人工智能高壓電纜隧道建設研究

秦亞杰，華旭昀，鄧 鵬, 翟超超，王 悅

(國網江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

電纜隧道是承載輸電電纜的重要通道，人工智能高壓電纜建設有助于推動電纜的專業化發展，提升電纜及通道的本質安全和智能運檢水平，充分挖掘潛能，注重實用實效，以提高輸電網效能、提升智能運維效率、創建多場景聯動式生產平臺、深化能源互聯網改革為研究目標。

1 高壓電網建設進展

按照國網公司“感知層-網絡層-平臺層-應用層”的設計架構，建立了高壓電纜專業的物聯網體系，并對各層設備及系統進行了具體部署。

(1) 感知層。按所處空間位置設備可分為兩類。

① 隧道內感知終端，包括局放、電流等設備狀態感知終端，以及溫度、煙感等通道環境感知終端，各終端設備按功能分別接入相應的專業系統，并由隧道邊緣計算中心進行統一管理和控制。

② 非隧道內感知終端，包括地面上使用的人員移動作業終端、監控相機及智能井蓋等設備，部分智能井蓋可作為節點設備匯集地下溝管內的感知終端信號，解決非隧道類電纜通道中的感知數據采集難題。

(2) 網絡層。包括光纖網絡、無線專網和APN專網。地上感知設備與移動作業終端由無線專網或APN 專網接入公司內網；隧道內的感知信號先匯聚至邊緣計算中心，再由該中心通過光纖信道就近接入變電站內的路由端口。

(3) 平臺層。包括設備數據、運維數據、感知數據3 個模塊組。

① 設備數據模塊組，主要用于管理基礎臺賬、通道地理信息和生產準備記錄。

② 運維數據模塊組，主要用于管理巡視、缺陷、帶電檢測等運維業務數據。

③ 感知數據模塊組，主要用于在線監測設備臺賬管理、告警數據篩選與分析以及邊緣系統運行情況等。

(4) 應用層。主要涉及基于臺賬、運維、感知3 類基礎數據的高級決策輔助功能，包括電纜線路可靠性評價、通道運行風險評價、設備老化趨勢分析、應急處置輔助決策等功能，指導運維人員開展高壓電纜運維檢修工作。

2 智慧電纜線路建設重點

2.1 提升線路一次設備的本質安全水平

(1) 編制運維工作預案。對所有高壓電纜線路和通道開展設備定級、狀態評價與風險評估工作，并根據評估結果編制一線一運規、一線一檢規，為每條線路量身定制巡視計劃、紅外測溫、局放等帶電檢測項目執行計劃及周期性試驗計劃，制定常見缺陷隱患處理方案、故障應急搶修方案與防外力破壞保護方案，為運維人員提供切實可行的指導。

(2) 保障隧道內安全作業措施。考慮到高壓電纜隧道內部環境的特殊性，在隧道內的適當位置添置應急救援箱，箱內存放防毒面具、正壓式呼吸器等裝備，并指定專人維護；同時在分叉路口、階梯和人井處掛設逃生路線導引牌，以保障隧道內作業人員的人身安全。

2.2 提升智能感知設備的本質安全水平

參考一次設備的運維管理方法，加強對在線監測設備及智能感知系統設計、建設、驗收與運維工作的管理。

(1) 成立智能設備專業化運維團隊。在電纜運維部門配備智能設備管理專員，并組建專業運維隊伍，負責各類監控裝置、電源設備、服務器等設施的定期檢查、維護和修理工作。

(2) 開展隧道環境綜合整治。通過改造隧道內的排水和通風設施，降低隧道內空氣濕度，減少灰塵堆積，以保證智能設備處于良好運行環境。

(3) 加強智能設備設計、建設與驗收監管。電纜運維部門參考電纜一次設備工程的管理模式，主動參與智慧電纜線路建設項目可研與設計工作，結合專業需求及時向供應商提出優化建議，以保證系統建設方案的實用性與合理性。同時，組織編制《電力電纜隧道在線監控安裝及驗收指導意見》，對新投智能設備進行資料驗收、現場盤點和功能驗收。

① 資料驗收內容包括設備臺賬、供電與通信系統組網方式資料和設備操作指導材料。

② 現場盤點要求現場智能設備的類型、數量與臺賬一致，且應配備標準化名稱牌，注明智能設備的運維管理方法，以方便巡視人員定期檢查智能設備的工作情況。

③ 功能驗收要求所有感知數據均能接入隧道邊緣計算中心，且能與電纜精益化管理平臺進行告警信息與操作指令的交互。

在上述3 項驗收全部通過之后，建設部門才能將智能設備正式交付給電纜運維部門使用。通過近一年的規范化管理，2019 年新投的監測設備基本做到了資料明晰、功能實用、運行可靠。

(4) 加強智能設備信息安全監督。所有無線傳輸裝置均按國網要求配置數據加密卡，溝管通道的智能井蓋通過APN 物聯網數據中控臺接入內網；隧道內監控系統入網端口處增設硬件防火墻；人員手持單兵、機器人等入網端口處加設無線網關。同時，組織項目建設人員接受網絡安全培訓，防止智能設備在建設與使用過程中發生違規外聯、黑客攻擊等網絡安全事件。

3 全狀態感知能力提升改造

對照智慧電纜線路建設標準，對某電纜隧道已有的視頻、測溫和環境監測系統進行升級改造，并實現應急通訊、消防控制、機器人巡檢等34 項新功能，全面實現了通道環境深度感知、電纜狀態多維感知與診斷、隧道智能消防控制、隧道人員管理與應急指揮等多項應用場景中的設備聯動功能，主要涉及以下專業設備和系統。

3.1 電纜接地環流感知裝置

單芯電纜的護層接地系統受損后會造成金屬護層環流過高，繼而引發電纜過熱，甚至發生絕緣擊穿事故。可通過電纜接地環流感知裝置監測護層環流，診斷電纜早期絕緣缺陷和事故隱患，控制突發性絕緣事故，保障電纜設備安全、可靠運行。該裝置已實現以下主要功能。

(1) 環流感知。每套感知裝置都設有鉗形線圈和電流信號采集器，可分別監測各相金屬護層的環流數值，數據傳輸至環流監測主機后，可以數據表或曲線圖的形式進行展示。

(2) 數據分析。可基于歷史數據進行環流趨勢分析，識別環流突變、三相不平衡等危險征兆。

(3) 報警功能。可在電流超過閾值時發出報警。

3.2 電纜接頭局放感知裝置

電纜設備內的局部放電現象與附件安裝質量密切相關，若附件制作工藝不良，其引起的異常局放會加速絕緣材質老化，引發擊穿故障。局放監測裝置的主要作用是采集局放指標數值，即感應電壓，mV。接頭處裝有高頻局部放電傳感器，可實時采集接頭內部局部放電時產生的電磁信號；采集處理單元對信號進行放大、濾波和AD 轉換，轉化為數字信號，并傳至局放監測系統處理。電纜接頭局放監測系統具有以下功能。

(1) 數據統計。可查詢、統計每組被測接頭的歷史放電量、放電相位、放電次數等數據。

(2) 趨勢分析。可根據數據形成二維、三維放電譜圖及相應趨勢圖。

(3) 預警分析。可根據趨勢識別異常局放現象，提供故障預警。

3.3 電纜接頭與隧道溫度感知裝置

通道全程敷設環境測溫光纖和纏繞在電纜表面的測溫光纖，可對隧道內12 個消防控制分區的環境溫度和全線24 組接頭的表面溫度進行實時感知。當監控范圍內出現高于40 ℃的熱區時，測溫系統能夠及早發現火災隱患并關閉過熱區域兩端的防火門，同時將報警信號實時發送至電纜運行監控中心。運維人員可在中心監控屏幕上瀏覽通道內各段分區及各組電纜接頭的溫度變化情況。

此外，系統還具備電纜載流量分析和故障自檢功能，可利用載流量分析軟件對電纜的載流能力進行分析和預測。當光纜發生斷裂或信號衰減過大時，可指示出斷點的具體位置。

3.4 有毒有害氣體與溫濕度感知裝置

根據Q/GDW 11455—2015《電力電纜及通道在線監測裝置技術規范》的要求，該隧道內裝有13 組有害氣體監測器，可感知隧道內溫度、濕度，以及CO，CH4，O2，H2S 等氣體的濃度，感知覆蓋率達100 %。當監測到隧道內缺氧或有害氣體超標時，可向邊緣計算中心發送告警，由中心調度通風系統的6 臺風機進行鼓風，并向作業人員手持終端及隧道入口處的電子顯示屏推送安全告警信息，避免火災、中毒、窒息等事故的發生，保障地下隧道內作業人員的人身安全。

3.5 水位信號感知裝置

該隧道內設有集水井12 處，每處均配有液位監測裝置。當積水溢出(水位超過警戒值)時，液位計可直接啟動水泵抽水直至水位恢復到警戒值以下。水位信號和水泵狀態皆可傳達至邊緣計算中心，水泵在必要時可由中心統一調度，或實施人工遠程操控。

3.6 風機監控

隧道的工井內設有大功率風機，可由邊緣計算中心根據隧道內的實時環境情況向風機下達控制指令。當測溫光纖發出火災報警時，向風機下達關停指令；當氧氣不足或有害氣體超標時，向風機下達啟動指令，待氣體含量恢復正常后下達關停指令。

3.7 智能井蓋

線路溝管通道段配置了智能井蓋，除授權開啟、位移異常、傾角異常報警等標準配置功能外，通過井蓋下方的低功耗“多合一”傳感器，可實現對井下水位、氣體、煙感、振動、井蓋位移等狀態量的綜合性監測功能。

3.8 隧道邊緣計算中心

邊緣計算中心是一個可實現多層級邊緣代理功能構架的智能管控平臺。該平臺在架構上徹底消除了原先“終端-子站-主站”三層式傳統監控系統低智能化、高依賴性的弊端，建立了“感知終端-區域邊緣-通道邊緣中心”的新型架構。

新架構將智能感知設備按通道地段、功能類型和傳輸方式劃分為多個控制單元，如隧道內煙感、溫感、水泵、防火門等設備按區域組成多個環境控制單元，地表可視化監控與智能井蓋組成地表設備控制單元等。

每個控制單元配備一臺區域邊緣代理裝置，該裝置對下可就地響應感知數據并調度防火門等相應的控制設備，對上可與邊緣計算中心進行數據交互，并接受中心下達的控制指令。邊緣計算中心負責匯聚各個區域邊緣裝置發送的數據，根據不同場景的需要，綜合調度各區域的智能設備，同時與電纜運行監控中心進行數據交互，并接受監控中心下達的控制指令。

4 結論

(1) 通過采用這種新型玻璃盾殼防水設計，結合智能化設備，有效解決了隧道滲水問題。

(2) 利用電纜隧道與設備狀態全感知技術，可及時掌控地下環境與設備異常情況，節約人力與物力成本，有效降低安全風險，提升人員運維效率，提高供電可靠性。

(3) 利用感知數據智能分析模型，在打造數據分析標準化、智能化、多維化的同時，可深度挖掘數據資源價值，強化輔助決策功能，提升地下電纜通道精益化管理水平。

(4) 利用人機協同快速聯動機制，可提升地下電纜隧道空間環境風險應對與應急處置能力。