500kV電纜隧道中5G通信系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

國網(wǎng)北京通州供電公司 馬文營 王春雷 孫笑一

相對于架空線路，電力電纜多敷設(shè)于地下、相間距小，能夠提升城市景觀、提高土地利用率。同時由于城市核心區(qū)重要負(fù)荷集中，高可靠性和安全性要求高，電力電纜越來越成為城市核心區(qū)電網(wǎng)的首選。換言之，提高電纜網(wǎng)的安全性也是提升城市核心區(qū)電網(wǎng)安全性的重中之重。

提升電網(wǎng)高可靠性的一個重要方面是提高系統(tǒng)網(wǎng)架的可靠性，即從系統(tǒng)規(guī)劃層面提供多方向電源，保證電網(wǎng)在N-1、N-2情況仍可靠運(yùn)行，但受限于城市空間規(guī)劃和電網(wǎng)整體經(jīng)濟(jì)性，一味新建電網(wǎng)網(wǎng)架、提升電網(wǎng)冗余度顯然不現(xiàn)實(shí)也不合理。另一面就是提升現(xiàn)有電網(wǎng)的運(yùn)維水平，比如通過增添一些新的監(jiān)控手段或措施，提高電網(wǎng)對安全隱患、故障的排除，從而提高電網(wǎng)安全可靠性。

目前，隨著信技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電纜及電纜隧道的監(jiān)測設(shè)備層出不窮，同時隨著“萬物互聯(lián)”在電纜隧道中的應(yīng)用和推廣，電纜隧道中（作為輸電網(wǎng)重要的感知層設(shè)備安裝點(diǎn)）的監(jiān)控設(shè)備也越來越多[1-6]，大大提升了電網(wǎng)的智能化應(yīng)用水平。文獻(xiàn)[1]介紹了500kV 電纜隧道中的在線監(jiān)測，包含多種監(jiān)控系統(tǒng)，可認(rèn)為是一個綜合監(jiān)測系統(tǒng)，同時綜合管廊電力艙多采用獨(dú)立成艙模式，其綜合監(jiān)測與電力隧道內(nèi)綜合監(jiān)測基本相同。更多的文獻(xiàn)[2-6]是針對各個子系統(tǒng)，如光纖測溫在線監(jiān)測、局放在線監(jiān)測，以及兩類相近功能聯(lián)合監(jiān)測的。

分布式是送電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與變電站設(shè)備的監(jiān)控的最大不同，也是送電網(wǎng)系統(tǒng)的天然屬性，針對其分布式，通信系統(tǒng)和供電系統(tǒng)是送電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的核心和難點(diǎn)。而隨著通信技術(shù)的發(fā)展，5G 通信作為新一代通信系統(tǒng)，具有通信可靠性高、低延時等優(yōu)點(diǎn)，完美的匹配高壓電纜隧道監(jiān)控系統(tǒng)（如視頻監(jiān)控等）傳輸數(shù)據(jù)量大、實(shí)時性要求高的特點(diǎn)，成為高壓電纜隧道通信系統(tǒng)一個非常重要的組成部分，也是一個趨勢。同時由于高壓電纜隧道本身是一個密閉空間，其通信傳輸通道受電纜隧道影響大，如何經(jīng)濟(jì)合理布置5G 通信設(shè)備也是一個待解決的問題。從目前查閱的資料，5G 通信已大量應(yīng)用于地鐵、廣電物聯(lián)網(wǎng)等場景，但在電纜隧道中的應(yīng)用案例鮮有報道。

本文以北京某500kV 電纜的5G 通信升級改造工程實(shí)例為基礎(chǔ)，深入分析研究其監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)和5G 通信特點(diǎn)，重點(diǎn)論述了500kV 電纜隧道中5G 通信系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，為相關(guān)類似工程提供的借鑒和參考。

1 工程概況及在線監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 工程概況

北京某500kV 送電工程是國內(nèi)第二條500kV電壓等級電纜送電線路，同時也是首條采用了國產(chǎn)電纜及附件的工程，開創(chuàng)了超高壓電纜系統(tǒng)國產(chǎn)化的先河。該工程全線為架空與電纜混合線路，其中電纜部分全線采用隧道敷設(shè)，電纜路徑長約6.7km，其中約5km 盾構(gòu)、1.7km 暗挖隧道。為了更好地保障隧道內(nèi)電纜運(yùn)行安全，提高電纜及隧道運(yùn)維的智能化水平，該電纜工程加裝了大量的電纜本體及隧道環(huán)境的監(jiān)測設(shè)備，經(jīng)過近7年的使用，其良好的運(yùn)行性能也驗(yàn)證了其監(jiān)控設(shè)備的合理性和優(yōu)越性。

隧道橫斷面設(shè)通行人行步道，內(nèi)側(cè)墻壁固定超高壓電纜，全程鋪設(shè)耐火槽盒，可用于通信光纜、電源線的布放，另一側(cè)安裝有巡檢機(jī)器人滑道。隧道內(nèi)部整體陰冷，環(huán)境濕度約70%以上。本次針對巡檢機(jī)器人視頻回傳、巡檢人員音頻視頻實(shí)時交互等大數(shù)據(jù)量傳輸需求，增加5G 通信功能。另外基于現(xiàn)場環(huán)境評估，還應(yīng)盡量減少隧道內(nèi)有源設(shè)備的使用，減輕后期設(shè)備管理、維護(hù)的壓力。

500kV 電力隧道包含通風(fēng)、照明、排水、光纖測溫、井蓋監(jiān)控等常規(guī)附屬設(shè)施，同時為提升電纜及隧道監(jiān)測的智能化水平，需增加對電力隧道內(nèi)運(yùn)行環(huán)境多狀態(tài)及高壓電纜本體的綜合監(jiān)測，并建設(shè)全程巡視的電力隧道智能巡檢機(jī)器人巡視系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)500kV 電力隧道固定、離散在線監(jiān)控系統(tǒng)與動態(tài)、連續(xù)式監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)真正意義的自動巡視和狀態(tài)檢修，確保電纜線路及電纜通道安全可靠運(yùn)行。

按監(jiān)測對象來分，目前常用的監(jiān)控設(shè)備可分為電力電纜本體和電纜環(huán)境監(jiān)控兩類。

1.2 電纜本體監(jiān)測

電纜本體監(jiān)測主要包括分布式光纖測溫、接頭紅外矩陣式在線測溫、護(hù)層接地電流在線監(jiān)測和局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)等。為加強(qiáng)對電纜的運(yùn)行監(jiān)控、測定電纜的負(fù)荷變化，同時對隧道內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)全線監(jiān)測，為新建500kV 電纜配置一套光纖在線測溫系統(tǒng)、為新建電力隧道配置一套光纖在線測溫系統(tǒng)。溫度監(jiān)測主機(jī)安裝在變電站內(nèi)，光纖在線測溫系統(tǒng)最大測量長度不小于10公里、空間分辨率不大于2米。沿電纜以及本路電纜所敷設(shè)的電力隧道內(nèi)分別布置一條測溫光纖。電纜測溫光纖隨中相電纜全線敷設(shè)，隧道測溫光纖沿隧道頂端敷設(shè)全線。

電纜接頭紅外矩陣式在線測溫、電纜護(hù)層接地電流在線監(jiān)測、局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，均基于集中監(jiān)控指揮中心綜合數(shù)據(jù)智能監(jiān)測管理平臺為基礎(chǔ)和核心由已建含多狀態(tài)綜合監(jiān)控主機(jī)等軟硬件設(shè)備的變電站內(nèi)井蓋綜合監(jiān)控屏匯集設(shè)備、已建電力隧道內(nèi)數(shù)字編址總線式載波通信網(wǎng)絡(luò)、矩陣紅外測溫采集器、矩陣紅外溫度傳感器、精確接地電流采集器、精確CT 電流互感器、局放數(shù)據(jù)采集器、高頻脈沖電流傳感器、工頻信號同步傳感器及其他相關(guān)設(shè)備組成，通訊傳輸采用TCP/IP 綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)+數(shù)字編址式載波通信網(wǎng)絡(luò)+現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合一體網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，以達(dá)到遠(yuǎn)程集中監(jiān)測、集中顯示報警、集中聯(lián)動控制和集中管理的目標(biāo)。

圖1 電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備連接圖

1.3 電纜環(huán)境監(jiān)測

電纜環(huán)境監(jiān)測同時包含隧道環(huán)境（溫度、有害氣體、水位等）、安防系統(tǒng)（井蓋監(jiān)控、進(jìn)出口門禁、視頻監(jiān)控等）以及巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。其中，隧道環(huán)境、安防系統(tǒng)能有效監(jiān)測電纜環(huán)境，保障設(shè)備和運(yùn)維人員安全，是提升電纜運(yùn)行環(huán)境安全的有力保障。與電纜本體監(jiān)測一樣，其傳輸數(shù)據(jù)量不算大，可以很方便的通過電力載波等方式實(shí)現(xiàn)。即通過TCP/IP 綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)+數(shù)字編址式載波通信網(wǎng)絡(luò)+現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合一體網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，以達(dá)到遠(yuǎn)程集中監(jiān)測、集中顯示報警、集中聯(lián)動控制和集中管理的目標(biāo)。

隧道智能巡檢機(jī)器人是電纜隧道巡檢的重要組成部分，巡檢機(jī)器人自帶的監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)崟r實(shí)現(xiàn)視頻、紅外等一系列數(shù)據(jù)的采集，并能隨著導(dǎo)軌運(yùn)行至相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測。由于要實(shí)時將所采集的視頻、監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息上傳至上位機(jī)平臺，所以巡檢機(jī)器所需的通信傳輸量相對較大，需采用光纖傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量實(shí)時上傳，即采用有線與無線相結(jié)合的視頻及控制數(shù)據(jù)的傳輸。

智能巡檢機(jī)器人和中心管理平臺通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，從數(shù)據(jù)接入點(diǎn)到智能巡檢機(jī)器人之間的高速數(shù)據(jù)傳輸利用MESH 無線網(wǎng)絡(luò)方式，無線傳輸采用800M～2.4G 可調(diào)頻率的MESH 無線設(shè)備，切換時間少于100毫秒，每隔150米設(shè)置一個無線基站，接入光纖通信傳輸網(wǎng)絡(luò)。智能巡檢機(jī)器人所有的控制信號、視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、現(xiàn)場傳感器采集數(shù)據(jù)及報警信息等均通過無線MESH 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。但由于數(shù)據(jù)量巨大且實(shí)時性要求高，實(shí)際運(yùn)行中，由于數(shù)據(jù)量傳輸巨大、會有圖像信息卡頓現(xiàn)象發(fā)生。

2 5G 通信系統(tǒng)

5G 通信以其優(yōu)良的大數(shù)據(jù)量和實(shí)時性，在智慧醫(yī)療、企業(yè)虛擬專網(wǎng)、智能電網(wǎng)、交通、智慧教育、智慧港口、超高清制播等七大重點(diǎn)領(lǐng)域得到了快速推廣。同時也為本工程中巡檢機(jī)器人和定點(diǎn)監(jiān)控中的視頻上傳提供無線解決思路。

建設(shè)范圍。本次電纜隧道5G 建設(shè)試驗(yàn)段位于500kV 電力隧道，信號覆蓋500kV 變電站向西的線路分倉2.5公里。本次5G 建設(shè)涉及1套智能巡檢機(jī)器人、2套接頭紅外矩陣式測溫、2套局部放電等3類在線監(jiān)測裝置。在示范隧道通風(fēng)機(jī)房內(nèi)新建傳輸設(shè)備與BBU，上聯(lián)聯(lián)通局所，用光纜下接RRU。RRU通過饋線連接八木天線對地下隧道進(jìn)行5G 覆蓋，通過新建電纜進(jìn)行取電。

5G 安裝位置。根據(jù)聯(lián)通公司在示范隧道通風(fēng)機(jī)房內(nèi)新建傳輸設(shè)備與5GBBU 單元，隧道建設(shè)使用RRU+八木天線的方式對地下隧道進(jìn)行5G 覆蓋，機(jī)器人和紅外矩陣式測溫5G 信號傳輸?shù)铰?lián)通基站，再由基站傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺的前端控制機(jī)5G 信號收集處理后傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺。由于RRU、漏纜較重，需評估墻體承重。同時漏纜需使用卡具固定（一般1個/米），需打孔，另一側(cè)墻體部分不連續(xù)，漏纜無法貼墻安裝。RRU 缺可靠加電、接地位置，現(xiàn)場需進(jìn)行一定的改造，經(jīng)核實(shí)可以與電力公司共同接地。

圖2 八木天線

圖3 5G 采集器及傳感器（接地電流）

圖4 隧道監(jiān)控平臺展示

圖5 局放監(jiān)控界面

5G 建設(shè)應(yīng)用。500kV 電力隧道中，利用5G 技術(shù)向平臺傳輸監(jiān)測和作業(yè)數(shù)據(jù)，極大改善了視頻、局放圖譜等重要數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承院蜁r效性。5G 巡檢機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)隧道環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控，并可在專題圖中控制機(jī)器人的行進(jìn)路線和角度，同時展示巡視過程中電纜的紅外測溫，隨時掌控電纜運(yùn)行狀況。同時5G 紅外矩陣測溫是對接頭區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化面測溫裝置，更全面監(jiān)測接頭重點(diǎn)部位溫度變化。新增5G 局放/接地環(huán)流監(jiān)測設(shè)備2套，全線共安裝X 套局放在線監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測圖譜和數(shù)據(jù)查詢分析，診斷設(shè)備局放程度。

綜上，本文以某500kV 電纜隧道5G 通信工程為例，可見采用5G 通信網(wǎng)絡(luò)能夠更有利于電纜隧道的在線監(jiān)控平臺中的數(shù)據(jù)傳輸，相對于其他通信網(wǎng)絡(luò)電纜隧道內(nèi)5G 通信有如下優(yōu)勢：超快速響應(yīng)提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎涂煽啃?；大幅提升了?shù)據(jù)展示的流暢性和利用率，降低了數(shù)據(jù)傳輸時延；為監(jiān)控電纜運(yùn)行狀態(tài)，管理異常信息做出快速應(yīng)急反應(yīng)提供了有力支撐。