电缆隧道多状态综合监控系统设计与研究

摘 要 实施电缆隧道多状态综合监控系统是电缆专业智能化、精益化管理的发展方向，本文结合工作实际，对监控系统的功能设计与研究方向提出了可行性建议。

关键词 智能电网；电缆隧道；综合监测

中图分类号：TM757 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）02-0020-06

1 电力电缆隧道建设的必要性和必要性现状

随着我国城市化进程不断加速发展，对城市所赖以存在的各项公共基础设施建设，尤其是城市电网不断提出更高的要求，而在城市范围内以电缆方式输送电能无疑是一种有效的解决方法。它满足中心城区高负荷密度和电缆化的供电要求，有效保障电力通道的输送容量和提高通道资源利用率的重要措施。现代城市内架空线路逐渐被地下电缆方式取代已经成为世界潮流，西欧和日本的发展处于领先地位。不但在大截面、长距离、高电压等级、特殊环境电缆隧道（如海底、大桥等）的建设上早已取得成功，同时在常规城市电缆隧道的监控方面也有所创新。

目前国内电缆隧道的监控基本上仍处于初级阶段：一是靠人工巡视；二是靠人工测量电缆金属护层环流；三是靠停电测量电缆护层绝缘电阻和主绝缘电阻以及做交流耐压试验。这些传统的做法不仅费时费力，而且需要停电，影响输电线路可用率和供电可靠性。结合国内外电缆隧道的发展，对电缆隧道计算机综合监控系统可得出以下结论：

1）电缆隧道计算机综合监控系统是城市电网发展和电缆隧道建设的必然需求。

2）电缆隧道监控系统系统应具有数字化、网络化、集成化、智能化、可视化和人性化的现代工业监控系统的特点。

3）电缆隧道监控系统宜采用分层分布式网络结构，电缆隧道监控系统应以电缆运行状况的实时监测为主要任务，同时兼顾对隧道环境、辅助设施和隧道安全防范的监测和监控。

4）现场各类信息的采集应以数字传感技术为首选方案，注重统一信息库的建立和信息的高度共享。

5）在信息共享和有效通信的基础上，监控系统应在现场层和管理层不同程度地实现系统性的协调控制能力。

6）在系统的管理控制终端，应积极采用视频图像监视技术、电子地图技术以提供的综合智能控制手段、建立友善的人机交互界面。

2 电缆隧道多状态综合监控系统总体设计

2.1 电缆隧道综合监控系统主要功能和目标

电缆隧道监控系统主要功能有电缆本体的实时状态监测、隧道环境和辅助设施工作状态的监视以及特殊事件的预警及应急处理等。具体监控内容主要包括三个方面：电缆本体，电缆隧道运行环境和电缆隧道条件保障。目标如下：

1）实现电缆网在线监测系统和环境监测系统集中、标准的接入和控制，打破信息孤岛。

2）实现日常生产工作的指挥、调度。

3）实现依据设备状态及生产承载能力统筹安排生产任务。

4）实现电缆网安全风险的全过程管控。

5）实现电缆网的主设备及运行环境的在线监测。

6）实现电缆专业各项安全生产指标的分析评估。

7）实现对电缆设备及环境状况的科学评估及分析。

8）最终形成坚强智能电网下的电缆网生产运行管理新

模式。

2.2 电缆隧道多状态综合监控系统结构

电缆隧道多状态综合监控系统自下而上划分为三层：用来获取信息的感知层，用于放置监测及控制系统终端的站控层，以及对数据展示、分析处理、运维和管理的系统应用层。监控系统服务端主要功能有：系统配置，用户管理，项目配置，数据采集，报警管理，三维展示，视频显示，故障管理，报表图表。

2.3 电缆隧道多状态综合监控系统设计原则和标准

电缆隧道综合监控系统是指采用先进的光纤传感技术、网络通信技术、图像处理技术、控制技术、总线技术、多媒体技术和数据处理技术等。该系统设计遵循以下主要的设计原则：

独立性，统一性，层次性，实时性，先进性和开放性原则。本系统的设计严格遵循国际或国家各规范及标准，打造国内一流的系统。

3 电缆本体实时监测系统

3.1 电缆温度实时监测及载流量子系统

光纤分布式测温主机结构如下图4所示。

采用自发拉曼散射原理，注入光纤的光子与光纤的二氧化硅分子的非弹性碰撞结果会产生了一个长波长的斯托克斯光和短波长的反斯托克斯光，同时反斯托克斯散射光强对温度很敏感且与温度成线性关系，利用斯托克斯和反斯托克斯散射光强的比值可以精确推算光纤的温度场分布。光纤测温定位技术源自雷达原理。即在已知光纤中光速的前提下，通过测量光脉冲的往返时间就可以计算出距离。

主机与主站工控机可以通过TCP/IP、USB、RS232或485等不同连接方式相连，再进一步与变电站集控系统交互通信。

2）载流量子检测。

电缆载流量监测是一套基于动态载流量模型DCR（Dynamic Cable Rating）和分布式光纤测温技术DTS（Distributed Temperature Sensor）的电缆线路监控技术。可以实时监测长距离输电线路表面的温度，计算导体温度和载流量，为输电线路和电缆附件的故障监测和负荷管理提供了全面而有效的解决方案，保障了输电线路的安全，并提高电网资产利用率，发现潜在故障，实现预防性维护。

3.2 电缆护层接地电流实时监测

1）系统原理及功能。

电缆线路金属护层接地电流的大小对电缆线路的安全稳定运行有着重要的作用。当金属护层接地电流异常时，系统会自动报警，信号被实时传送到集中监控中心，将接地电流在线监测设备测量数据与电缆负荷数据（从电力调度中心提供）进行对比和综合分析，可实时掌握电缆金属护层接地系统的运行状况。护层接地电流参数，是电力电缆运行过程中的重要故障测巡手段，有效减少人工巡视，保障电网的安全运行。

2）系统技术指标。

整个系统主要由主回路电力电缆及其附件、高压电缆金属护套接地环流在线监测终端、公用网络、后期监测处理平台等组成。4 隧道环境实时监测系统

隧道内的实时环境状况主要包括温度、有害气体含量、氧气含量、通风量及积水水位等直接或间接关系到电力电缆运行水平、辅助设施安全性、可靠性各类信息。

4.1 隧道空气质量实时监测

气体监测采用非分光红外检测技术，具有选择性好，不易受有害气体的影响而中毒、老化，响应速度快、稳定性好，防爆性好，信噪比高，使用寿命长、测量精度高优点。

1）系统原理及功能。

红外光谱吸收法是利用双原子分子对红外光具有特定吸收峰这一特性来实现的，也就是说某种气体只对应吸收某种波段处的红外光能量，而这个波段就称为这一气体的特定红外吸收峰，它并不与其它气体吸收峰相互干扰，而吸收的能量与气体在红外光区内的浓度有关。

2）系统技术指标。

红外传感器设计为外螺纹连接安装，采用螺纹连接方式安装在防爆接线盒或防爆壳体上。如下图黄色壳体为防爆壳体。

3）系统构成及配置。

报警监测系统如图所示，包括光纤光栅分档式水位传感器、波长信号解调仪表、监控端。其中光纤光栅分档式水位传感器安装在监测现场，通过光缆串联并传输到位于监控室的解调仪表，光纤光栅解调仪表将水位状态和对应的位置信息传给上位机。同时传感器采用全密闭封装，满足IP66防护等级要求。

4.3 隧道环境温度实时监测

对隧道内环境温度的测量，可以利用已有的分布式光纤测温子系统。只需在原有测温系统的基础上在隧道空间内合适位置（一般在隧道顶部）增敷一根测温光纤并接入测温系统的服务器即可实现对隧道环境温度的监测。

1）系统原理及功能。

该系统检测报告与电缆本体光纤分布式测温系统相同。

2）系统技术指标。

该系统检测报告与电缆本体光纤分布式测温系统相同。

3）系统构成及配置。

对于监测电缆隧道环境温度的探测光缆的敷设方式是：探测光缆沿隧道顶部悬吊敷设，距顶部75-150 mm，以保持良好的通风与快速响应时间，光缆线夹紧固点之间的距离1-1.5 m。感温光缆在隧道顶壁底座吊装示意面如图13。

4）产品相关检测报告。

该系统检测报告与电缆本体光纤分布式测温系统相同。

4.4 隧道异物入侵实时监测

为预防各种施工和破坏行为对电缆隧道的安全运营产生影响，采用光纤光栅型周界入侵报系统对外力破坏进行监测。周界入侵报警系统整套系统包括震动光缆和光纤光栅解调仪表，其中解调仪表可与隧道积水水位监测系统和井盖状态监测系统共用。

1）系统原理及功能。

该系统基于光纤光栅传感原理，与隧道积水水位监测系统原理相同。

2）系统技术指标。

该系统可与隧道积水水位和井盖状态监测共享主机。该系统使用震动光缆外观如下图。

4.5 隧道视频系统

隧道视频监控及防盗报警系统由前端的监控摄像机、被动式红外报警探头、站端视频服务器组成，对重点区域进行实时图像监控。视频监控设备具有无可见光红外夜视功能，选用可远程调节方位及焦距的数字式视频监控装置，与被动式红外报警探头联动。当防卫点位有人为入侵时被动式红外探测器报警，设在电缆网集中监控中心的控制终端会自动切换弹出该点位实时监控图像。

5 隧道条件保障

5.1 隧道通信系统

采用有线电话的方式既在隧道内架设有线电话线路，需要在电力隧道内每个分区内安装一台勤务电话，每个电话插头分配一个号码。电话机必须做好防潮处理，并定期检查。由于电力隧道分布较广，所以需要在中心安装一台程控交换机，框架如图17所示。

5.2 隧道门禁系统

隧道进出门门禁应用子系统安装在变电站隧道进出口和隧道人行出入口处，门禁的门体具备防火、防盗功能，锁具具备双向信息刷卡读取和双向钥匙机械开闭功能，断电情况下门同样处于锁定状态。钥匙机械开锁只能用于紧急情况。在隧道进出口门禁终端处加装进出口LED显示联动装置和双基色LED显示屏，可实时显示隧道内环境信息，包括隧道内气体浓度含量、隧道积水井水位。

5.3 隧道消防联动系统

现场消防系统设施主要包括消防灭火设施和应急防火设备。当分布式光纤主机系统一旦检测到，隧道内发生火灾，立即向远程发送报警数据（位置、温度值）同时也会通过变电站内的上位机系统通过手机短信的形式，报警给相关人员。火灾报警处理。

5.4 隧道进排风设备

电缆隧道内的通风冷却装置主要有一系列的进风和排风设备以及相应的通风管道和通风口组成，主要用于控制隧道内环境温度、通风换气量和空气洁净度。本系统在每个防火门的出口和下一个防火门的入口都各有一个通风口。风机控制单元设置手/自动操作功能，实现配电柜手动控制、配电柜根据火灾信号自动控制及PLC根据火灾信号远程监视及控制。风机控制回路预留消防联动接口。发生火灾时，应能按防灾报警系统的指令完成通风设备的联动控制。当火灾消除后，系统转为正常运行模式。

5.5 隧道排水设备

隧道排水设备与积水水位监测系统进行联动。隧道内根据排水要求，设置排水坡度，按照隧道的起伏走势，在隧道内的低洼处设置集水坑。隧道内的积水沿着隧道的坡向汇集至集水坑，设计在每个集水坑内配置潜水排污泵，将积水抽排至隧道外道路雨水排水系统，排水管采用UPVC排水管，接口采用粘接。