王 穎
[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092]
近年來,隨著我國高速公路網(wǎng)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了越來越多的隧道群、特長(zhǎng)隧道,如何更好地保障隧道運(yùn)營(yíng)安全,是隧道設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)中考慮的首要問題[1]。隧道是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境,運(yùn)營(yíng)環(huán)境較為特殊,通風(fēng)、消防、照明、通信、監(jiān)控等配套設(shè)施是保證隧道安全高效運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ),因此為這些負(fù)荷提供安全可靠的供配電顯得尤為重要[2]。傳統(tǒng)被動(dòng)的進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)的配電系統(tǒng)已無法適應(yīng)交通產(chǎn)業(yè)日益增長(zhǎng)的數(shù)字化、智慧化管理以及運(yùn)維的需求,基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及智能決策技術(shù)深度融合的智能配電系統(tǒng)具有可靠性高、運(yùn)行維護(hù)主動(dòng)、安全性高以及互聯(lián)互通性強(qiáng)等特點(diǎn),并且為滿足隧道實(shí)際的需求還可以進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì),從數(shù)字化過渡到智慧化,建立“人——設(shè)備——數(shù)據(jù)”的互聯(lián)互通,從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新發(fā)展到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),使其可以更好地滿足隧道自動(dòng)化運(yùn)維、管理的需求。本文基于智能配電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì),結(jié)合隧道配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的實(shí)際需求,以G98環(huán)島高速三亞崖州灣隧道工程實(shí)例為切入點(diǎn),通過優(yōu)化隧道內(nèi)供配電方案,確定了隧道工程的智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及其應(yīng)用方向和要點(diǎn),提升了隧道供配電設(shè)施供電安全性和可靠性,有力保障了隧道平安、智慧、高效和可持續(xù)運(yùn)營(yíng)。
海南G98環(huán)島高速是溝通??谥寥齺唭沙鞘?,連接??谑?、澄邁縣、臨高縣、儋州市、洋浦經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、白沙縣、昌江縣、樂東縣、三亞市的交通主干線,也是海南省高速公路網(wǎng)中的主骨架?,F(xiàn)狀G98環(huán)島高速為路堤形式,從崖州灣科技城重點(diǎn)片區(qū)中間穿越,對(duì)片區(qū)有嚴(yán)重的割裂作用,兩側(cè)地塊無法溝通,嚴(yán)重制約崖州灣科技城重點(diǎn)片區(qū)的建設(shè)發(fā)展。該工程是海南G98環(huán)島高速的一部分,位于三亞市崖州灣科技城重點(diǎn)片區(qū),為新建G98環(huán)島高速隧道段項(xiàng)目,隧道規(guī)模為雙向四車道,長(zhǎng)度為3.93 km,其中暗埋段3.09 km,隧道中間未設(shè)置匝道,主線為雙向四車道并兩應(yīng)急通道設(shè)計(jì),其中隧道10 kV變電所總體布置如圖1所示。
圖1 隧道10 kV變電所總體布置圖
隧道工程的供電應(yīng)確保隧道安全可靠地正常運(yùn)行,滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)不同等級(jí)負(fù)荷的供電要求。
G98環(huán)島高速三亞崖州灣隧道重要電力負(fù)荷的分級(jí)如下:
(1)一級(jí)負(fù)荷:隧道內(nèi)應(yīng)急照明、基本照明、射流風(fēng)機(jī)、消防泵、消防風(fēng)機(jī)、監(jiān)控設(shè)備等,其中應(yīng)急照明等為特別重要負(fù)荷。
(2)二級(jí)負(fù)荷:加強(qiáng)照明、排水泵等其余負(fù)荷。
(3)三級(jí)負(fù)荷:檢修電源等其余負(fù)荷。
根據(jù)負(fù)荷分布的特點(diǎn),隧道擬設(shè)4座分變電所,隧道1#、4#變電所為地面式泵站變電所,按照當(dāng)?shù)匦袠I(yè)管理要求,另增設(shè)1路柴油發(fā)電機(jī)為備用電源的主接線,低壓側(cè)為單母線分;隧道2#、3#變電所為以隧道射流風(fēng)機(jī)為負(fù)荷中心和主要負(fù)荷的變電所,主接線為兩路10 kV雙變壓器接線,低壓側(cè)為單母線分段,中間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān),接線方案如圖2所示。
圖2 隧道接線系統(tǒng)圖
根據(jù)表1負(fù)荷計(jì)算,隧道采用兩路10 kV電源供電。受隧道用地條件限制,該工程隧道與管理中心變電所距離較遠(yuǎn),分別以管理中心變電所、隧道1#變電所作為受電電源點(diǎn),隧道10 kV電源引自城市電網(wǎng),兩路電源同時(shí)運(yùn)行,當(dāng)一路電源退出運(yùn)行時(shí),另一路電源應(yīng)能承擔(dān)隧道100%負(fù)荷正常運(yùn)行,不能同時(shí)停電。
表1 變電所負(fù)荷計(jì)算表
該工程用電負(fù)荷按變電所的設(shè)置分為:(1)隧道風(fēng)機(jī)和照明用電;(2)泵站用電;(3)管理用房建筑照明和消防用電。
近年來,隨著制造工藝的提高、信息技術(shù)的發(fā)展,結(jié)合最新技術(shù)的新型智能配電系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化配電解決方案,結(jié)合控制技術(shù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析與服務(wù)等,將配電系統(tǒng)中的智能設(shè)備互聯(lián)互通,從安全性、可靠性、穩(wěn)定性等方面,對(duì)配電系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)、重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及設(shè)備健康狀態(tài)的預(yù)測(cè),為配電系統(tǒng)合理調(diào)配及能源數(shù)據(jù)的科學(xué)分析提供智能輔助決策[3-4],實(shí)現(xiàn)主動(dòng)性高效維護(hù),保障配電運(yùn)行更加安全、可靠,全方位地改善了傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)。
由于國家目前尚未頒布相關(guān)智能配電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范[4-5],設(shè)計(jì)人員在具體工作中無行業(yè)依據(jù),隧道項(xiàng)目智能化配置一般需要多個(gè)單體整體監(jiān)控,包括隧道、泵站、城市道路、管理站等,采用強(qiáng)弱電一體化或中低壓一體化方案,也可根據(jù)項(xiàng)目不同采用三遙或四遙監(jiān)控模式以及現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)與遠(yuǎn)端遙控相結(jié)合方式,本文通過智能配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)的對(duì)比(見表2),并綜合考慮隧道實(shí)際運(yùn)維管理的需要,給出一種智能配電系統(tǒng)的架構(gòu)方案,如圖3所示。
圖3 隧道智能配電系統(tǒng)架構(gòu)方案
表2 智能配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)功能對(duì)比
通過智能配電系統(tǒng)的上述管理,全方位改善配電系統(tǒng),可提高供電的可靠性、安全性以及高效性,實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù),提升隧道的運(yùn)營(yíng)效率和設(shè)備使用效率,提高隧道運(yùn)營(yíng)中的能源利用率。上述架構(gòu)可通過智能化的電力設(shè)備、集成化的控制系統(tǒng)與基于物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)和人工智能的有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn),如圖4所示。
圖4 智能配電系統(tǒng)三層架構(gòu)
通過調(diào)研目前主流智能配電系統(tǒng)領(lǐng)域產(chǎn)品線及其配套的軟件系統(tǒng),本隧道工程智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用了如圖5所示的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,項(xiàng)目配電室現(xiàn)場(chǎng)部署軟硬件一體的站控管理單元,便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)配電站的主動(dòng)運(yùn)維。
圖5 隧道智能配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
電氣設(shè)備應(yīng)具有鹽霧不易腐蝕的性能,在沿海地區(qū)使用過程中保障設(shè)備運(yùn)行安全、可靠。同時(shí),各類硬件可選配的功能十分豐富,設(shè)備選型以經(jīng)濟(jì)合理為基本原則,既要保證系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn),又要避免配置過高造成浪費(fèi)。隧道內(nèi)五座變電所無人值守,要求高、低壓設(shè)備互通互聯(lián)具有智能配電系統(tǒng)功能,并配有相應(yīng)數(shù)字化,監(jiān)控平臺(tái)及通信組件。隧道所應(yīng)用的配電系統(tǒng),在常規(guī)情況下系統(tǒng)中低壓配電柜配置了眾多類型的儀表,主要用來動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)掌握系統(tǒng)的變化情況。高壓開關(guān)柜選用智能型金屬鎧裝中置移開式開關(guān)柜,具有卓越的抗內(nèi)部電弧能力;低壓開關(guān)柜選用智能型金屬封閉固定分隔式;變壓器選用節(jié)能型干式變壓器。
4.2.1 P remS et屏蔽式固體絕緣開關(guān)柜
4.2.1 P IX中置式金屬鎧裝柜
該工程選用的中壓Pix系列原廠柜采用空氣絕緣,防止隧道內(nèi)高濕度變化氣候環(huán)境中產(chǎn)生凝露帶來的危險(xiǎn),在斷路器室和電纜室內(nèi)分別裝設(shè)加熱器,同時(shí)還能防止腐蝕的發(fā)生。主動(dòng)運(yùn)維智能單元PMBOX可就地顯示實(shí)時(shí)變電站設(shè)備信息,主動(dòng)運(yùn)維智能單元APP手機(jī)能直接讀取NFC預(yù)存儲(chǔ)的信息,還可支持遠(yuǎn)程運(yùn)維操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷,大大減輕人力操作時(shí)間和運(yùn)維成本。
4.2.2 Bloks et智能低壓配電柜
該工程選用滿足高可靠性要求的低壓成套設(shè)備Blokset,適用于400 Hz以下,額定電壓690 V,絕緣電壓1 000 V,額定電流6 300 A及以下的電力供配電系統(tǒng),符合IEC60439-1、IEC60529、IEC60947等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),將具有高級(jí)保護(hù)和通信功能的元件集成到設(shè)備中,能夠?qū)崿F(xiàn)電能的精準(zhǔn)測(cè)量及開關(guān)狀態(tài)的輕松捕捉,系統(tǒng)具備高水準(zhǔn)的可靠性和安全性,并加強(qiáng)了對(duì)人身和設(shè)備安全的保護(hù)。高質(zhì)量、高可靠性的產(chǎn)品保證了供電的連續(xù)性和系統(tǒng)的耐用性。
4.2.3 數(shù)字化運(yùn)維管理平臺(tái)——千里眼
千里眼是基于云計(jì)算的開放平臺(tái)工具,將智能硬件中的信息進(jìn)行安全匯集和處理,對(duì)配電設(shè)備和場(chǎng)所進(jìn)行高效易用的資產(chǎn)管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)維作業(yè)和數(shù)字服務(wù),全面實(shí)現(xiàn)低壓柜的移動(dòng)運(yùn)維功能。辦公室管理人員通過網(wǎng)頁P(yáng)C端,可以全面細(xì)致地進(jìn)行資產(chǎn)、派單管理和事件追蹤,同時(shí)還能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)單線圖看板。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員則可通過手機(jī)APP端接收工單任務(wù),定位故障位置,通過掃碼訪問,快速查看資產(chǎn)數(shù)據(jù),記錄拍照,處理留檔作業(yè),實(shí)現(xiàn)移動(dòng)運(yùn)維管理。
千里眼的資產(chǎn)管理,通過設(shè)備信息二維碼讀取,圖紙文檔云端儲(chǔ)存,信息流轉(zhuǎn)便捷高效,能提供詳細(xì)完整的臺(tái)賬信息,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示;千里眼的報(bào)警管理,通過在線監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),分析歷史數(shù)據(jù),對(duì)設(shè)備故障及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)警,并可設(shè)置區(qū)分不同等級(jí)的報(bào)警,通過短信通知接收人第一時(shí)間獲取報(bào)警信息,通過報(bào)警屬性來管理、篩選和導(dǎo)出報(bào)警信息;千里眼的運(yùn)維管理,從連接設(shè)備到與“人”的互通,實(shí)現(xiàn)管人、管車、管站點(diǎn)。制定周期性、預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃和提醒,自動(dòng)或手工生成、派發(fā)臨時(shí)的維護(hù)任務(wù)工單,對(duì)歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)照片、運(yùn)維日志、設(shè)計(jì)信息等進(jìn)行歸檔分析,執(zhí)行閉環(huán)管控;千里眼的工單管理,可將工單創(chuàng)建,工單執(zhí)行日期提前短信推送執(zhí)行人,并對(duì)工單、運(yùn)維日志、設(shè)備資產(chǎn)等報(bào)表報(bào)告定期分析,防患未然。
4.2.4 P ower S CADA Operation電力監(jiān)控系統(tǒng)
Power SCADA Operation集成了從設(shè)備層到配電網(wǎng)絡(luò)層的所有信息,通過優(yōu)化設(shè)備效率和自動(dòng)化操作控制,并結(jié)合電網(wǎng)保護(hù)、電力參數(shù)儀表和監(jiān)控平臺(tái),從而保證設(shè)備安全、可靠、高效的運(yùn)行。采用分層分布式結(jié)構(gòu),分監(jiān)控管理層、通訊接口層、現(xiàn)場(chǎng)間隔層三層,保護(hù)、測(cè)控功能不受通訊網(wǎng)絡(luò)的影響,確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。將趨勢(shì)和報(bào)警相結(jié)合,快速識(shí)別和隔離故障,減少停機(jī)時(shí)間;當(dāng)報(bào)警等事件發(fā)生時(shí),通過實(shí)時(shí)地捕獲需要監(jiān)控的關(guān)鍵信息并采取正確的決策,延長(zhǎng)設(shè)備壽命和正常運(yùn)行時(shí)間,減少人工維修時(shí)間,極大提高配電系統(tǒng)的可用性。
該工程智能配電系統(tǒng)在傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上和能源管理完美融合,通過數(shù)據(jù)通訊將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的綜合保護(hù)裝置、多功能電表、變壓器溫控器以及智能斷路器的有效信息自動(dòng)地、實(shí)時(shí)地采集到電力監(jiān)控系統(tǒng),可以提供多方位的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè),為隧道配電系統(tǒng)的運(yùn)行提供安全、可靠、高效的監(jiān)控解決方案。
通過可視化電力系統(tǒng)監(jiān)控界面,可以提供隧道10 kV變配電單線圖系統(tǒng)顯示、0.38 kV各個(gè)配電室配電單線圖系統(tǒng)顯示,并且支持動(dòng)態(tài)著色功能,區(qū)分帶電和不帶電的設(shè)備,同時(shí)還可實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各種測(cè)量值等。
當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者其他報(bào)警信號(hào)時(shí),根據(jù)事件等級(jí)進(jìn)行嚴(yán)重程度判別,發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信號(hào),自動(dòng)對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),記錄故障類型,自診斷功能根據(jù)報(bào)錯(cuò)信息確定故障部位,然后報(bào)警和閉鎖故障元件,保證其它部分正常工作,降低故障影響范圍。故障錄播功能還原故障前后的電流、電壓等參數(shù)變化情況以及開關(guān)的動(dòng)作順序,有助于運(yùn)維人員判定事件發(fā)生的順序并進(jìn)行根本原因的分析,縮短事件響應(yīng)時(shí)間和提高安全性。
能耗管理系統(tǒng)精確記錄各項(xiàng)能源消耗,將采集的能耗數(shù)據(jù)通過數(shù)字化的儀表盤進(jìn)行分項(xiàng)對(duì)比,自動(dòng)執(zhí)行同比、環(huán)比、變化趨勢(shì)、不同能耗介質(zhì)對(duì)比,統(tǒng)計(jì)能源消耗情況,并提供便于用戶觀察的圖形表現(xiàn)方式。系統(tǒng)將離散的能源信息通過有效的分級(jí)和組織,變成動(dòng)態(tài)生動(dòng)的數(shù)據(jù),將能耗分?jǐn)偦虬簇?fù)荷類型進(jìn)行分類,反映各個(gè)用能設(shè)備的用能特點(diǎn)。系統(tǒng)投運(yùn)后獲得相當(dāng)數(shù)量的數(shù)據(jù)信息后,能夠統(tǒng)計(jì)分析不同的因素對(duì)能源使用狀況的影響,從而輔助運(yùn)維單位分析預(yù)測(cè)和優(yōu)化能源使用。靈活設(shè)置與電力公司相匹配的賬單結(jié)構(gòu),通過賬單分析避免不正常的能源成本增長(zhǎng),還可預(yù)設(shè)多年的賬單結(jié)構(gòu),將能源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可追蹤的碳排放。
電能質(zhì)量監(jiān)視與分析能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)分析,能夠?qū)Π惭b在配電網(wǎng)絡(luò)中任何地點(diǎn)的電氣信號(hào)進(jìn)行精確分析以識(shí)別任何電能質(zhì)量擾動(dòng)數(shù)據(jù),進(jìn)而分析其對(duì)系統(tǒng)和相應(yīng)安裝地點(diǎn)設(shè)備產(chǎn)生的危害?,F(xiàn)場(chǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置同步的對(duì)所有的電壓電流信號(hào)進(jìn)行波形捕捉,捕捉到的波形存儲(chǔ)在裝置內(nèi)存中,并送達(dá)到操作員工作站中,便于操作員操作分析。
運(yùn)維管理系統(tǒng)主要用于向運(yùn)維人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)、資產(chǎn)管理提供決策依據(jù)。斷路器在配電系統(tǒng)中起著決定性作用,充分考慮產(chǎn)品工藝、材質(zhì)、設(shè)備運(yùn)行溫度、運(yùn)行時(shí)間、分合閘次數(shù)的相關(guān)信息,對(duì)斷路器絕緣性能、機(jī)械性能、電力性能的全方位監(jiān)控,通過建模分析,對(duì)斷路器進(jìn)行電氣老化、機(jī)械老化分析和綜合評(píng)估,并定期向運(yùn)維人員推送老化分析報(bào)告。維護(hù)計(jì)劃管理功能通過設(shè)備壽命設(shè)置預(yù)警閾值,提供維護(hù)計(jì)劃和工單管理,提供清晰準(zhǔn)確的工作日程,節(jié)省維護(hù)成本并提高電氣系統(tǒng)安全性。
為滿足新時(shí)代發(fā)展的需求,隧道在建設(shè)發(fā)展的過程中應(yīng)用了較多新型技術(shù)以及設(shè)備工藝。在此情況下研究智能配電系統(tǒng)在隧道中的應(yīng)用,確定其應(yīng)用方向以及要點(diǎn),對(duì)進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率以及降低資源損耗具有重要意義。針對(duì)特長(zhǎng)隧道智能配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究,符合隧道數(shù)字化、智慧化運(yùn)維管理需求,是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時(shí)代下的必然產(chǎn)物,系統(tǒng)建成后可向建設(shè)單位和運(yùn)維單位提供完整的智能配電系統(tǒng)解決方案。
首先,以傳感技術(shù)、無線通訊技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)打通了設(shè)備的“感官系統(tǒng)”,同時(shí)打造了從中壓到終端、母線到電源、能效到溫度的全I(xiàn)P架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備的“全局感知”。其次,從關(guān)鍵電力到分散站點(diǎn),將機(jī)器學(xué)習(xí)、智能算法、云技術(shù)與配電知識(shí)、行業(yè)經(jīng)驗(yàn)、制造和服務(wù)能力等的IOT技術(shù)融合為智慧和行動(dòng),以數(shù)字化工具打破了傳統(tǒng)模式中建設(shè)投入與運(yùn)營(yíng)投入之間的區(qū)隔。最后,無論是在配電現(xiàn)場(chǎng),還是在遠(yuǎn)程后臺(tái),資產(chǎn)隨時(shí)隨地盡在掌握,更貼合建設(shè)與運(yùn)維的日常工作軌跡以及設(shè)施管理的場(chǎng)景需求,提供高效、精確、專業(yè)地部署與運(yùn)營(yíng),打造了“精細(xì)化管理”的新高度,實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)智能化管理新升級(jí)。
該工程投運(yùn)后,將持續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤反饋,加以完善,并嘗試推廣類似的其他的重要市政、公路工程配電系統(tǒng)應(yīng)用,持續(xù)不斷地進(jìn)行研究創(chuàng)新,更好地利用新型技術(shù),從專業(yè)角度出發(fā),做好技術(shù)應(yīng)用,為實(shí)現(xiàn)市政、公路工程的平安、高效、持續(xù)健康發(fā)展提供保障,以期產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。