基于大數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)智能管廊體系設(shè)計(jì)

何治安

（廣州供電局有限公司，廣州 510900）

0 引言

智能管廊是采用智能監(jiān)測(cè)和監(jiān)控設(shè)備，并基于多源數(shù)據(jù)協(xié)同的集中監(jiān)控和管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊及廊內(nèi)設(shè)備臺(tái)帳數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)更新、廊內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控、異動(dòng)的實(shí)時(shí)告警以及故障快速定位的智能化、可視化、自動(dòng)化、互動(dòng)化等。

隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，配電網(wǎng)線路中，電纜所占的比重越來越大，尤其是中心城區(qū)。電纜埋在地下，由于長期以來，配電網(wǎng)重視程度不夠，配電網(wǎng)電纜的管理遠(yuǎn)不及主網(wǎng)電纜的管理規(guī)范，運(yùn)維管控難度更大。隨著時(shí)間的推移，電纜管廊中運(yùn)行的電纜不斷增多，電纜本體及中間接頭的絕緣老化，電纜管廊中的設(shè)備運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)升高[1]，因此，為了保障配電網(wǎng)管廊中設(shè)備的安全運(yùn)行，本文構(gòu)建一套功能完善有效的體系，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)管廊及其內(nèi)部設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)可觀、可測(cè)、可控，以便提前化解風(fēng)險(xiǎn)，提高供電安全及可靠性。

1 配電網(wǎng)智能管廊體系總體構(gòu)架

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

智能管廊體系構(gòu)成如圖1所示分為終端層、通信層和應(yīng)用層。

（1）終端層

主要包括各類傳感器及視頻監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各類數(shù)據(jù)并通過通信層傳輸。電纜附件狀態(tài)檢測(cè)，包括溫度、局放及電纜護(hù)套的環(huán)流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。管廊通道內(nèi)部的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括管廊空間的利用情況、每條電纜的名稱及電纜在管廊中的位置、管廊中是否有中間接頭等信息的實(shí)時(shí)顯示。管廊位置的快速定位，包括管廊工井定位、工井的三維數(shù)據(jù)、工井之間的距離、管廊路徑、管廊深度等數(shù)據(jù)。管廊異常時(shí)實(shí)時(shí)報(bào)警，井蓋異常開啟或管廊被外力挖掘時(shí)，實(shí)時(shí)報(bào)警。

（2）通信層

通信層采用電力專網(wǎng)或公網(wǎng)通信方式，建立數(shù)據(jù)流管控，基于分散信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行再集中、再統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)交互流程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和更新，對(duì)采集量測(cè)數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效利用分析，為系統(tǒng)各項(xiàng)應(yīng)用功能提供支撐。

（3）應(yīng)用層

包括設(shè)備在線監(jiān)控、異常告警、移動(dòng)終端應(yīng)用、大屏展示、統(tǒng)計(jì)等[2]。

1.2 系統(tǒng)功能

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜附件狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管廊工井內(nèi)電纜及附件的溫度，一旦電纜表面溫度高于設(shè)定警戒值，即發(fā)送告警信息。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜附件局部放電的大小、數(shù)量及相位，一旦電纜附件局部放電的大小、數(shù)量超過警戒值，即發(fā)送告警信息，實(shí)現(xiàn)電力電纜的絕緣狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜金屬護(hù)層接地環(huán)流，保障電纜的安全運(yùn)行。電纜發(fā)生故障時(shí)，通過多種異常數(shù)據(jù)的綜合研判，及時(shí)顯示故障信息及故障點(diǎn)位置。

（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊通道的實(shí)時(shí)監(jiān)控

在線顯示管廊通道中當(dāng)前電纜的數(shù)量、通道的占用情況、每條電纜的名稱、每條電纜占用通道的位置，以及工井內(nèi)是否有電纜中間頭等。

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管廊內(nèi)部溫度、有害氣體、水位等信息。

（4）實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊的快速定位

現(xiàn)場(chǎng)安裝無源定位裝置及工井安健環(huán)，每個(gè)工井擁有唯一的命名及編號(hào)，通過移動(dòng)終端，可在現(xiàn)場(chǎng)快速找到工井；線上記錄每個(gè)工井的定位信息，根據(jù)定位信息，實(shí)現(xiàn)工井快速精準(zhǔn)定位。線上記錄管廊的三維信息，包括相鄰工井之間的距離、管廊的寬度、深度，實(shí)現(xiàn)管廊資產(chǎn)快速查詢，管廊附近施工時(shí)，快速交底，精準(zhǔn)避讓。

（5）實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊及電纜異動(dòng)的實(shí)時(shí)告警

發(fā)生井蓋被異常開啟、管廊及電纜受到外力碾壓或被挖掘時(shí)，實(shí)時(shí)告警，并精準(zhǔn)定位異動(dòng)點(diǎn)，避免電纜外力破壞事故的發(fā)生。

（6）實(shí)現(xiàn)管廊內(nèi)電纜的快速識(shí)別

打開管廊井蓋后，能夠快速識(shí)別目標(biāo)電纜。利用移動(dòng)終端、VR等智能裝備，無需打開電纜蓋板，即可三維顯示管廊內(nèi)部信息，包括電纜數(shù)量、名稱、電纜擺放位置，是否有中間接頭等。

（7）實(shí)現(xiàn)管廊的智能運(yùn)維

利用電網(wǎng)地理信息（GIS）、視頻信息、告警信息等發(fā)現(xiàn)管廊及其內(nèi)部電纜存在的故障及異常，實(shí)時(shí)研判故障、準(zhǔn)確定位，并根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果和綜合數(shù)據(jù)分析，結(jié)合管廊內(nèi)運(yùn)維矩陣，確定管廊年度運(yùn)維等級(jí)及其運(yùn)維策略的過程，合理調(diào)度運(yùn)行及搶修資源，提高運(yùn)維效率。

圖1 體系結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)控主站

智能管廊監(jiān)控主站系統(tǒng)是基于云服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)、BIM/GIS及大數(shù)據(jù)技術(shù)，針對(duì)管廊智能化運(yùn)維建設(shè)的系統(tǒng)平臺(tái)，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、異動(dòng)管理系統(tǒng)、通訊管理系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)、日常管理系統(tǒng)、臺(tái)帳管理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)智能分析決策系統(tǒng)各子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)又包括多個(gè)專業(yè)的管理模塊。系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)之間、各子系統(tǒng)功能模塊之間，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)，滿足數(shù)據(jù)共享要求，同時(shí)系統(tǒng)各部分與管廊內(nèi)硬件設(shè)備具備聯(lián)動(dòng)控制功能。主站結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主站結(jié)構(gòu)

2.1 主站結(jié)構(gòu)體系

智能管廊主站是智能管廊監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)管廊及廊內(nèi)設(shè)備臺(tái)帳存儲(chǔ)、查詢、更新及廊內(nèi)環(huán)境、異動(dòng)、設(shè)備狀態(tài)信等息的采集和監(jiān)控等基本功能，以及管廊智能運(yùn)維等應(yīng)用擴(kuò)展功能。

（1）監(jiān)控主站要滿足可觀、可控、可測(cè)、可追溯的要求。

（2）將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、監(jiān)測(cè)、采集的數(shù)據(jù)上傳并同步到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，通過集成一體化系統(tǒng)提供的接口，輸送到監(jiān)控主站，實(shí)現(xiàn)地下資源的可視化、精益化管理。

（3）通過整合電纜設(shè)備臺(tái)賬信息、管廊及工井的地理空間位置信息、管廊資源使用信息、管廊環(huán)境信息、電纜及其附件運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)電纜路徑明晰、通道資源可視、故障實(shí)時(shí)定位、運(yùn)行狀態(tài)可知和運(yùn)行安全可控。

（4）采用統(tǒng)一的系統(tǒng)管理應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置管理、權(quán)限管理、日志管理、數(shù)據(jù)管理和接口標(biāo)準(zhǔn)管理等管理維護(hù)，提升系統(tǒng)的可用性和易用性，降低系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜度。

（5）硬件應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化的通用設(shè)備，具有良好的開放性和可替代性，符合安全性、可靠性和可擴(kuò)展性原則。

2.2 PC端

（1）應(yīng)具備管廊及電纜在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)瀏覽功能，包括：綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)、異動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、管廊資源利用信息等在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的瀏覽功能。

（2）應(yīng)具備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能，包括：為實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析功能、設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)分析評(píng)估功能提供數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完整性、一致性、采集及時(shí)性的統(tǒng)計(jì)分析功能。

（3）應(yīng)具備綜合展示管廊及電纜當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)、告警信息功能。

（4）應(yīng)具備通過在線監(jiān)測(cè)模塊采集環(huán)境、異動(dòng)、設(shè)備狀態(tài)、管廊資源利用信息等數(shù)據(jù)。

（5）提供事故追憶功能，功能主要記錄事故前后的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，為事后故障分析、事故分析提供相關(guān)信息支持。

（6）選用的服務(wù)器，應(yīng)能支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，支持雙網(wǎng)或多網(wǎng)運(yùn)行，支持標(biāo)準(zhǔn)商用數(shù)據(jù)庫。

（7）硬件設(shè)備的配置容量應(yīng)能滿足整個(gè)系統(tǒng)的功能要求和性能指標(biāo)要求，并留有適當(dāng)?shù)脑６龋鞣?wù)器和工作站的CPU應(yīng)留有40%的系統(tǒng)資源。

（8）系統(tǒng)采用開放分布式體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能分布配置，主要設(shè)備采用冗余配置。硬件設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、采集服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

（9）平臺(tái)具備彈性擴(kuò)展能力。平臺(tái)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源等可彈性擴(kuò)展，平臺(tái)應(yīng)具備統(tǒng)一的系統(tǒng)管理，具備標(biāo)準(zhǔn)化的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)與其它系統(tǒng)平滑互聯(lián)互通。

2.3 移動(dòng)終端

（1）根據(jù)供現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維需要，將電纜通道、電纜本體以及附屬設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)圖層（電纜、通道、附件、工井、中間頭、環(huán)網(wǎng)柜、接線箱等）、電子地圖、影像圖在移動(dòng)巡檢平臺(tái)上顯示。

（2）應(yīng)具備設(shè)備臺(tái)帳查詢檢索、管廊及內(nèi)部電纜的GIS可視化展示、管廊及電纜位置、狀態(tài)、運(yùn)行信息的現(xiàn)場(chǎng)查詢等功能。

（3）管廊或管廊內(nèi)部設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)派發(fā)到附近巡視人員或提醒設(shè)備主人。

（4）應(yīng)具備自動(dòng)定位功能，可通過設(shè)備坐標(biāo)自動(dòng)定位設(shè)備所在位置或與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備自動(dòng)匹配。

（5）應(yīng)具備導(dǎo)航及軌跡記憶功能，通過巡檢軌跡分析巡檢人員工作效率和工作質(zhì)量，優(yōu)化巡檢工作。

3 終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 電纜及其附件狀態(tài)數(shù)據(jù)采集

利用溫度、局放等傳感器及電流互感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的溫度及電纜護(hù)套的環(huán)流、電纜附件的溫度及局放，并將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸至主站系統(tǒng)。利用智能監(jiān)測(cè)終端，實(shí)時(shí)采集相間短路故障、單相接地故障等數(shù)據(jù)[3-4]。

（1）堅(jiān)持以資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的原則，同時(shí)應(yīng)考慮降低投資成本和提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

（2）應(yīng)對(duì)噪聲、工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)、高頻電磁波、通信干擾等方面采取必要的防治措施，并滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）推廣采用高可靠性、小型化和節(jié)能型設(shè)備。

（4）優(yōu)先選用無源或低功耗的產(chǎn)品。

（5）產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命不小于15年。

（6）長時(shí)耐受溫度不低于105℃，短時(shí)（24 h）耐受溫度不低于155℃。

（7）設(shè)備需具備自檢功能，并可將自檢信號(hào)上傳至監(jiān)控終端功能。

（8）能支持帶電安裝。

3.2 管廊環(huán)境數(shù)據(jù)采集

利用視頻監(jiān)控及傳感器，實(shí)時(shí)采集管廊環(huán)境數(shù)據(jù)，包括有毒氣體、溫度、水位、廊內(nèi)垃圾等。

管廊環(huán)境包括管廊內(nèi)設(shè)備運(yùn)行空間環(huán)境，同時(shí)應(yīng)包含管廊外部地面通道環(huán)境。

根據(jù)管廊智能化的實(shí)際需求，配置各類傳感器對(duì)電纜運(yùn)行空間的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集的環(huán)境信息集中在站端處理單元上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理[5-6]。

（1）需要實(shí)現(xiàn)場(chǎng)所或空間區(qū)域的綜合環(huán)境參量（溫度、水位、氣體等）監(jiān)測(cè)，其場(chǎng)所空間具有增設(shè)傳感器的位置，增設(shè)傳感器以不影響供電安全運(yùn)行、不造成設(shè)備停運(yùn)為原則。

（2）新建與改造管廊，工井應(yīng)考慮進(jìn)行智能化準(zhǔn)入管理。

（3）已建供電場(chǎng)所安裝的消防煙霧探測(cè)器若為數(shù)字化探頭，應(yīng)具備信號(hào)外接端子，可實(shí)現(xiàn)信息外送，若探頭為非數(shù)字化探頭，可加裝煙霧探頭。新建與改造應(yīng)考慮煙霧探測(cè)數(shù)字化安裝需求[7-8]。

（4）為避免終端設(shè)備增加維護(hù)工作量，優(yōu)先選用無源傳感器。

（5）傳感器壽命應(yīng)不小于15年。

（6）設(shè)備需具備自檢功能，并可將自檢信號(hào)上傳至監(jiān)控終端功能。

（7）選用設(shè)備的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)》和《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》，低于如表1所示水平。

表1 噪聲標(biāo)準(zhǔn)dB

3.3 管廊資源使用信息采集

利用視頻監(jiān)控及電子標(biāo)簽，實(shí)時(shí)采集管廊通道的利用情況，每個(gè)通道放置的電纜的名稱等數(shù)據(jù)。

（1）視頻監(jiān)控設(shè)備宜采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，包括智能網(wǎng)絡(luò)高速球、網(wǎng)絡(luò)固定攝像機(jī)等。

（2）編碼模式應(yīng)支持雙碼流編碼模式，即實(shí)時(shí)流（主碼流）和輔碼流。

（3）網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)應(yīng)能識(shí)別電房內(nèi)物體和人員活動(dòng)情況，及電柜開關(guān)按鈕狀態(tài)、銘牌、指針。

（4）網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)應(yīng)支持紅外補(bǔ)光。

（5）設(shè)備需具備自檢功能，并可將自檢信號(hào)上傳至監(jiān)控終端功能。

（6）電子標(biāo)簽優(yōu)先選用無源設(shè)備，具有一定的信息存儲(chǔ)功能。

（7）電子標(biāo)簽應(yīng)具備抗強(qiáng)磁場(chǎng)干擾能力，材料應(yīng)耐腐蝕、耐老化。

（8）電子標(biāo)簽應(yīng)具備一定的通信能力。

3.4 管廊及工井的地理位置空間信息采集

（1）堅(jiān)持以資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的原則，同時(shí)應(yīng)考慮降低投資成本和提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

（2）應(yīng)對(duì)噪聲、工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)、高頻電磁波、通信干擾等方面采取必要的防治措施，并滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）推廣采用高可靠性、小型化和節(jié)能型設(shè)備。

（4）設(shè)備需具備自檢功能，并可將自檢信號(hào)上傳至監(jiān)控終端。

（5）工井的電子標(biāo)簽優(yōu)先選用無源或損耗低設(shè)備，具有一定的信息存儲(chǔ)功能。

（6）工井的電子標(biāo)簽應(yīng)具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受車輛的碾壓，具備抗強(qiáng)磁場(chǎng)干擾能力，材料應(yīng)耐腐蝕、耐老化。

（7）工井的電子標(biāo)簽應(yīng)具備一定的通信能力[9-10]。

3.5 管廊異常數(shù)據(jù)采集

利用壓力、振動(dòng)等傳感器，實(shí)時(shí)獲取管廊及電纜異動(dòng)信息，自動(dòng)獲取異動(dòng)點(diǎn)位置，并將移動(dòng)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給主站[11]。

（1）堅(jiān)持以資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的原則，同時(shí)應(yīng)考慮降低投資成本和提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

（2）應(yīng)對(duì)噪聲、工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)、高頻電磁波、通信干擾等方面采取必要的防治措施，并滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）推廣采用高可靠性、小型化和節(jié)能型設(shè)備。

（4）優(yōu)先選用無源或損耗低的產(chǎn)品。

（5）設(shè)備需具備自檢功能，并可將自檢信號(hào)上傳至監(jiān)控終端功能。

（6）傳感設(shè)備應(yīng)具有較好機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受一般的外界破壞。

4 通信系統(tǒng)

通訊管理系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)管廊內(nèi)部及管廊內(nèi)部與外部的通訊服務(wù)，用于管廊運(yùn)維的正常業(yè)務(wù)通訊及應(yīng)急狀態(tài)下信息傳遞。

（1）主站通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用雙向100/1 000 M光/電接口接入。

（2）智能管廊內(nèi)環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、異動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過管廊智能監(jiān)控終端匯總處理后上傳至主站，每套智能監(jiān)控終端只提供一個(gè)IP地址，上行鏈路帶寬不少于10 M。

（3）主站與管廊智能監(jiān)控終端之間的網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)采用VLAN與其他業(yè)務(wù)隔離[12-13]。

5 結(jié)束語

本文主要研究解決當(dāng)前配電網(wǎng)電纜管廊運(yùn)維難點(diǎn)的智能管廊體系，基于實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)智能管廊體系的總體結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)闡述了該體系的主要功能，根據(jù)體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，著重分析了體系的PC端、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)的構(gòu)成及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，可有效指導(dǎo)配電網(wǎng)智能管廊建設(shè)。