基于大數據的配電網智能管廊體系設計

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測和監控設備，并基于多源數據協同的集中監控和管理平臺，實現對管廊及廊內設備臺帳數據的存儲及實時更新、廊內設備的狀態實時監測、環境的實時監控、異動的實時告警以及故障快速定位的智能化、可視化、自動化、互動化等。

隨著城鎮化的不斷推進，配電網線路中，電纜所占的比重越來越大，尤其是中心城區。電纜埋在地下，由于長期以來，配電網重視程度不夠，配電網電纜的管理遠不及主網電纜的管理規范，運維管控難度更大。隨著時間的推移，電纜管廊中運行的電纜不斷增多，電纜本體及中間接頭的絕緣老化，電纜管廊中的設備運行安全風險升高[1]，因此，為了保障配電網管廊中設備的安全運行，本文構建一套功能完善有效的體系，實現配電網管廊及其內部設備狀態的實時可觀、可測、可控，以便提前化解風險，提高供電安全及可靠性。

1 配電網智能管廊體系總體構架

1.1 系統構成

智能管廊體系構成如圖1所示分為終端層、通信層和應用層。

（1）終端層

主要包括各類傳感器及視頻監控，實時監測各類數據并通過通信層傳輸。電纜附件狀態檢測，包括溫度、局放及電纜護套的環流的實時監測。管廊通道內部的實時監控，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時顯示。管廊位置的快速定位，包括管廊工井定位、工井的三維數據、工井之間的距離、管廊路徑、管廊深度等數據。管廊異常時實時報警，井蓋異常開啟或管廊被外力挖掘時，實時報警。

（2）通信層

通信層采用電力專網或公網通信方式，建立數據流管控，基于分散信息系統的業務數據進行再集中、再統一管理，實現交互流程數據存儲和更新，對采集量測數據和關聯數據進行有效利用分析，為系統各項應用功能提供支撐。

（3）應用層

包括設備在線監控、異常告警、移動終端應用、大屏展示、統計等[2]。

1.2 系統功能

（1）實現對電纜附件狀態的實時監測

實時監測管廊工井內電纜及附件的溫度，一旦電纜表面溫度高于設定警戒值，即發送告警信息。實時監測電纜附件局部放電的大小、數量及相位，一旦電纜附件局部放電的大小、數量超過警戒值，即發送告警信息，實現電力電纜的絕緣狀態的實時監測。實時監測電纜金屬護層接地環流，保障電纜的安全運行。電纜發生故障時，通過多種異常數據的綜合研判，及時顯示故障信息及故障點位置。

（2）實現對管廊通道的實時監控

在線顯示管廊通道中當前電纜的數量、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，以及工井內是否有電纜中間頭等。

（3）實現對管廊環境的實時監測

實時監測管廊內部溫度、有害氣體、水位等信息。

（4）實現對管廊的快速定位

現場安裝無源定位裝置及工井安健環，每個工井擁有唯一的命名及編號，通過移動終端，可在現場快速找到工井；線上記錄每個工井的定位信息，根據定位信息，實現工井快速精準定位。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，實現管廊資產快速查詢，管廊附近施工時，快速交底，精準避讓。

（5）實現對管廊及電纜異動的實時告警

發生井蓋被異常開啟、管廊及電纜受到外力碾壓或被挖掘時，實時告警，并精準定位異動點，避免電纜外力破壞事故的發生。

（6）實現管廊內電纜的快速識別

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

（7）實現管廊的智能運維

利用電網地理信息（GIS）、視頻信息、告警信息等發現管廊及其內部電纜存在的故障及異常，實時研判故障、準確定位，并根據狀態監測評價結果和綜合數據分析，結合管廊內運維矩陣，確定管廊年度運維等級及其運維策略的過程，合理調度運行及搶修資源，提高運維效率。

圖1 體系結構

2 監控主站

智能管廊監控主站系統是基于云服務、物聯網、BIM/GIS及大數據技術，針對管廊智能化運維建設的系統平臺，包括基礎數據管理系統、實時監控系統、異動管理系統、通訊管理系統、應急管理系統、日常管理系統、臺帳管理系統、大數據智能分析決策系統各子系統，每個子系統又包括多個專業的管理模塊。系統各個子系統之間、各子系統功能模塊之間，基于統一數據庫實現，滿足數據共享要求，同時系統各部分與管廊內硬件設備具備聯動控制功能。主站結構如圖2所示。

圖2 主站結構

2.1 主站結構體系

智能管廊主站是智能管廊監控系統的核心部分，主要實現管廊及廊內設備臺帳存儲、查詢、更新及廊內環境、異動、設備狀態信等息的采集和監控等基本功能，以及管廊智能運維等應用擴展功能。

（1）監控主站要滿足可觀、可控、可測、可追溯的要求。

（2）將現場監控、監測、采集的數據上傳并同步到后臺數據庫，通過集成一體化系統提供的接口，輸送到監控主站，實現地下資源的可視化、精益化管理。

（3）通過整合電纜設備臺賬信息、管廊及工井的地理空間位置信息、管廊資源使用信息、管廊環境信息、電纜及其附件運行狀態信息，實現電纜路徑明晰、通道資源可視、故障實時定位、運行狀態可知和運行安全可控。

（4）采用統一的系統管理應用，實現參數配置管理、權限管理、日志管理、數據管理和接口標準管理等管理維護，提升系統的可用性和易用性，降低系統維護的復雜度。

（5）硬件應采用標準化的通用設備，具有良好的開放性和可替代性，符合安全性、可靠性和可擴展性原則。

2.2 PC端

（1）應具備管廊及電纜在線監測數據瀏覽功能，包括：綜合環境監測、異動狀態監測、設備狀態監測、管廊資源利用信息等在線監測數據的瀏覽功能。

（2）應具備監測數據統計分析功能，包括：為實現在線監測數據綜合分析功能、設備實時狀態分析評估功能提供數據，實現監測數據完整性、一致性、采集及時性的統計分析功能。

（3）應具備綜合展示管廊及電纜當前設備狀態、告警信息功能。

（4）應具備通過在線監測模塊采集環境、異動、設備狀態、管廊資源利用信息等數據。

（5）提供事故追憶功能，功能主要記錄事故前后的狀態監測數據及相關數據變化趨勢，為事后故障分析、事故分析提供相關信息支持。

（6）選用的服務器，應能支持異構網絡的互聯，支持雙網或多網運行，支持標準商用數據庫。

（7）硬件設備的配置容量應能滿足整個系統的功能要求和性能指標要求，并留有適當的裕度，各服務器和工作站的CPU應留有40%的系統資源。

（8）系統采用開放分布式體系結構，系統功能分布配置，主要設備采用冗余配置。硬件設備主要包括數據服務器、應用服務器、采集服務器、網絡設備等。

（9）平臺具備彈性擴展能力。平臺計算、存儲、網絡資源等可彈性擴展，平臺應具備統一的系統管理，具備標準化的接口，能夠實現與其它系統平滑互聯互通。

2.3 移動終端

（1）根據供現場運維需要，將電纜通道、電纜本體以及附屬設備設施數據圖層（電纜、通道、附件、工井、中間頭、環網柜、接線箱等）、電子地圖、影像圖在移動巡檢平臺上顯示。

（2）應具備設備臺帳查詢檢索、管廊及內部電纜的GIS可視化展示、管廊及電纜位置、狀態、運行信息的現場查詢等功能。

（3）管廊或管廊內部設備出現異常時，系統可以將數據派發到附近巡視人員或提醒設備主人。

（4）應具備自動定位功能，可通過設備坐標自動定位設備所在位置或與現場設備自動匹配。

（5）應具備導航及軌跡記憶功能，通過巡檢軌跡分析巡檢人員工作效率和工作質量，優化巡檢工作。

3 終端數據采集系統

3.1 電纜及其附件狀態數據采集

利用溫度、局放等傳感器及電流互感器，實時監測電纜的溫度及電纜護套的環流、電纜附件的溫度及局放，并將監測的數據通過專網實時傳輸至主站系統。利用智能監測終端，實時采集相間短路故障、單相接地故障等數據[3-4]。

（1）堅持以資源節約型和環境友好型的原則，同時應考慮降低投資成本和提高運行經濟性。

（2）應對噪聲、工頻電場和磁場、高頻電磁波、通信干擾等方面采取必要的防治措施，并滿足國家相關標準的要求。

（3）推廣采用高可靠性、小型化和節能型設備。

（4）優先選用無源或低功耗的產品。

（5）產品設計壽命不小于15年。

（6）長時耐受溫度不低于105℃，短時（24 h）耐受溫度不低于155℃。

（7）設備需具備自檢功能，并可將自檢信號上傳至監控終端功能。

（8）能支持帶電安裝。

3.2 管廊環境數據采集

利用視頻監控及傳感器，實時采集管廊環境數據，包括有毒氣體、溫度、水位、廊內垃圾等。

管廊環境包括管廊內設備運行空間環境，同時應包含管廊外部地面通道環境。

根據管廊智能化的實際需求，配置各類傳感器對電纜運行空間的環境信息進行實時監測，采集的環境信息集中在站端處理單元上進行數據分析和處理[5-6]。

（1）需要實現場所或空間區域的綜合環境參量（溫度、水位、氣體等）監測，其場所空間具有增設傳感器的位置，增設傳感器以不影響供電安全運行、不造成設備停運為原則。

（2）新建與改造管廊，工井應考慮進行智能化準入管理。

（3）已建供電場所安裝的消防煙霧探測器若為數字化探頭，應具備信號外接端子，可實現信息外送，若探頭為非數字化探頭，可加裝煙霧探頭。新建與改造應考慮煙霧探測數字化安裝需求[7-8]。

（4）為避免終端設備增加維護工作量，優先選用無源傳感器。

（5）傳感器壽命應不小于15年。

（6）設備需具備自檢功能，并可將自檢信號上傳至監控終端功能。

（7）選用設備的噪聲標準，應根據《工業企業廠界噪聲標準》和《城市區域環境噪聲標準》，低于如表1所示水平。

表1 噪聲標準dB

3.3 管廊資源使用信息采集

利用視頻監控及電子標簽，實時采集管廊通道的利用情況，每個通道放置的電纜的名稱等數據。

（1）視頻監控設備宜采用網絡攝像機，包括智能網絡高速球、網絡固定攝像機等。

（2）編碼模式應支持雙碼流編碼模式，即實時流（主碼流）和輔碼流。

（3）網絡攝像機應能識別電房內物體和人員活動情況，及電柜開關按鈕狀態、銘牌、指針。

（4）網絡攝像機應支持紅外補光。

（5）設備需具備自檢功能，并可將自檢信號上傳至監控終端功能。

（6）電子標簽優先選用無源設備，具有一定的信息存儲功能。

（7）電子標簽應具備抗強磁場干擾能力，材料應耐腐蝕、耐老化。

（8）電子標簽應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）堅持以資源節約型和環境友好型的原則，同時應考慮降低投資成本和提高運行經濟性。

（2）應對噪聲、工頻電場和磁場、高頻電磁波、通信干擾等方面采取必要的防治措施，并滿足國家相關標準的要求。

（3）推廣采用高可靠性、小型化和節能型設備。

（4）設備需具備自檢功能，并可將自檢信號上傳至監控終端。

（5）工井的電子標簽優先選用無源或損耗低設備，具有一定的信息存儲功能。

（6）工井的電子標簽應具有較好的機械強度，能夠承受車輛的碾壓，具備抗強磁場干擾能力，材料應耐腐蝕、耐老化。

（7）工井的電子標簽應具備一定的通信能力[9-10]。

3.5 管廊異常數據采集

利用壓力、振動等傳感器，實時獲取管廊及電纜異動信息，自動獲取異動點位置，并將移動信息實時發送給主站[11]。

（1）堅持以資源節約型和環境友好型的原則，同時應考慮降低投資成本和提高運行經濟性。

（2）應對噪聲、工頻電場和磁場、高頻電磁波、通信干擾等方面采取必要的防治措施，并滿足國家相關標準的要求。

（3）推廣采用高可靠性、小型化和節能型設備。

（4）優先選用無源或損耗低的產品。

（5）設備需具備自檢功能，并可將自檢信號上傳至監控終端功能。

（6）傳感設備應具有較好機械強度，能夠承受一般的外界破壞。

4 通信系統

通訊管理系統用于實現管廊內部及管廊內部與外部的通訊服務，用于管廊運維的正常業務通訊及應急狀態下信息傳遞。

（1）主站通信網絡應采用雙向100/1 000 M光/電接口接入。

（2）智能管廊內環境監控、設備狀態監測、異動監控數據通過管廊智能監控終端匯總處理后上傳至主站，每套智能監控終端只提供一個IP地址，上行鏈路帶寬不少于10 M。

（3）主站與管廊智能監控終端之間的網絡通信應采用VLAN與其他業務隔離[12-13]。

5 結束語

本文主要研究解決當前配電網電纜管廊運維難點的智能管廊體系，基于實時大數據分析，設計了配電網智能管廊體系的總體結構，并詳細闡述了該體系的主要功能，根據體系的結構設計，著重分析了體系的PC端、數據采集系統以及通信系統的構成及建設標準，可有效指導配電網智能管廊建設。