特長隧道智能配電系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王 穎

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

近年來，隨著我國高速公路網(wǎng)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的隧道群、特長隧道，如何更好地保障隧道運(yùn)營安全，是隧道設(shè)計和運(yùn)營中考慮的首要問題[1]。隧道是一個相對封閉的環(huán)境，運(yùn)營環(huán)境較為特殊，通風(fēng)、消防、照明、通信、監(jiān)控等配套設(shè)施是保證隧道安全高效運(yùn)營的基礎(chǔ)，因此為這些負(fù)荷提供安全可靠的供配電顯得尤為重要[2]。傳統(tǒng)被動的進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)的配電系統(tǒng)已無法適應(yīng)交通產(chǎn)業(yè)日益增長的數(shù)字化、智慧化管理以及運(yùn)維的需求，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及智能決策技術(shù)深度融合的智能配電系統(tǒng)具有可靠性高、運(yùn)行維護(hù)主動、安全性高以及互聯(lián)互通性強(qiáng)等特點，并且為滿足隧道實際的需求還可以進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計，從數(shù)字化過渡到智慧化，建立“人——設(shè)備——數(shù)據(jù)”的互聯(lián)互通，從經(jīng)驗驅(qū)動創(chuàng)新發(fā)展到數(shù)據(jù)驅(qū)動，使其可以更好地滿足隧道自動化運(yùn)維、管理的需求。本文基于智能配電系統(tǒng)的技術(shù)特點與優(yōu)勢，結(jié)合隧道配電系統(tǒng)運(yùn)營的實際需求，以G98環(huán)島高速三亞崖州灣隧道工程實例為切入點，通過優(yōu)化隧道內(nèi)供配電方案，確定了隧道工程的智能配電系統(tǒng)設(shè)計方案及其應(yīng)用方向和要點，提升了隧道供配電設(shè)施供電安全性和可靠性，有力保障了隧道平安、智慧、高效和可持續(xù)運(yùn)營。

1 工程概況

海南G98環(huán)島高速是溝通?？谥寥齺唭沙鞘?，連接?？谑小⒊芜~縣、臨高縣、儋州市、洋浦經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、白沙縣、昌江縣、樂東縣、三亞市的交通主干線，也是海南省高速公路網(wǎng)中的主骨架?，F(xiàn)狀G98環(huán)島高速為路堤形式，從崖州灣科技城重點片區(qū)中間穿越，對片區(qū)有嚴(yán)重的割裂作用，兩側(cè)地塊無法溝通，嚴(yán)重制約崖州灣科技城重點片區(qū)的建設(shè)發(fā)展。該工程是海南G98環(huán)島高速的一部分，位于三亞市崖州灣科技城重點片區(qū)，為新建G98環(huán)島高速隧道段項目，隧道規(guī)模為雙向四車道，長度為3.93 km，其中暗埋段3.09 km，隧道中間未設(shè)置匝道，主線為雙向四車道并兩應(yīng)急通道設(shè)計，其中隧道10 kV變電所總體布置如圖1所示。

圖1 隧道10 kV變電所總體布置圖

2 隧道用電負(fù)荷及供電方案設(shè)計

隧道工程的供電應(yīng)確保隧道安全可靠地正常運(yùn)行，滿足設(shè)計規(guī)范中對不同等級負(fù)荷的供電要求。

2.1 負(fù)荷分級

G98環(huán)島高速三亞崖州灣隧道重要電力負(fù)荷的分級如下：

（1）一級負(fù)荷：隧道內(nèi)應(yīng)急照明、基本照明、射流風(fēng)機(jī)、消防泵、消防風(fēng)機(jī)、監(jiān)控設(shè)備等，其中應(yīng)急照明等為特別重要負(fù)荷。

（2）二級負(fù)荷：加強(qiáng)照明、排水泵等其余負(fù)荷。

（3）三級負(fù)荷：檢修電源等其余負(fù)荷。

2.2 供電電源及接線方案設(shè)計

根據(jù)負(fù)荷分布的特點，隧道擬設(shè)4座分變電所，隧道1#、4#變電所為地面式泵站變電所，按照當(dāng)?shù)匦袠I(yè)管理要求，另增設(shè)1路柴油發(fā)電機(jī)為備用電源的主接線，低壓側(cè)為單母線分；隧道2#、3#變電所為以隧道射流風(fēng)機(jī)為負(fù)荷中心和主要負(fù)荷的變電所，主接線為兩路10 kV雙變壓器接線，低壓側(cè)為單母線分段，中間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，接線方案如圖2所示。

圖2 隧道接線系統(tǒng)圖

2.3 負(fù)荷計算

根據(jù)表1負(fù)荷計算，隧道采用兩路10 kV電源供電。受隧道用地條件限制，該工程隧道與管理中心變電所距離較遠(yuǎn)，分別以管理中心變電所、隧道1#變電所作為受電電源點，隧道10 kV電源引自城市電網(wǎng)，兩路電源同時運(yùn)行，當(dāng)一路電源退出運(yùn)行時，另一路電源應(yīng)能承擔(dān)隧道100%負(fù)荷正常運(yùn)行，不能同時停電。

表1 變電所負(fù)荷計算表

該工程用電負(fù)荷按變電所的設(shè)置分為：（1）隧道風(fēng)機(jī)和照明用電；（2）泵站用電；（3）管理用房建筑照明和消防用電。

3 隧道智能配電系統(tǒng)架構(gòu)

近年來，隨著制造工藝的提高、信息技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合最新技術(shù)的新型智能配電系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化配電解決方案，結(jié)合控制技術(shù)、云計算和大數(shù)據(jù)分析與服務(wù)等，將配電系統(tǒng)中的智能設(shè)備互聯(lián)互通，從安全性、可靠性、穩(wěn)定性等方面，對配電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)、重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線、實時監(jiān)測以及設(shè)備健康狀態(tài)的預(yù)測，為配電系統(tǒng)合理調(diào)配及能源數(shù)據(jù)的科學(xué)分析提供智能輔助決策[3-4]，實現(xiàn)主動性高效維護(hù)，保障配電運(yùn)行更加安全、可靠，全方位地改善了傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)。

由于國家目前尚未頒布相關(guān)智能配電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范[4-5]，設(shè)計人員在具體工作中無行業(yè)依據(jù)，隧道項目智能化配置一般需要多個單體整體監(jiān)控，包括隧道、泵站、城市道路、管理站等，采用強(qiáng)弱電一體化或中低壓一體化方案，也可根據(jù)項目不同采用三遙或四遙監(jiān)控模式以及現(xiàn)場手動與遠(yuǎn)端遙控相結(jié)合方式，本文通過智能配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)的對比（見表2），并綜合考慮隧道實際運(yùn)維管理的需要，給出一種智能配電系統(tǒng)的架構(gòu)方案，如圖3所示。

圖3 隧道智能配電系統(tǒng)架構(gòu)方案

表2 智能配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)功能對比

通過智能配電系統(tǒng)的上述管理，全方位改善配電系統(tǒng)，可提高供電的可靠性、安全性以及高效性，實現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，提升隧道的運(yùn)營效率和設(shè)備使用效率，提高隧道運(yùn)營中的能源利用率。上述架構(gòu)可通過智能化的電力設(shè)備、集成化的控制系統(tǒng)與基于物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)和人工智能的有機(jī)結(jié)合實現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 智能配電系統(tǒng)三層架構(gòu)

4 智能配電系統(tǒng)在隧道中設(shè)計與應(yīng)用

4.1 智能配電系統(tǒng)設(shè)計拓?fù)?/h3>

通過調(diào)研目前主流智能配電系統(tǒng)領(lǐng)域產(chǎn)品線及其配套的軟件系統(tǒng)，本隧道工程智能配電系統(tǒng)設(shè)計方案采用了如圖5所示的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，項目配電室現(xiàn)場部署軟硬件一體的站控管理單元，便于現(xiàn)場實現(xiàn)配電站的主動運(yùn)維。

圖5 隧道智能配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4.2 主要硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)選型

電氣設(shè)備應(yīng)具有鹽霧不易腐蝕的性能，在沿海地區(qū)使用過程中保障設(shè)備運(yùn)行安全、可靠。同時，各類硬件可選配的功能十分豐富，設(shè)備選型以經(jīng)濟(jì)合理為基本原則，既要保證系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，又要避免配置過高造成浪費。隧道內(nèi)五座變電所無人值守，要求高、低壓設(shè)備互通互聯(lián)具有智能配電系統(tǒng)功能，并配有相應(yīng)數(shù)字化，監(jiān)控平臺及通信組件。隧道所應(yīng)用的配電系統(tǒng)，在常規(guī)情況下系統(tǒng)中低壓配電柜配置了眾多類型的儀表，主要用來動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時掌握系統(tǒng)的變化情況。高壓開關(guān)柜選用智能型金屬鎧裝中置移開式開關(guān)柜，具有卓越的抗內(nèi)部電弧能力；低壓開關(guān)柜選用智能型金屬封閉固定分隔式；變壓器選用節(jié)能型干式變壓器。

4.2.1 P remS et屏蔽式固體絕緣開關(guān)柜

4.2.1 P IX中置式金屬鎧裝柜

該工程選用的中壓Pix系列原廠柜采用空氣絕緣，防止隧道內(nèi)高濕度變化氣候環(huán)境中產(chǎn)生凝露帶來的危險，在斷路器室和電纜室內(nèi)分別裝設(shè)加熱器，同時還能防止腐蝕的發(fā)生。主動運(yùn)維智能單元PMBOX可就地顯示實時變電站設(shè)備信息，主動運(yùn)維智能單元APP手機(jī)能直接讀取NFC預(yù)存儲的信息，還可支持遠(yuǎn)程運(yùn)維操作，實現(xiàn)對關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測與診斷，大大減輕人力操作時間和運(yùn)維成本。

4.2.2 Bloks et智能低壓配電柜

該工程選用滿足高可靠性要求的低壓成套設(shè)備Blokset，適用于400 Hz以下，額定電壓690 V，絕緣電壓1 000 V，額定電流6 300 A及以下的電力供配電系統(tǒng)，符合IEC60439-1、IEC60529、IEC60947等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將具有高級保護(hù)和通信功能的元件集成到設(shè)備中，能夠?qū)崿F(xiàn)電能的精準(zhǔn)測量及開關(guān)狀態(tài)的輕松捕捉，系統(tǒng)具備高水準(zhǔn)的可靠性和安全性，并加強(qiáng)了對人身和設(shè)備安全的保護(hù)。高質(zhì)量、高可靠性的產(chǎn)品保證了供電的連續(xù)性和系統(tǒng)的耐用性。

4.2.3 數(shù)字化運(yùn)維管理平臺——千里眼

千里眼是基于云計算的開放平臺工具，將智能硬件中的信息進(jìn)行安全匯集和處理，對配電設(shè)備和場所進(jìn)行高效易用的資產(chǎn)管理、狀態(tài)監(jiān)測、運(yùn)維作業(yè)和數(shù)字服務(wù)，全面實現(xiàn)低壓柜的移動運(yùn)維功能。辦公室管理人員通過網(wǎng)頁P(yáng)C端，可以全面細(xì)致地進(jìn)行資產(chǎn)、派單管理和事件追蹤，同時還能實時數(shù)據(jù)單線圖看板?，F(xiàn)場運(yùn)維人員則可通過手機(jī)APP端接收工單任務(wù)，定位故障位置，通過掃碼訪問，快速查看資產(chǎn)數(shù)據(jù)，記錄拍照，處理留檔作業(yè)，實現(xiàn)移動運(yùn)維管理。

千里眼的資產(chǎn)管理，通過設(shè)備信息二維碼讀取，圖紙文檔云端儲存，信息流轉(zhuǎn)便捷高效，能提供詳細(xì)完整的臺賬信息，實時數(shù)據(jù)的顯示；千里眼的報警管理，通過在線監(jiān)測實時數(shù)據(jù)，分析歷史數(shù)據(jù)，對設(shè)備故障及時準(zhǔn)確報警，并可設(shè)置區(qū)分不同等級的報警，通過短信通知接收人第一時間獲取報警信息，通過報警屬性來管理、篩選和導(dǎo)出報警信息；千里眼的運(yùn)維管理，從連接設(shè)備到與“人”的互通，實現(xiàn)管人、管車、管站點。制定周期性、預(yù)防性維護(hù)計劃和提醒，自動或手工生成、派發(fā)臨時的維護(hù)任務(wù)工單，對歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)場照片、運(yùn)維日志、設(shè)計信息等進(jìn)行歸檔分析，執(zhí)行閉環(huán)管控；千里眼的工單管理，可將工單創(chuàng)建，工單執(zhí)行日期提前短信推送執(zhí)行人，并對工單、運(yùn)維日志、設(shè)備資產(chǎn)等報表報告定期分析，防患未然。

4.2.4 P ower S CADA Operation電力監(jiān)控系統(tǒng)

Power SCADA Operation集成了從設(shè)備層到配電網(wǎng)絡(luò)層的所有信息，通過優(yōu)化設(shè)備效率和自動化操作控制，并結(jié)合電網(wǎng)保護(hù)、電力參數(shù)儀表和監(jiān)控平臺，從而保證設(shè)備安全、可靠、高效的運(yùn)行。采用分層分布式結(jié)構(gòu)，分監(jiān)控管理層、通訊接口層、現(xiàn)場間隔層三層，保護(hù)、測控功能不受通訊網(wǎng)絡(luò)的影響，確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。將趨勢和報警相結(jié)合，快速識別和隔離故障，減少停機(jī)時間；當(dāng)報警等事件發(fā)生時，通過實時地捕獲需要監(jiān)控的關(guān)鍵信息并采取正確的決策，延長設(shè)備壽命和正常運(yùn)行時間，減少人工維修時間，極大提高配電系統(tǒng)的可用性。

4.3 系統(tǒng)功能概述

該工程智能配電系統(tǒng)在傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上和能源管理完美融合，通過數(shù)據(jù)通訊將現(xiàn)場設(shè)備層的綜合保護(hù)裝置、多功能電表、變壓器溫控器以及智能斷路器的有效信息自動地、實時地采集到電力監(jiān)控系統(tǒng)，可以提供多方位的實時狀態(tài)監(jiān)測，為隧道配電系統(tǒng)的運(yùn)行提供安全、可靠、高效的監(jiān)控解決方案。

通過可視化電力系統(tǒng)監(jiān)控界面，可以提供隧道10 kV變配電單線圖系統(tǒng)顯示、0.38 kV各個配電室配電單線圖系統(tǒng)顯示，并且支持動態(tài)著色功能，區(qū)分帶電和不帶電的設(shè)備，同時還可實時顯示現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各種測量值等。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者其他報警信號時，根據(jù)事件等級進(jìn)行嚴(yán)重程度判別，發(fā)出相應(yīng)報警信號，自動對報警信息進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，記錄故障類型，自診斷功能根據(jù)報錯信息確定故障部位，然后報警和閉鎖故障元件，保證其它部分正常工作，降低故障影響范圍。故障錄播功能還原故障前后的電流、電壓等參數(shù)變化情況以及開關(guān)的動作順序，有助于運(yùn)維人員判定事件發(fā)生的順序并進(jìn)行根本原因的分析，縮短事件響應(yīng)時間和提高安全性。

能耗管理系統(tǒng)精確記錄各項能源消耗，將采集的能耗數(shù)據(jù)通過數(shù)字化的儀表盤進(jìn)行分項對比，自動執(zhí)行同比、環(huán)比、變化趨勢、不同能耗介質(zhì)對比，統(tǒng)計能源消耗情況，并提供便于用戶觀察的圖形表現(xiàn)方式。系統(tǒng)將離散的能源信息通過有效的分級和組織，變成動態(tài)生動的數(shù)據(jù)，將能耗分?jǐn)偦虬簇?fù)荷類型進(jìn)行分類，反映各個用能設(shè)備的用能特點。系統(tǒng)投運(yùn)后獲得相當(dāng)數(shù)量的數(shù)據(jù)信息后，能夠統(tǒng)計分析不同的因素對能源使用狀況的影響，從而輔助運(yùn)維單位分析預(yù)測和優(yōu)化能源使用。靈活設(shè)置與電力公司相匹配的賬單結(jié)構(gòu)，通過賬單分析避免不正常的能源成本增長，還可預(yù)設(shè)多年的賬單結(jié)構(gòu)，將能源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可追蹤的碳排放。

電能質(zhì)量監(jiān)視與分析能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測分析，能夠?qū)Π惭b在配電網(wǎng)絡(luò)中任何地點的電氣信號進(jìn)行精確分析以識別任何電能質(zhì)量擾動數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析其對系統(tǒng)和相應(yīng)安裝地點設(shè)備產(chǎn)生的危害?，F(xiàn)場電能質(zhì)量監(jiān)測裝置同步的對所有的電壓電流信號進(jìn)行波形捕捉，捕捉到的波形存儲在裝置內(nèi)存中，并送達(dá)到操作員工作站中，便于操作員操作分析。

運(yùn)維管理系統(tǒng)主要用于向運(yùn)維人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)、資產(chǎn)管理提供決策依據(jù)。斷路器在配電系統(tǒng)中起著決定性作用，充分考慮產(chǎn)品工藝、材質(zhì)、設(shè)備運(yùn)行溫度、運(yùn)行時間、分合閘次數(shù)的相關(guān)信息，對斷路器絕緣性能、機(jī)械性能、電力性能的全方位監(jiān)控，通過建模分析，對斷路器進(jìn)行電氣老化、機(jī)械老化分析和綜合評估，并定期向運(yùn)維人員推送老化分析報告。維護(hù)計劃管理功能通過設(shè)備壽命設(shè)置預(yù)警閾值，提供維護(hù)計劃和工單管理，提供清晰準(zhǔn)確的工作日程，節(jié)省維護(hù)成本并提高電氣系統(tǒng)安全性。

5 結(jié) 語

為滿足新時代發(fā)展的需求，隧道在建設(shè)發(fā)展的過程中應(yīng)用了較多新型技術(shù)以及設(shè)備工藝。在此情況下研究智能配電系統(tǒng)在隧道中的應(yīng)用，確定其應(yīng)用方向以及要點，對進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率以及降低資源損耗具有重要意義。針對特長隧道智能配系統(tǒng)的設(shè)計與研究，符合隧道數(shù)字化、智慧化運(yùn)維管理需求，是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時代下的必然產(chǎn)物，系統(tǒng)建成后可向建設(shè)單位和運(yùn)維單位提供完整的智能配電系統(tǒng)解決方案。

首先，以傳感技術(shù)、無線通訊技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)打通了設(shè)備的“感官系統(tǒng)”，同時打造了從中壓到終端、母線到電源、能效到溫度的全I(xiàn)P架構(gòu)，實現(xiàn)了電氣設(shè)備的“全局感知”。其次，從關(guān)鍵電力到分散站點，將機(jī)器學(xué)習(xí)、智能算法、云技術(shù)與配電知識、行業(yè)經(jīng)驗、制造和服務(wù)能力等的IOT技術(shù)融合為智慧和行動，以數(shù)字化工具打破了傳統(tǒng)模式中建設(shè)投入與運(yùn)營投入之間的區(qū)隔。最后，無論是在配電現(xiàn)場，還是在遠(yuǎn)程后臺，資產(chǎn)隨時隨地盡在掌握，更貼合建設(shè)與運(yùn)維的日常工作軌跡以及設(shè)施管理的場景需求，提供高效、精確、專業(yè)地部署與運(yùn)營，打造了“精細(xì)化管理”的新高度，實現(xiàn)配電系統(tǒng)智能化管理新升級。

該工程投運(yùn)后，將持續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤反饋，加以完善，并嘗試推廣類似的其他的重要市政、公路工程配電系統(tǒng)應(yīng)用，持續(xù)不斷地進(jìn)行研究創(chuàng)新，更好地利用新型技術(shù)，從專業(yè)角度出發(fā)，做好技術(shù)應(yīng)用，為實現(xiàn)市政、公路工程的平安、高效、持續(xù)健康發(fā)展提供保障，以期產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。