上海潘廣路~逸仙路電力隧道綜合監控系統設計

袁冠文

摘要：結合潘廣路～逸仙路電力隧道的特點，分析電力隧道對智能化管理的需求。詳細介紹潘廣路～逸仙路電力隧道綜合監控系統的集成模式、系統構成、系統功能。

Abstract： Based on the characteristics of Panguang Road ～ Yixian Road Power Tunnel， the demand for intelligent management of power tunnels is analyzed. The integration mode， system structure and system function of the Panguang Road ～ Yixian Road power tunnel integrated monitoring system are introduced in detail.

關鍵詞：電力隧道;自動控制;綜合監控

Key words： power tunnel;automatic control;comprehensive monitoring

中圖分類號：U453.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0268-04

1? 概況

電力隧道是敷設電力電纜的專用通道。現代大、中城市電力架空線逐漸被埋地電纜取代，并有向更高電壓等級、更大傳輸容量發展的趨勢。電力隧道具有節約土地資源、利于大容量輸送、運行環境安全可控、提高通道資源利用率等優點，是大型城市電力、環境發展的趨勢和潮流。

潘廣路～逸仙路電力隧道是上海市區北部最重要的電力通道之一，提升寶山、楊浦、虹口三區輸電供電能力。上海北部電網供電的楊行分區是上海全網負荷最重的分區，規劃500kV虹楊變電站將有效解決周邊電網負荷增長的需要。潘廣路～逸仙路電力隧道是聯絡500kV楊行站-500kV虹楊站的電力關鍵通道，并肩負貫通上海西北-東南輸電脈絡，提升事故情況下負荷轉移和電力支援能力的責任。隧道全長14.36km，設15座工作井，1#井至10#井區間，隧道內徑DN3500，采用單管頂管掘進;10#井至15#井區間，隧道內徑DN5500，采用單管盾構掘進，并分隔為上下雙層。隧道內每350米為一個防火分區。

2? 電力隧道的管理模式

潘廣路隧道是特長隧道，必須利用自動控制手段實現對隧道及運行電纜的全面監控。電力隧道日常維護包括：巡視外界破壞和潛在危險源，隧道入口及投料口情況，電纜、接頭、護套、相色狀況，隧道內溫濕度、毒害氣體濃度，消防、通風、排水、動照等機電設施運行狀況。

為實現集約化、智能化、網絡化的建設要求，通過監控中心監控整條隧道的運行管理模式勢在必行。監控中心采集隧道各類信息，通過預案管理、預置程序，結合管理人員要求，進行自動或手動控制，建立集信息采集、傳輸、集成、計算分析、命令選擇等功能的一體化綜合監控系統。綜合隧道與500kV虹楊站土建及通道條件，潘廣路電力隧道控制中心設置在虹楊站一層。同時，上海電網電力隧道網絡建設已現雛形，本隧道相關信息需上傳至市北供電網絡管理中心，預留遠期線網級管理功能。

3? 主要設計原則

潘廣路電力隧道監控系統主要遵循以下設計原則：

①確保電力隧道安全、高效運行;確保巡視、維護人員人身安全;確保電力電纜載流能力。

②實現電力隧道統一監控，集約化管理，提高安防、防災、消災能力。

③采用綜合監控的模式，實現多功能綜合集成，各系統信息互通、資源共享，提高智能化管理水平，達到智慧控制的目的。

④選用的設備能夠適應電力隧道內環境，采用先進且成熟的技術和產品，具有高可靠性和穩定性。

⑤系統應具備開放性、可擴展性、易操作性的特點。

4? 功能需求分析

電力隧道綜合監控系統實現對全隧道的監控、調度和指揮，主要功能包括對電纜的運行狀況監控管理，對環境和機電設備的監控，對特殊事件的預警和應急事件處理等三個層次：

首先，系統應能完成對主要電力電纜的負載水平、總體絕緣狀況、電纜固有缺陷以及其他表征電纜狀態信息的監視。通過計算機技術綜合分析電纜的運行狀況。

其次，監視和控制隧道內各類環境信息（包括溫濕度、毒害氣體成份等）以及各類機電系統設備工作狀態，提供良好的隧道環境，提高相應控制與調整的有效性。

第三，綜合監控系統對入侵、災害、電纜損傷及電網事故等事件進行準確、盡早的預警、報警。當事件發生時，及時有效地下發控制指令和聯動處理。降低事故發生概率、減少事故造成影響，保證供電系統安全。

隧道監控系統不僅僅對以上功能簡單疊加，而需進行系統整體的有機集成，在信息共享的基礎上實現一體化綜合監控。

5? 綜合監控系統總體架構

潘廣路～逸仙路電力隧道綜合監控系統包括以下幾個分系統：

①中央控制系統;

②通信系統;

③火災報警系統;

④設備監控系統;

⑤安防系統;

⑥電纜監測系統。

系統總體構成如圖1所示。

綜合監控系統為多系統集成的綜合監控平臺，采用分層分布式體系結構，第一層采用以太網、服務器和工作站組成中央信息層，實現中央級監控功能，并預留通信接口與上級管理中心聯網;第二層為數據傳輸層，采用工業級光纖以太網構成數據傳輸層，為監控、音頻、視頻業務提供傳輸平臺。各系統均通過安全網關接入傳輸交換機，實現各業務系統間的安全隔離。同時，傳輸交換機對不同系統劃分不同VLAN，保證各業務系統間的通訊隔離。

數據傳輸網絡分兩級設置，第一級為工業級千兆主干通信網絡，由設置在控制中心、各工作井設備室的千兆以太網交換機互聯構成環網。千兆交換機、網絡安全設備和傳輸光纜均采用冗余設置。第二級為現場控制網絡，采用工業級百兆以太環網。圍繞各工作井為單元，各工作井左、右側隧道內設置多臺工業級百兆以太網交換機，交換機間通過光纖互聯構成現場百兆以太環網，并在工作井接入千兆主干網絡通信節點。第三層為現場設備層。負責就地級數據采集和監控。

在控制方式上可分為三級，即中央控制級、區域（工作井）自動控制和就地人工控制。各分系統通過中央信息層實現數據共享和聯動。

6? 各系統構成及具體功能

6.1 中央控制系統

中央控制系統是隧道智能管理的核心，是集數據管理、協調控制、通信傳輸、圖文顯示為一體的綜合信息應用系統，在各種情況下準確、可靠、迅捷的做出反應，輔助管理人員決策，協調聯動各弱電分系統間，達到合理有效監控的目的。同時，中央控制系統提供各分系統間信息交流和共享，為隧道智能管理提供軟硬件后臺支持，并對外通信提供服務平臺。

中央控制系統由數據庫服務器、I/O服務器、Web服務器、千兆以太網交換機、數據庫軟件、圖控軟件、防病毒軟件、操作員站、工程師站、打印機等設備組成。

數據服務安裝Wonderware的實時數據庫InSQL，從I/O服務器、操作員站、工程師站獲取數據，保存的數據包括現場設備的狀態信息（包括電纜及機電設備的運行狀態、隧道安防狀態）、環境的實時數據（溫濕度、毒害氣體濃度）、各類報警信息、操作人員登錄信息、操作記錄、時間處理記錄等以及存儲各監控系統信息。數據庫服務器為操作人員提供數據源，操作人員可以在操作員站或者工程師站上通過數據庫服務器客戶端查詢數據報表、趨勢曲線等信息。

I/O服務器安裝Wonderware的DAServer，是上位計算機系統和其他設備交互數據的接口服務器。和I/O服務器連接的設備有設備監控系統、FAS系統、大屏切換系統、通信系統、電纜檢測系統。中央控制系統通過I/O服務器獲得隧道中的各種信息，指揮和協調數據的流向，存入數據庫中。

Web服務器安裝Wonderware的InformationServer，將操作員站的操作界面以門戶網站的形式展示出來，方便國網管理人員以瀏覽器登錄的方式查看，Web服務器可以接入辦公網絡提供相應的區域內登錄查看。

中央控制系統采用成熟的圖控組態軟件包，采用模塊化程序結構設計，各功能模塊相對獨立并能互相協調工作，并具備擴展及升級的能力。

6.2 設備監控系統

設備監控系統監控電力隧道機電設備的正常運行，維持隧道內良好的工作環境，按照管理的要求實施自動控制，聯動各機電設備，實現智能化運行。隧道內的監控對象包括各類風機、風閥、照明、水泵、蝶閥、氧氣濃度、溫度、濕度、毒害氣體濃度、電源等。

本系統由中心控制器RTU、區域控制器ACU、以太網交換機、光/電纜等設備組成。區域控制器包含冗余PLC、I/O模塊、總線通信模塊、串口/以太網轉換器和中間繼電器等設備。遠端模塊按照數據就近采集的原則設置。區域控制器設置在各工作井內，當與控制中心聯絡中斷時，各工作井區域控制器可完成管轄范圍內的聯動控制。各區域控制器均帶有液晶顯示屏，提供各工作井現場操作管理。

設備監控系統架構如圖2所示。

設備監控系統在隧道內每個防火分區設置遠端模塊，采集各類傳感器信息，實時獲取電力隧道內的溫濕度狀態、氧氣濃度以及毒害氣體濃度數據，與環控系統實施聯動，實現智能調節環境的功能。

輸電電纜故障首先會產生大量熱能，本系統與光纖光柵溫度監測系統實時通訊，實施聯動。當某段隧道內溫度高于規定值時，工作井控制器開啟對應區間兩端的送風機、排風機及風閥，執行通風工況，降低電纜隧道內的溫度，保障電纜輸電效率，減少電纜損耗，達到長期正常工作的目的。

本系統與FAS聯動，當隧道內發生火災時，系統根據預設程序投入緊急運行模式，根據火災工況、疏散工況關閉以及開啟相應區間環控設備。

6.3 火災報警系統

火災報警系統（FAS）主要應對消防需求，通過降低火災發生的概率，減少火災造成的影響，達到控制火災等災害發生風險的目的。系統具有自動報警、手動報警、自動控制、手動控制、設備監視、消防聯動控制、信息存儲及打印等功能。

本系統在虹楊站隧道控制中心設置火災報警主控制器，在14號井、12號井、10號井、8號井、6號井、4號井、2號井設置火災報警區域控制器，管轄相鄰區間的消防設備。光纖光柵信號處理器設置在控制中心以及12號井、8號井、4號井，與相應FAS區域控制器通信。火災自動報警系統單獨組建光纖自愈環網。火災報警主控制器與區域控制器之間采用環網方式連接。

本系統在隧道內設置光纖光柵感溫探測器，探測方式為逐點式，實時監測電纜隧道內環境溫度情況。隧道內光柵光纖探測器在定溫報警的同時，設置差溫報警，當單位溫升過快時給出預警信號。在每項電纜接頭處設置點式感煙探測器，應對電纜接頭爆燃事故。當隧道內發生火災時，FAS聯動關閉相關通風設備，聯動關閉防火門隔斷火災區域，輸出火警信息由中央控制系統統一實施火災工況，包括：引導疏散，交替聲光報警及廣播，啟動對應區間消防水閥，釋放相關區域門禁等。

FAS系統在虹楊站隧道控制中心監視全線消防設備的運行狀態，建立數據庫并進行檔案管理、定期輸出等各類數據、報告，進行火災信息的處理與傳送。災害時，監控大屏自動彈出相應火災報警區域的火災點位置平面圖，火災報警具有最高優先級。

6.4 通信系統

通信系統包括固定電話系統和廣播系統。

固定電話系統服務于隧道對內、對外的電話聯系，尤其是隧道現場的告警、搶險救災及特殊情況下的通信聯絡。系統與CCTV系統聯動，實現重點區域緊急電話使用時的視頻切換。目前尚未有支持15公里以上距離并通過CCCF認證的消防通信產品。故由固定電話系統兼顧消防通信職能。

廣播系統服務于隧道內工作維護聯系、告警、疏散。火災時，與FAS系統聯動，自動對相關區域進行消防疏散廣播。

通信系統采用一體化IP電話和廣播設備，通過光纖傳遞通信業務。系統在虹楊站隧道控制中心設置IP話務臺和廣播呼叫臺。在控制中心機房設置光纖接入、電話交換和廣播控制設備。隧道內每條區間為一個廣播音區，隧道內每350米為一個防火分區，各防火分區以及工作井內設置IP電話機、廣播音區控制器和功放，區間隧道內均勻配置揚聲器，每只揚聲器負責25米的廣播距離。隧道內話機采用一體化結構，抗噪能力強，針對潮濕、雜散電流腐蝕的等環境設計。

6.5 安防系統

安防系統由CCTV系統、門禁系統、入侵報警系統、井蓋監控系統組成。

6.5.1 CCTV系統

CCTV系統對隧道區間、各工作井出入口進行監視，供管理人員及時、清楚地了解現場情況。本系統在隧道內重點區域（一般為電纜接頭處）、工作井、各出入口設置高清攝像機。隧道內攝像機采用固定式槍基，帶紅外燈。平常監控為黑白圖像，圖像變動時切換為彩色模式。

CCTV系統單獨設置傳輸光纖，系統采用EPON網絡傳輸方式，配置EPON光發送/接收機，通過光纖傳輸圖像。光接收機OLT、綜合顯示大屏、磁盤陣列設在虹楊站隧道控制中心。系統通過綜合監控平臺與相關系統實施聯動，當事件發生時在監控大屏自動切換出相關畫面，便于管理人員及時了解現場情況。

6.5.2 門禁系統

門禁系統接受授權管理信息，管理各工作井出入口及主要設備用房出入口門禁設備的運行狀況、記錄進出信息，顯示非法進入、故障告警信息。并能滿足網絡授權、監控、數據庫管理、維修管理及查詢等功能。

門禁系統采用集中管理分散控制模式，設控制中心和工作井二層網絡架構。在虹楊站隧道控制中心設置門禁主控制器，在各工作井內設置就地控制器。就地控制器利用綜合監控系統提供的傳輸通道，將數據傳輸至控制中心門禁主控制器。門禁主控制器集成入中央控制系統。

6.5.3 入侵報警系統

入侵報警系統利用紅外紫外雙鑒探測技術對外界入侵進行探測及報警。系統對入侵的事件來源和發生的時間給出指示并存檔;并與CCTV系統相聯動。

各工作井出入口和井下設備間設置入侵報警撤、布防點。入侵報警系統在各工作井設置控制器，在主要出入口、投料口、通風口等位置設置被動式探測器。各工作井控制器通過總線接入各工作井設備監控ACU。

6.5.4 井蓋監控系統

電力隧道鑄鐵井蓋丟失情況時有發生，井蓋監控系統對井蓋開啟、關閉、故障、失盜情況做全時記錄，并有效防止未經許可人員進入隧道。具備控制中心遠程開啟、井下應急開啟等功能;能按時間、地點、人員設置多種組合的權限。

井蓋監控系統利用綜合監控系統提供的傳輸通道，在隧道控制中心設置井蓋監控主機、在各工作井設置井蓋監控分，在各工作井投料口設置的一體式電子井蓋。

6.6 電纜監測系統

電纜監測系統主要包括電纜測溫系統、局放監測系統和接地環流監測系統。

6.6.1 電纜測溫系統

電纜載流量是電纜運行中受環境條件和負荷影響的重要動態運行參數，涉及輸電線路的安全可靠、經濟合理的運行以及電纜壽命，電纜運行中的導體溫度是衡量電纜是否達到其輸送容量限制的主要依據。

本系統在每相電纜上采用接觸式敷設分布式測溫光纖，電纜接頭處采用盤繞法進行安裝，電纜接頭處測溫光纖的盤繞長度均大于3米。光纖信號處理器設置在各工作井，利用綜合監系統提供的傳輸通道接入控制中心電纜測溫主機。

電纜測溫系統通過連續實時溫度監測，結合電纜原始數據和歷史運行數據，通過專家系統進行分析和判斷，能夠掌握電纜的實時傳輸能力和傳輸余度。在此基礎上結合電網整體負荷波動規律，可以實現電纜輸電能力的趨勢預測和電網電能輸送的適應性分析。通過實時了解各關鍵傳輸通道上的傳輸余度，能夠準確判斷傳輸瓶頸出現幾率和相應邊界條件等情況，最大限度發揮電纜的輸電能力，有效控制電網能量傳輸。為電網異常情況下及時有效的負荷轉移提供決策依據。

6.6.2 局放監測系統

電力電纜在長期運行過程中，受潮、熱等環境影響，受過電壓、機械力損傷以及產品質量缺陷不斷放大等因素的影響，其絕緣水平逐年下降。在電場、磁場和本身發熱的長期作用下，絕緣層的物理性能發生變化，會引起絕緣擊穿故障，造成線路停電或設備損壞等事故。

局放監測系統對電纜進行絕緣水平實時監測。系統在控制中心設置監測主機，隧道內每1回電纜設置1套局部放電分析系統，每個系統設置1個監測點，包含3個鉗形高頻電流傳感器、1個同步傳感器、1套局部放電在線分析儀，以及相關的濾波器、連接電纜、通訊電纜。局放監測分析主機對接收到的監測數據進行分析處理，利用故障診斷專家庫，對局放信號和其它電力系統參數間的關聯性進行分析，評估電纜缺陷狀態。發現潛在危害的缺陷時，系統可調用特定程序進行局放定位。

6.6.3 接地環流監測系統

護層電流的監測是電纜檢測常用的重要技術手段。正常情況下，電纜護層對地只有感應電壓。當電纜護層損壞或接地系統破壞時，電纜護層上壓降變成懸浮電壓，接地點會出現長期放電。本系統在電纜接頭處設置電流互感器，采集電纜金屬護層接地點的電流參數，當接地電流異常時發出警報。系統具備4+1報警管理功能，即正常、提示、預警、報警與故障等級，同時報警等級根據需要進行關閉與打開;在傳感器報警時，監控后臺優先處理該傳感器數據及相關聯傳感器數據。

本工程局放監測系統、接地環流監測系統通過光纖環網與控制中心電纜監測主機進行連接。

6.7 系統供電

隧道綜合監控系統按一級負荷供電，虹楊變電站隧道控制中心以及各工作井由動力專業提供兩路獨立的消防電源，本專業完成末端自切。為保證電源的質量和不間斷性，每處供電點設置一臺長延時不間斷電源（UPS），保證緊急情況下系統連續供電95%負荷不少于3小時。

7? 結語

電力隧道綜合監控系統為管理人員提供了一套智能、可靠的監控管理平臺，并為多隧道線網控制中心的建設、實現網絡化管理創造了有利條件。隨著實踐中不斷的總結和完善，綜合監控系統將為電力管理者提供更好的服務。

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