)據(jù)庫.其設(shè)計(jì)步驟：

（1）將線纜數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入，對(duì)橋架和所經(jīng)設(shè)備編號(hào)定義.

（2）按設(shè)計(jì)要求自定義電纜（Segregation Code）與敷設(shè)通道（Service Code）之間匹配規(guī)則，橋架及導(dǎo)管容積率、穿管根數(shù).讀取電纜的起點(diǎn)與終點(diǎn)的邏輯信息，采取最優(yōu)算法按敷設(shè)的最短路徑原則進(jìn)行敷設(shè).其敷設(shè)后的三維效果圖如圖2所示.

圖2 線纜橋架三維視圖Fig.2 Three-dimensional view of cable bridge

在線纜敷設(shè)的三維圖中能夠看到已經(jīng)敷設(shè)的電纜的視圖，可查詢和顯示橋架的寬和高、電纜類型、距地高度、橋架編號(hào)以及線纜根數(shù)等.軟件也可根據(jù)不同線纜的截面、芯數(shù)、類型、外徑等計(jì)算容積率并校驗(yàn)，保障敷設(shè)的合理性.

（3）設(shè)置線纜的長度裕度系數(shù)以及兩端接線屏高度等參數(shù)，軟件將自動(dòng)計(jì)算出每根線纜的長度.

（4）敷設(shè)軟件輸出每根線纜所經(jīng)過的橋梁編號(hào)信息和長度，為現(xiàn)場施工提供更加完整的電纜敷設(shè)信息.

基于數(shù)據(jù)庫的GSN三維線纜敷設(shè)軟件，可將所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，操作簡便靈活.創(chuàng)建的三維橋架模型可加載到主流3D設(shè)計(jì)軟件中，如PDS＼PDMS＼Plant 3D＼PlantSpace等，用于三維空間的協(xié)同設(shè)計(jì).軟件能自動(dòng)生成標(biāo)注、圖例和材料表以及橋架布線剖面（見圖3），同時(shí)從三維軟件中可提取二維圖紙及材料報(bào)表，取代了傳統(tǒng)手工統(tǒng)計(jì)，極大地縮短了統(tǒng)計(jì)線纜長度的時(shí)間，提高了現(xiàn)場施工的效率.

圖3 橋架剖面圖Fig.3 Sectional drawing of cable bridge

以上海市青浦區(qū)平朝樓110 k V變電站施工統(tǒng)計(jì)為例，整站手工統(tǒng)計(jì)線纜長度需要4個(gè)工時(shí)，使用軟件后統(tǒng)計(jì)線纜長度僅需1.2個(gè)工時(shí)，足足縮短了70%的時(shí)間.其耗時(shí)對(duì)比如圖4所示.

圖4 線纜統(tǒng)計(jì)耗時(shí)表Fig.4 The time-consuming table of cable statistics

3 二次線纜智能安裝和智能巡檢系統(tǒng)模塊

針對(duì)線纜敷設(shè)的施工以及常規(guī)巡檢任務(wù)，設(shè)計(jì)了一種基于RFID技術(shù)，集GPS定位系統(tǒng)和安卓智能系統(tǒng)為一體的線纜線路智能安裝和巡檢系統(tǒng).該系統(tǒng)主要有閱讀器、閱讀點(diǎn)、中間件（即平板電腦和智能手機(jī)）以及數(shù)據(jù)管理平臺(tái)等組成，如圖5所示.

圖5 二次線纜智能安裝和巡檢系統(tǒng)Fig.5 Secondary cable intelligent installation and inspection system

該系統(tǒng)的工作原理：①將電纜清冊(cè)的工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入RFID寫入器中，制作線纜的電子標(biāo)簽式吊牌，懸掛于線纜上，用于閱讀器的閱讀點(diǎn)；②在線路安裝完成后，手持閱讀器對(duì)每個(gè)閱讀點(diǎn)上攜帶的信息進(jìn)行讀取，定位其設(shè)備所在位置，校驗(yàn)線纜布線及其位置是否正確，有無冗余.將讀取的標(biāo)簽信息和GPS數(shù)據(jù)組合存儲(chǔ)于CT卡內(nèi)，任務(wù)完成后將CF卡內(nèi)的數(shù)據(jù)上傳于管理系統(tǒng)平臺(tái)做分析處理；③在變電站進(jìn)行線路或保護(hù)屏柜等進(jìn)行改造時(shí)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，手持閱讀器讀取電纜標(biāo)簽內(nèi)的信息，找到外部回路線纜走向，及時(shí)、準(zhǔn)確的拆除老的外部回路線纜.該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要解決兩個(gè)方面：一是二次電光攬線路安裝及智能巡檢工作，二是智能變電站的線路改造.

3.1 線纜智能敷設(shè)施工模塊

傳統(tǒng)的線纜安裝是施工人員將傳統(tǒng)吊牌懸掛于線纜上，線纜敷設(shè)是以圖紙和場地分析后進(jìn)行敷設(shè)施工［8］.由于現(xiàn)場環(huán)境較差，且施工圖紙厚重繁瑣，造成人工大部分時(shí)間用于分析圖紙，特別是在圖紙遺失時(shí)更是一籌莫展.為解決上述問題，對(duì)傳統(tǒng)線纜安裝過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了智能安裝模塊.采用智能安能模塊則可減去查閱厚重圖紙的時(shí)間，直接依靠閱讀器讀取吊牌信息進(jìn)行施工，可大大減少人工工時(shí)，提高線纜敷設(shè)施工效率和準(zhǔn)確率.其線纜敷設(shè)施工優(yōu)化流程如圖6所示.

圖6 線纜敷設(shè)施工優(yōu)化流程圖Fig.6 Flow chart of cable laying and construction optimization

線纜智能敷設(shè)施工模塊采用無源電子標(biāo)簽作為信息載體，將線纜吊牌制作成信息數(shù)字化的非接觸識(shí)別線纜吊牌，并將其分成位置標(biāo)簽和線纜標(biāo)簽：①位置標(biāo)簽，用于保護(hù)柜位置以及保護(hù)柜進(jìn)出線纜信息的管理，其內(nèi)部采用64 KB大容量芯片，并安裝GPS定位裝置，信息包括該保護(hù)柜的名稱、型號(hào)、位置，還包括保護(hù)柜內(nèi)線纜排線纜的數(shù)量、編號(hào)等相關(guān)信息；②線纜標(biāo)簽，其標(biāo)簽表面印刷有線纜型號(hào)、起點(diǎn)和終點(diǎn)、線纜線數(shù)的信息，其內(nèi)部芯片置有除吊牌表面印刷的信息外，還包括經(jīng)過橋架的閱讀點(diǎn)、橋架編號(hào)、線纜的長度、線纜內(nèi)部芯數(shù)以及該線纜兩端連接的設(shè)備型號(hào)和位置等信息.

現(xiàn)場施工時(shí)，可采用2種施工方案：①先確定位置標(biāo)簽的安裝位置，再掛設(shè)線纜標(biāo)簽.施工人員手持閱讀器讀取位置標(biāo)簽信息，確定位置標(biāo)簽安裝的保護(hù)柜位置.讀取保護(hù)柜進(jìn)出線纜編號(hào)，找出線纜標(biāo)簽.讀取線纜標(biāo)簽信息，確定線纜型號(hào)、長度以及線纜敷設(shè)走向等，制作線纜，懸掛線纜標(biāo)簽，完成線纜安裝.②位置標(biāo)簽與線纜標(biāo)簽同時(shí)安裝.施工人員手持閱讀器讀取線纜標(biāo)簽信息，確定線纜型號(hào)、長度等信息，制作安裝線纜，并懸掛線纜標(biāo)簽.手持閱讀器讀取位置標(biāo)簽信息，確定位置標(biāo)簽的安裝的保護(hù)柜位置，讀取保護(hù)柜進(jìn)出線纜編號(hào)，找到事先制作的線纜，再次讀取線纜標(biāo)簽信息完成線纜施工.

方案①施工安裝時(shí)有先后順序，施工時(shí)間較長，但對(duì)施工人員的數(shù)量要求少.方案②為同時(shí)施工，減少了整體施工時(shí)間，但對(duì)施工人員的數(shù)量要求多.兩種施工方案均能有效地優(yōu)化線纜施工工程，施工時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場人員配置以及工期要求合理選擇施工方案.

3.2 智能巡檢模塊

智能巡檢模塊主要依托RFID為技術(shù)手段，通過手持式閱讀器對(duì)閱讀點(diǎn)進(jìn)行讀取，完成智能巡檢.在線路驗(yàn)收完成后的驗(yàn)收工作或定期巡檢時(shí)，手持閱讀器對(duì)閱讀點(diǎn)進(jìn)行讀取，閱讀器將讀取的內(nèi)容包括該線纜的型號(hào)、線纜長度、線纜的起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置，線纜內(nèi)部芯數(shù)、敷設(shè)路徑，橋架的編號(hào)等信息顯示于閱讀器屏.位置標(biāo)簽同時(shí)帶有設(shè)備位置定位顯示于閱讀器屏上，供巡檢人員查看.然后閱讀器將讀取的標(biāo)簽信息和GPS數(shù)據(jù)組合在一起存儲(chǔ)于CT卡內(nèi)，任務(wù)完成后將CF卡內(nèi)的數(shù)據(jù)交于管理系統(tǒng)平臺(tái)做分析.

與傳統(tǒng)的巡檢相比，傳統(tǒng)的巡檢任務(wù)是巡檢人員攜帶厚重的圖紙，對(duì)每一個(gè)線纜上懸掛的標(biāo)簽進(jìn)行核實(shí)，然后根據(jù)標(biāo)簽和圖紙上攜帶的信息，檢驗(yàn)線纜線路的正確與否，工作繁重，占用人工多，耗時(shí)長，效率低下，特別是在定期巡檢或線路改造時(shí)，由于時(shí)間長久，環(huán)境差等因素造成線纜吊牌上的信息模糊不清甚至全部消失，造成無法確認(rèn)要巡檢的線路，也大大增加了改造線路時(shí)拆除老回路的難度，經(jīng)常造成誤拆.智能巡檢模塊將線纜信息數(shù)字化，保存于電子標(biāo)簽內(nèi)部芯片中，巡檢時(shí)，擺脫了攜帶厚重的圖紙進(jìn)行線路核實(shí)的繁重任務(wù)，對(duì)于線纜吊牌上信息模糊不清或丟失等情況，無須再用圖紙進(jìn)行一步一步地核對(duì)，從而減少了人工耗時(shí)，極大的提高了巡檢效率和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了智能變電站的智能巡檢任務(wù)，為以后的線路改造提供了更加簡單、高效的線路拆除方法.

4 結(jié) 語

將GSN軟件技術(shù)引入變電站線纜敷設(shè)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了線纜敷設(shè)設(shè)計(jì)智能化.線纜信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫，便于快速查詢，取代了傳統(tǒng)手工統(tǒng)計(jì)，縮短了線纜參數(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率.引用電子標(biāo)簽技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)線纜現(xiàn)場施工以及巡檢的智能化，節(jié)約了變電站施工工期，提高了施工效率.這一方案優(yōu)化了傳統(tǒng)變電站線纜敷設(shè)設(shè)計(jì)以及運(yùn)行管理，在今后的智能化變電站工程建設(shè)和工程改造中有較廣泛的應(yīng)用前景.

［1］ 劉召杰.智能變電站二次電光纜敷設(shè)自動(dòng)敷設(shè)設(shè)計(jì)及全流程管理［J］.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，18（3）：7-10.

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［8］ 郭延江.電纜敷設(shè)技術(shù)在10 k V電力配電工程中的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)與軟件工程.2013（23）：161.

（編輯 俞紅衛(wèi)）

Optimization Design of Secondary Electrical／Optical Cable Laying and the Operation Management in Substation

YAO Nian-zhenga， QIAN Pingb， WU Meng-chuc
（a.School of Mechanical Engineering；b.School of Electrical and Electronic Engineering；c.School of Engineering Innovation，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Based on the analysis of the present situation about the tedious work and inefficiency in secondary electrical／optical cable laying and operation management，the application of the GSN electric cable installation software and RFID system were researched，intelligent function of the cable and signal cable laying design was realized.Optimization method of cable and signal cable from laying to the late reformation in intelligent information management was put forward，which could improve the efficiency of the project construction in intelligent substation.

electric and optical cable；GSN automatic installation software；radio frequency identification（RFID）technology；cable tag

TM 757

A

1671-7333（2015）01-0074-05

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.01.013

2014-08-16

國家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（61374132）

姚念征（1987-），男，碩士生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)智能化集成技術(shù).E-mail：yaonz1224＠163.com

錢 平（1960-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍碗姎鈧鲃?dòng)裝置.E-mail：qping＠sit.edu.cn