GIL形變在線監(jiān)測

存在問題和建設意義

綜合管廊，便是地下城市管道綜合走廊。即在城市地下修建一個管廊空間，將電力工程、通信，天然氣、供暖、給水排水等多種工程管線集于一體，設立專業(yè)的檢修孔、起吊口和檢測系統(tǒng)，執(zhí)行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設計方案、統(tǒng)一基本建設和管理方法，是確保城市運作的關(guān)鍵基礎(chǔ)設施建設和“命運線",而提升綜合管廊的智能化系統(tǒng)和信息化管理能力，可大大的緩解管廊的運維管理工作壓力和延長管廊機器設備的生命期。

GIL管廊是綜合管廊應用于電力行業(yè)不斷深化、專業(yè)化的體現(xiàn)形式，其安全性、穩(wěn)定性顯得尤為重要。作為一種新型的輸電方式，GIL具有輸電容量大、損耗低、占地少、布置靈活、可靠性高、安全防護性好、免維護、壽命長、與環(huán)境相互影響小等優(yōu)點。采用GIL可解決特殊環(huán)境或特殊地段的輸電線路架設問題，通過合理設計，不但可以大大降低系統(tǒng)造價，而且也能提高系統(tǒng)的可靠性。如采用隧道（以下簡稱管廊）中鋪設氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated metal enclosed Transmission Line，以下簡稱GIL）穿過江河、城市重要交通及建筑體，對于提高區(qū)域電網(wǎng)接納能力、提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平、滿足經(jīng)濟社會發(fā)展用電需要，具有重要意義。

近幾年來,我國GIL管廊大規(guī)模地建設,管廊內(nèi)管線較多,運維管理一直是個難題,尤其是距離較長的GIL管廊該問題更加突出。由此對已經(jīng)建成的綜合管廊進行了研究和調(diào)研,主要體現(xiàn)以下幾個方面：

2.1 GIL管廊中各個系統(tǒng)數(shù)據(jù)獨立存在，未能達到統(tǒng)一綜合監(jiān)控的目的，缺乏環(huán)境監(jiān)控、設備監(jiān)控、安防監(jiān)控、視頻監(jiān)控、人工智能等數(shù)字化監(jiān)控手段。

2.2 運維人員仍需從事大量的設備巡視、定期查驗、數(shù)據(jù)錄入等簡單重復勞動，勞動效率低下，且難以做到“時空" 方面的全面性、準確性、科學性，不能做到提前預警、主動消缺。

2.3 現(xiàn)有GIL管廊評價診斷能力不強，數(shù)據(jù)利用和分析不夠。大量數(shù)據(jù)上傳后，缺乏對數(shù)據(jù)的自動分析功能，難以實現(xiàn)管廊內(nèi)環(huán)境、安全、狀態(tài)等自動評價、聯(lián)動控制、及時預警與工單派送，不能進行多方面數(shù)據(jù)的綜合評估，對不同GIL管廊的差異化巡視管理、檢修策略的科學制定支撐力度不夠。

另外管廊內(nèi)主要GIL設備、電纜本地及本身功能使用的驅(qū)動力、照明燈具、排水管道等設備繁雜，不管管廊本體出現(xiàn)常異常，還是本身附設機器設備出現(xiàn)故障，都將導致沿線輻射城市功能的癱瘓，因而提高GIL綜合管廊的智能化系統(tǒng)和信息化管理水準實際意義重大，“GIL智慧管廊"定義的明確提出和運用應運而生。通過GIL智慧管廊系統(tǒng)平臺建設，實現(xiàn)實現(xiàn)輔助監(jiān)控系統(tǒng)、GIL管廊本體及附屬設施統(tǒng)一監(jiān)控和管理，將監(jiān)測信息深度融合、智能識別，達到設備診斷過程自動化，提高故障缺陷分析處理效率，提升GIL智慧管廊系統(tǒng)安全運行水平、降低人力巡視檢查工作量，實現(xiàn)差異化、精準化的運維檢修管理

系統(tǒng)簡介

GIL形變在線監(jiān)測是管廊運行維護的核心控制系統(tǒng)，主要包括：GIL智慧管廊監(jiān)控運維平臺、GIL本體監(jiān)測系統(tǒng)、隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)、智能巡檢機器人系統(tǒng)、智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、信號覆蓋系統(tǒng)、應急通訊系統(tǒng)、GIL管廊低壓交流監(jiān)測、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、防火門禁系統(tǒng)、火災告警系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等。

通過建立GIL智慧管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、集成、協(xié)同巡視、集中管控，完成對監(jiān)測、監(jiān)控數(shù)據(jù)的集中展示和分析。同時建立數(shù)據(jù)中心，對監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理并進行智能識別分析，實現(xiàn)統(tǒng)一的硬件資源分配管理、統(tǒng)一的安全策略管理（人員安全、數(shù)據(jù)安全）、統(tǒng)一的軟資源管理。通過系統(tǒng)建設，最終形成由多個專業(yè)的不同子系統(tǒng)組成的，一個全面、實用、安全、高效的智能化、智慧化管廊系統(tǒng)。

管廊內(nèi)GIL布置圖

系統(tǒng)架構(gòu)圖

1、在監(jiān)控管理中心設定監(jiān)控電子計算機、管理電子計算機、網(wǎng)絡服務器、通訊電子計算機和智能化系統(tǒng)模擬屏等機器設備構(gòu)成中央電子計算機系統(tǒng)。

2、智能化系統(tǒng)仿真模擬顯示器可形象化地顯示管廊內(nèi)多種機器設備的運行狀況及空氣質(zhì)量參數(shù)，及時掌握自然災害和非法侵入的產(chǎn)生以及部位。

3、仿真模擬顯示器的顯示信息內(nèi)容有：管廊內(nèi)各個區(qū)段的部位和建筑模擬圖，各疏散出口污水提升泵的情況、液位開關(guān)情況、自然通風設備情況、室內(nèi)照明情況、工作溫度/環(huán)境濕度和、含氧量、CH4濃度值、H2S濃度值等多種報警信號等。
   4、 監(jiān)控管理中心。
  綜合管廊監(jiān)控中心主要任務為保證管廊內(nèi)管道及操縱機器設備能正常運行，并在產(chǎn)生安全事故時要迅速反應解決，因而管廊監(jiān)控中心便是全部管廊安全性監(jiān)管系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，根據(jù)自動化技術(shù)監(jiān)控與探測機器設備，將管廊內(nèi)任一角落里的情況材料快速傳送搜集于監(jiān)控管理中心中，使技術(shù)人員能夠隨時隨地輕易的把握全部狀況。

5、創(chuàng)建健全的預警信息、警報體制，處理城市管廊設備遭到人為因素毀壞的地底安全隱患，確保管廊內(nèi)的自然通風、照明燈具、排水管道、防火安全、通訊等機器設備的正常運行。

應用平臺

智慧管廊應用平臺主要包括決策指揮、智能分析、基礎(chǔ)應用三部分功能。決策指揮主要是利用接入的子系統(tǒng)展示管廊的整體狀態(tài)，通過二、三維及統(tǒng)計圖表等方式實現(xiàn)智慧管廊的監(jiān)控及狀態(tài)預警，目前決策指揮場景主要包括在線智能巡檢、主動預警、輔助決策、應急處置、多維協(xié)同智能作業(yè)等；智能分析主要是基于特定應用及數(shù)據(jù)而開發(fā)的專題分析應用，通過該分析應用可直接體現(xiàn)管廊某類特定監(jiān)測數(shù)據(jù)下的運行狀態(tài)，方便業(yè)務人員對管廊狀態(tài)進行深入分析，目前主要包括管道沉降預測、伸縮節(jié)狀態(tài)預測、電纜狀態(tài)多維感知、操作人員分布、管廊健康分析等應用主題；基礎(chǔ)應用是本的支撐應用，用于構(gòu)建本的基礎(chǔ)服務，并為決策指揮和智能分析提高平臺各類數(shù)據(jù)支撐服務，目前主要包括數(shù)據(jù)運維、臺賬管理、巡視管理、環(huán)境監(jiān)測、用戶管理等。

數(shù)據(jù)中心

智慧管廊數(shù)據(jù)中心主要包括數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、算法管理4個管理模塊。數(shù)據(jù)治理主要是對感知層采集的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)采用“數(shù)據(jù)實時清洗"的方式，按照設備規(guī)范化模板設計清洗規(guī)則，并對清洗后的數(shù)據(jù)通過SG-CIM進行標準化建模，存入數(shù)據(jù)中心當中，經(jīng)分類后構(gòu)建算法訓練數(shù)據(jù)集、驗證數(shù)據(jù)集以及測試數(shù)據(jù)集，支撐后續(xù)管廊狀態(tài)的數(shù)據(jù)挖掘和分析應用；數(shù)據(jù)管理主要包括業(yè)務數(shù)據(jù)管理和感知數(shù)據(jù)管理；數(shù)據(jù)分析平臺主要是與高校合作，建立管廊相關(guān)算法模型，不斷挖掘影響管廊狀態(tài)的特征量，實現(xiàn)算法模型的深度學習，為后續(xù)智慧管廊的大數(shù)據(jù)分析應用提供可擴展的算法應用容器，同時可以對吸納進來的算法進行版本、發(fā)布、運行等進行管理。

數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是本系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的匯集中心，數(shù)據(jù)層負責各個獨立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)安全等核心數(shù)據(jù)服務功能。數(shù)據(jù)層為各業(yè)務系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的統(tǒng)一權(quán)限身份認證、數(shù)據(jù)運維服務（自動備份、數(shù)據(jù)擴容、數(shù)居遷移、數(shù)據(jù)批處理）。目前接入的數(shù)據(jù)主要包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要包括業(yè)務數(shù)據(jù)，感知數(shù)據(jù)，平臺支撐數(shù)據(jù)等。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要包括現(xiàn)場的圖片數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等。

感知層

感知層通過標準化和非標準化接口實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集適配，標準化接口主要采用電力標準規(guī)約進行數(shù)據(jù)采集，如IEC61850/61968、電力103、Modbus等，非標準化接口主要是非電力標準數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)采集，如消息隊列、WebService、PLC等。通過這兩類接口實現(xiàn)了智慧管廊所有子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入。目前需要接入的子系統(tǒng)主要包括管廊伸縮節(jié)在線監(jiān)測子系統(tǒng)、電纜護層接地環(huán)流監(jiān)測子系統(tǒng)、電纜局放監(jiān)測子系統(tǒng)、分布式光纖測溫子系統(tǒng)、管廊環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、分布式故障定位與分析子系統(tǒng)、管廊結(jié)構(gòu)監(jiān)測子系統(tǒng)、管廊人員安全管理子系統(tǒng)、滅火監(jiān)控報警子系統(tǒng)。

系統(tǒng)介紹

（一）GIL本體監(jiān)測系統(tǒng)

  1、GIL本體光纖溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)(DTS)  

光纖布纖示意圖(紅線代表光纖，置于管道頂部)

  分布式光纖測溫系統(tǒng)由測溫主機和探測光纖兩部分組成：

 2、GIL本體光纖溫度應力在線監(jiān)測系統(tǒng)(BOTDA)

 3、GIL本體光纖振動在線監(jiān)測系統(tǒng)(DVS)

利用分布式光纖傳感技術(shù)，以光纖作為“傳"和“感"的介質(zhì)，實現(xiàn)長距離、高精度、分布式的GIL本體的溫度、振動及內(nèi)部局放等多參數(shù)的健康狀態(tài)監(jiān)測，從而為GIL本體的日常運維提供大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)管廊的智慧化管理。

 4、GIL本體局放在線監(jiān)測系統(tǒng)

 5、GIL本體SF6密度溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

    5.1本體聯(lián)接遠傳型SF6密度表

    5.2 本體增加SF6密度溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

 6、GIL本體伸縮節(jié)在線監(jiān)測系統(tǒng)

GIL管廊伸縮節(jié)補償量監(jiān)測在早期設計對伸縮節(jié)補償量主要是憑借運維人員以及檢修人員的巡視，由檢修人員根據(jù)現(xiàn)場安裝的游標卡尺的情況進行實時記錄，根據(jù)經(jīng)驗和過往數(shù)據(jù)的對比來判斷伸縮節(jié)各個補償量是否合理，但這些并不能實現(xiàn)對伸縮節(jié)補償量的實時監(jiān)控，不能從根本上解決隱患；且在管廊中部與上部的伸縮節(jié)由于高度高，人工巡視比較困難，本系統(tǒng)通過改造GIS/GIL伸縮節(jié)現(xiàn)有的機械式游標卡尺或增加數(shù)字式伸縮節(jié)位移傳感器來實現(xiàn)伸縮節(jié)補償量在線監(jiān)測，并可以通過無線LoRa和有線RS485上傳數(shù)據(jù)給上位機。

 7、GIL 高壓電纜護層接地環(huán)流在線監(jiān)測系統(tǒng)

電纜護層電流在線監(jiān)測裝置由前端監(jiān)測設備和后端監(jiān)控中心組成，前端電流監(jiān)測裝置對高壓電纜接頭處加裝0～100A單模精確CT電流互感器及精確接地環(huán)流采集裝置實時監(jiān)測110kV及以上高壓電纜的每個高壓電纜金屬護層接地點的電流參數(shù)，可通過lora無線通信方式把告警信息發(fā)送到監(jiān)控中心，以便及時對發(fā)生故障的電纜進行更換或搶修。可實現(xiàn)對0～100A接地環(huán)流精確測量及定時巡檢測量，取代傳統(tǒng)人工方式的定期接地環(huán)流巡測。大大減輕現(xiàn)場測量的勞動強度，提高系統(tǒng)維護效率。

  8、GIL 高壓電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)

8.1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

電纜局放監(jiān)測系統(tǒng)以供電公司監(jiān)控中心為基礎(chǔ)和核心，通過工業(yè)級光纖以太環(huán)網(wǎng)，局放采集傳感器、局放檢測主機、局放監(jiān)測分析軟件組成。

8.2系統(tǒng)主要功能

電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)適用于 10KV 及以上電壓等級的電纜局部放電在線監(jiān)測。能實時監(jiān)測放電量，放電相位，放電次數(shù)等基本局部放電參數(shù)；計算出各個接頭及各段電纜局部放電幅值、頻次；經(jīng)多次采集（一般測量 50 個工頻周期）后，從數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)進行譜圖分析和數(shù)據(jù)報表以確定放電點相對位置，必要時給出報警。并可按照客戶要求，提供有關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計量。能存儲測試譜圖、放電趨勢，從而及時發(fā)現(xiàn)電纜及接頭的絕緣缺陷，并為評估其絕緣水平及老化程度提供判據(jù)，為電纜的檢修工作提供依據(jù)。

8.3系統(tǒng)主要特點：

（1）監(jiān)測系統(tǒng)采用開合式傳感器，結(jié)構(gòu)緊湊，拆卸安裝方便，不需要停電，可以很方便的對重點站、重點設備、異常設備進行長期監(jiān)測。

（2）監(jiān)測系統(tǒng)采用雙端定位測量法，可實現(xiàn)對電纜本體產(chǎn)生的局部放電進行實時定位， 理想條件下定位精度可達+/-3 米。

（3）采用高性能 FPGA 處理器，實現(xiàn) 100Msps、12Bit 分辨率的高速采樣、存儲，每次分析可連續(xù)采樣 50 個工頻周期以上的數(shù)據(jù)。

（4）帶通濾波技術(shù)與噪聲識別及剔除算法聯(lián)合運用，可有效識別局放信號。

（5）基于脈沖電流法（IEC60270 標準）的局部放電監(jiān)測技術(shù)，可檢測 10pC 以上局放信號。

（6）在無法鋪設光纖的情況下，可以采用 4G 網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，可降低光纖布線困難，降低成本。

9、GIL 高壓電纜分布式故障定位在線監(jiān)測系統(tǒng)

  9.1技術(shù)原理

電纜故障定位系統(tǒng)利用高速暫態(tài)行波在線監(jiān)測和電網(wǎng)拓撲分析的系統(tǒng)方法，實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)供電電纜的在線監(jiān)測，對城市環(huán)網(wǎng)供電電纜故障進行定位、選線和預警。具體方法是在環(huán)網(wǎng)柜主干電纜與饋出電纜分別安裝電纜故障行波測距裝置，將電纜在發(fā)生故障前的微弱暫態(tài)信號采集到每一個故障行波測距裝置，通過故障行波測距裝置分析處理，將信號上傳到系統(tǒng)后臺，系統(tǒng)后臺通過波形分析自動預警并通過雙端測距技術(shù)自動計算故障點距離，通過系統(tǒng)后臺指示故障點位置，并且對饋出支路電纜實現(xiàn)選線功能。

行波定位原理

  9.2系統(tǒng)配置方案

電纜故障行波測距裝置

故障行波測距裝置由主控單元（CPU模塊）、高速信號數(shù)據(jù)采集單元（DAU模塊）、GPS/光纖/北斗守時模塊、4G/光纖/網(wǎng)絡通訊模塊、電源管理模塊等部分構(gòu)成，故障行波測距裝置通過高頻傳感器獲取暫態(tài)行波電流信號，記錄采集時的時間標簽,同時，在現(xiàn)場條件具備的前提下，可增采 Ua、Ub、Uc、工頻電壓信號及零序分量，作為對供電電纜故障點定位和預警的輔助條件，為后臺運算提供數(shù)據(jù)支持。

故障行波測距裝置融合先進的數(shù)字化傳感器技術(shù)、高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、通信技術(shù)和計算機技術(shù)為一體，將本地數(shù)據(jù)通過4G/光纖/網(wǎng)絡通訊模塊實時上傳至系統(tǒng)后臺。故障行波測距裝置能夠適應惡劣的運行環(huán)境，為城市配電網(wǎng)安全運行提供有力的保障。