500kV電纜隧道中5G通信系統的研究與應用

國網北京通州供電公司 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重要負荷集中，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電網的首選。換言之，提高電纜網的安全性也是提升城市核心區電網安全性的重中之重。

提升電網高可靠性的一個重要方面是提高系統網架的可靠性，即從系統規劃層面提供多方向電源，保證電網在N-1、N-2情況仍可靠運行，但受限于城市空間規劃和電網整體經濟性，一味新建電網網架、提升電網冗余度顯然不現實也不合理。另一面就是提升現有電網的運維水平，比如通過增添一些新的監控手段或措施，提高電網對安全隱患、故障的排除，從而提高電網安全可靠性。

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

分布式是送電網監控系統與變電站設備的監控的最大不同，也是送電網系統的天然屬性，針對其分布式，通信系統和供電系統是送電網監控系統的核心和難點。而隨著通信技術的發展，5G 通信作為新一代通信系統，具有通信可靠性高、低延時等優點，完美的匹配高壓電纜隧道監控系統（如視頻監控等）傳輸數據量大、實時性要求高的特點，成為高壓電纜隧道通信系統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，如何經濟合理布置5G 通信設備也是一個待解決的問題。從目前查閱的資料，5G 通信已大量應用于地鐵、廣電物聯網等場景，但在電纜隧道中的應用案例鮮有報道。

本文以北京某500kV 電纜的5G 通信升級改造工程實例為基礎，深入分析研究其監控系統，結合監測系統和5G 通信特點，重點論述了500kV 電纜隧道中5G 通信系統的研究與應用，為相關類似工程提供的借鑒和參考。

1 工程概況及在線監控系統

1.1 工程概況

北京某500kV 送電工程是國內第二條500kV電壓等級電纜送電線路，同時也是首條采用了國產電纜及附件的工程，開創了超高壓電纜系統國產化的先河。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，電纜路徑長約6.7km，其中約5km 盾構、1.7km 暗挖隧道。為了更好地保障隧道內電纜運行安全，提高電纜及隧道運維的智能化水平，該電纜工程加裝了大量的電纜本體及隧道環境的監測設備，經過近7年的使用，其良好的運行性能也驗證了其監控設備的合理性和優越性。

隧道橫斷面設通行人行步道，內側墻壁固定超高壓電纜，全程鋪設耐火槽盒，可用于通信光纜、電源線的布放，另一側安裝有巡檢機器人滑道。隧道內部整體陰冷，環境濕度約70%以上。本次針對巡檢機器人視頻回傳、巡檢人員音頻視頻實時交互等大數據量傳輸需求，增加5G 通信功能。另外基于現場環境評估，還應盡量減少隧道內有源設備的使用，減輕后期設備管理、維護的壓力。

500kV 電力隧道包含通風、照明、排水、光纖測溫、井蓋監控等常規附屬設施，同時為提升電纜及隧道監測的智能化水平，需增加對電力隧道內運行環境多狀態及高壓電纜本體的綜合監測，并建設全程巡視的電力隧道智能巡檢機器人巡視系統，以便實現500kV 電力隧道固定、離散在線監控系統與動態、連續式監控，實現真正意義的自動巡視和狀態檢修，確保電纜線路及電纜通道安全可靠運行。

按監測對象來分，目前常用的監控設備可分為電力電纜本體和電纜環境監控兩類。

1.2 電纜本體監測

電纜本體監測主要包括分布式光纖測溫、接頭紅外矩陣式在線測溫、護層接地電流在線監測和局部放電在線監測系統等。為加強對電纜的運行監控、測定電纜的負荷變化，同時對隧道內溫度實現全線監測，為新建500kV 電纜配置一套光纖在線測溫系統、為新建電力隧道配置一套光纖在線測溫系統。溫度監測主機安裝在變電站內，光纖在線測溫系統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的電力隧道內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，隧道測溫光纖沿隧道頂端敷設全線。

電纜接頭紅外矩陣式在線測溫、電纜護層接地電流在線監測、局部放電在線監測系統，均基于集中監控指揮中心綜合數據智能監測管理平臺為基礎和核心由已建含多狀態綜合監控主機等軟硬件設備的變電站內井蓋綜合監控屏匯集設備、已建電力隧道內數字編址總線式載波通信網絡、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、局放數據采集器、高頻脈沖電流傳感器、工頻信號同步傳感器及其他相關設備組成，通訊傳輸采用TCP/IP 綜合數據網絡+數字編址式載波通信網絡+現場總線網絡相結合一體網絡通訊系統，以達到遠程集中監測、集中顯示報警、集中聯動控制和集中管理的目標。

圖1 電纜局部放電在線監測系統設備連接圖

1.3 電纜環境監測

電纜環境監測同時包含隧道環境（溫度、有害氣體、水位等）、安防系統（井蓋監控、進出口門禁、視頻監控等）以及巡檢機器人系統。其中，隧道環境、安防系統能有效監測電纜環境，保障設備和運維人員安全，是提升電纜運行環境安全的有力保障。與電纜本體監測一樣，其傳輸數據量不算大，可以很方便的通過電力載波等方式實現。即通過TCP/IP 綜合數據網絡+數字編址式載波通信網絡+現場總線網絡相結合一體網絡通訊系統，以達到遠程集中監測、集中顯示報警、集中聯動控制和集中管理的目標。

隧道智能巡檢機器人是電纜隧道巡檢的重要組成部分，巡檢機器人自帶的監測設備能夠實時實現視頻、紅外等一系列數據的采集，并能隨著導軌運行至相應區域進行定點監測。由于要實時將所采集的視頻、監測數據等信息上傳至上位機平臺，所以巡檢機器所需的通信傳輸量相對較大，需采用光纖傳輸的方式實現大數據量實時上傳，即采用有線與無線相結合的視頻及控制數據的傳輸。

智能巡檢機器人和中心管理平臺通過以太網進行通信，從數據接入點到智能巡檢機器人之間的高速數據傳輸利用MESH 無線網絡方式，無線傳輸采用800M～2.4G 可調頻率的MESH 無線設備，切換時間少于100毫秒，每隔150米設置一個無線基站，接入光纖通信傳輸網絡。智能巡檢機器人所有的控制信號、視頻數據、音頻數據、現場傳感器采集數據及報警信息等均通過無線MESH 無線網絡傳輸。但由于數據量巨大且實時性要求高，實際運行中，由于數據量傳輸巨大、會有圖像信息卡頓現象發生。

2 5G 通信系統

5G 通信以其優良的大數據量和實時性，在智慧醫療、企業虛擬專網、智能電網、交通、智慧教育、智慧港口、超高清制播等七大重點領域得到了快速推廣。同時也為本工程中巡檢機器人和定點監控中的視頻上傳提供無線解決思路。

建設范圍。本次電纜隧道5G 建設試驗段位于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 建設涉及1套智能巡檢機器人、2套接頭紅外矩陣式測溫、2套局部放電等3類在線監測裝置。在示范隧道通風機房內新建傳輸設備與BBU，上聯聯通局所，用光纜下接RRU。RRU通過饋線連接八木天線對地下隧道進行5G 覆蓋，通過新建電纜進行取電。

5G 安裝位置。根據聯通公司在示范隧道通風機房內新建傳輸設備與5GBBU 單元，隧道建設使用RRU+八木天線的方式對地下隧道進行5G 覆蓋，機器人和紅外矩陣式測溫5G 信號傳輸到聯通基站，再由基站傳輸到監控平臺的前端控制機5G 信號收集處理后傳輸到監控平臺。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，另一側墻體部分不連續，漏纜無法貼墻安裝。RRU 缺可靠加電、接地位置，現場需進行一定的改造，經核實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 隧道監控平臺展示

圖5 局放監控界面

5G 建設應用。500kV 電力隧道中，利用5G 技術向平臺傳輸監測和作業數據，極大改善了視頻、局放圖譜等重要數據傳輸的流暢性和時效性。5G 巡檢機器人可實現隧道環境的實時監控，并可在專題圖中控制機器人的行進路線和角度，同時展示巡視過程中電纜的紅外測溫，隨時掌控電纜運行狀況。同時5G 紅外矩陣測溫是對接頭區域進行網格化面測溫裝置，更全面監測接頭重點部位溫度變化。新增5G 局放/接地環流監測設備2套，全線共安裝X 套局放在線監測裝置，實現遠程監測圖譜和數據查詢分析，診斷設備局放程度。

綜上，本文以某500kV 電纜隧道5G 通信工程為例，可見采用5G 通信網絡能夠更有利于電纜隧道的在線監控平臺中的數據傳輸，相對于其他通信網絡電纜隧道內5G 通信有如下優勢：超快速響應提高了數據傳輸的速率和可靠性；大幅提升了數據展示的流暢性和利用率，降低了數據傳輸時延；為監控電纜運行狀態，管理異常信息做出快速應急反應提供了有力支撐。