國網(wǎng)北京電纜公司 趙洪飛 李 光 姚林志 王 碩 熊益多 尚英強 康威通信技術(shù)股份有限公司 楊震威

高壓電纜隧道作為高壓電纜最主要的敷設(shè)方式之一得到了越來越多的應(yīng)用。通排風(fēng)系統(tǒng)是保證高壓電纜隧道內(nèi)電纜和運維人員安全的重要敷設(shè)設(shè)施。已有高壓電纜隧道的通排風(fēng)系統(tǒng)多不具備遠(yuǎn)程遙控功能，隨著高壓電纜隧道長度的增加，對高壓電纜隧道通排風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控功能的需求越來越迫切。而隨著電力電子、計算機(jī)、通信技術(shù)的快速發(fā)展以及高壓電纜隧道智能化水平的提高，使得結(jié)合高壓電纜隧道已有智能化設(shè)備實現(xiàn)其通排風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控成為可能。

高壓電纜能節(jié)省寶貴的城市地面空間，還帶來了使用安全、運維便捷等優(yōu)點，符合負(fù)荷集中、地上空間有限的城市核心區(qū)電網(wǎng)發(fā)展要求，在北京、上海等城市的主城區(qū)新建電網(wǎng)線路必須采用電纜，而對于存量現(xiàn)狀的架空線路網(wǎng)架，也在隨著城市地塊的開發(fā)逐步轉(zhuǎn)為地下電纜。

高壓電纜隧道是電纜入地最重要的敷設(shè)方式之一，能夠很方便的實現(xiàn)多回路電纜新建和切改，在特大城市或城市核心區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。高壓電纜隧道是一條基本封閉的隧道，隧道內(nèi)因積水、淤泥聚集等問題會產(chǎn)生諸如甲烷等有毒有害氣體，且電纜在供電過程中本體發(fā)熱，空氣流通不暢導(dǎo)致電纜隧道內(nèi)溫度偏高，為了降低隧道內(nèi)電纜本體運行故障率及運檢人員的風(fēng)險，通常在隧道井口、通風(fēng)亭處安裝排風(fēng)機(jī)。隨著電纜隧道工程的增多，排風(fēng)機(jī)數(shù)量巨大、分布范圍廣的特點也體現(xiàn)的越來越明顯。而現(xiàn)有電纜隧道中的風(fēng)機(jī)控制裝置多只能采取手動停啟，當(dāng)電纜本體發(fā)熱時或進(jìn)行現(xiàn)場巡檢前均需進(jìn)行有限空間通排風(fēng)，需巡檢人員去現(xiàn)場啟動風(fēng)機(jī)，花費了巡檢人員大量的時間，給電纜隧道風(fēng)機(jī)的管理帶來諸多不便。

從目前查閱的文獻(xiàn)來看，遠(yuǎn)程遙控的通風(fēng)系統(tǒng)多用于煤礦、礦山[1-3]，重點強調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的自動化與可燃易爆氣體的監(jiān)測聯(lián)動，而高壓電纜隧道相對煤礦、礦山來說通排風(fēng)通道簡單，隧道也可以看成一個通風(fēng)通道，但與煤炭、礦山不一樣，電纜隧道的通風(fēng)有非常顯著的分布式特點，隨電纜隧道路徑布置，覆蓋范圍廣。

高速公路通風(fēng)[4]、綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)[5]等市政管線通風(fēng)系統(tǒng)與高壓電纜隧道通排風(fēng)系統(tǒng)比較接近，都有分布式、離散的特點，但考慮到高壓電纜隧道整體的智能化系統(tǒng)，高壓電纜隧道的遠(yuǎn)程遙控通排風(fēng)系統(tǒng)又有自己的獨特性，可參考資料少，尚無直接可參照的成熟工程案例。因此，基于現(xiàn)有具有一定程度的智能化高壓電纜隧道，研發(fā)一整套電纜隧道風(fēng)機(jī)與管理平臺功能聯(lián)動、遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)自動起停、故障保護(hù)，對于電纜隧道環(huán)境的管理具有非常重要的意義。

1 需求分析

1.1 高壓電纜隧道現(xiàn)有系統(tǒng)

某電力公司已有電纜隧道已裝有電纜精益化系統(tǒng)，已經(jīng)實現(xiàn)對所有電纜公司產(chǎn)權(quán)下的監(jiān)控井蓋的遠(yuǎn)程控制，該系統(tǒng)通過分布式采集、控制監(jiān)控井蓋的狀態(tài)，實時對電力隧道井蓋進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，并對進(jìn)出隧道情況在上位機(jī)的電纜精益化管理平臺做全時記錄。

終端采集單元安裝于電纜隧道的電子井蓋處，通過對井蓋開關(guān)信號的采集獲取井蓋開關(guān)狀態(tài)，然后通過電力載波的形式經(jīng)通信電纜上傳至上位機(jī)平臺。同時考慮到并非所有的隧道均建有良好的供電系統(tǒng)，該井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的分布式供電也是通過低煙無鹵阻燃通信信號電纜數(shù)據(jù)交互傳輸同芯線完成，即分布式分布的井蓋子系統(tǒng)的通信和供電均通過同一根同芯線完成。而通過通排風(fēng)系統(tǒng)的通信量分析不難發(fā)現(xiàn)，通排風(fēng)系統(tǒng)的通信量也是數(shù)字信號，可以利用現(xiàn)有監(jiān)控井蓋及電纜精益化平臺實現(xiàn)通排風(fēng)的遠(yuǎn)程遙控。

現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)控制模塊通過控制模塊連接現(xiàn)場總線系統(tǒng)，用多狀態(tài)綜合主機(jī)對10km 以內(nèi)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場控制。采用數(shù)字編址式載波網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進(jìn)行編碼，并使用TCP/IP 有線網(wǎng)絡(luò)對采集數(shù)據(jù)信號和控制信號進(jìn)行傳輸。

1.2 可行性分析

通過對現(xiàn)有井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的分析可知，井蓋監(jiān)控系統(tǒng)采用具備遠(yuǎn)程載波通訊信號同芯線，采用具有共纜傳輸技術(shù)的數(shù)字編址總線式載波通信網(wǎng)絡(luò)的方式實現(xiàn)監(jiān)控井蓋的遠(yuǎn)程操控，系統(tǒng)由模塊化多功能監(jiān)控主機(jī)提供DC24V/2.4W 安全恒流饋電，通過低煙無鹵阻燃通信信號電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，即通過同芯0.5mm2線徑雙絞總線同時完成供電和通信功能。

通過分析井蓋監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)可知，該系統(tǒng)供電的供電距離不低于10公里且末端壓降小于12V。且在電纜通道內(nèi)的有線數(shù)據(jù)傳輸模塊均采用低功耗、抗干擾強的設(shè)備，每套遠(yuǎn)動終端設(shè)備的輸入電壓均為DC24V 且輸入功耗應(yīng)≤0.15W，同時每對0.5mm2線徑雙絞總線線路電流超過0.1A時，數(shù)字編址總線式載波通信網(wǎng)絡(luò)將停止對遠(yuǎn)動終端設(shè)備進(jìn)行供電。不難發(fā)現(xiàn)，井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的供電和通信系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程遙控功能，能夠被通排風(fēng)系統(tǒng)采用。

2 遠(yuǎn)程遙控通排風(fēng)系統(tǒng)

2.1 總體方案

可遠(yuǎn)程遙控風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要由四個部分組成,分別是：系統(tǒng)組網(wǎng)部分（4層有線網(wǎng)絡(luò)：終端監(jiān)測層有線網(wǎng)絡(luò)、通訊采集層有線網(wǎng)絡(luò)、子站匯集層有線網(wǎng)絡(luò)、主站控制層有線網(wǎng)絡(luò)）、系統(tǒng)通訊部分（組合一體網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)：TCP/IP 有線網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字編址式載波通信網(wǎng)絡(luò)）、系統(tǒng)供電部分（遠(yuǎn)程集中供電）及風(fēng)機(jī)控制模塊（遠(yuǎn)程控制單元）。

2.2 系統(tǒng)組網(wǎng)

為更好的結(jié)合現(xiàn)狀隧道已有的智能化系統(tǒng)，遠(yuǎn)程排風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的通訊監(jiān)測數(shù)據(jù)宜接入精益化系統(tǒng)中進(jìn)行存儲，風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制功能需經(jīng)過監(jiān)控智能運管中心授權(quán)。從結(jié)構(gòu)層次的角度可分為如下四層：

第一層是部署在北京市電力公司電纜分公司集中監(jiān)控中心內(nèi)的一級監(jiān)控中心綜合數(shù)據(jù)智能監(jiān)測管理平臺，由各種應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、打印終端、存儲設(shè)備、顯示大屏、前端控制機(jī)等軟硬件設(shè)備組成。北京市電力公司電纜分公司多狀態(tài)監(jiān)控主站系統(tǒng)早期已經(jīng)建成，此次項目所有系統(tǒng)應(yīng)能接入原有系統(tǒng)；第二層是在電纜隧道就近的變電站內(nèi)(以下簡稱站控級電纜狀態(tài)監(jiān)測子站)設(shè)置的站控級電纜狀態(tài)監(jiān)測子站，由模塊化多功能監(jiān)控主機(jī)等軟硬件設(shè)備為優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次、提高信息傳輸效率、便于系統(tǒng)組成，主要包含模塊化多功能監(jiān)控主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器、企業(yè)級路由器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)電力機(jī)柜等主控網(wǎng)絡(luò)傳輸匯集設(shè)備。

圖1 高壓電纜隧道遠(yuǎn)程遙控通排風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺

第三層是部署安裝在電纜隧道內(nèi)用以實現(xiàn)控制、控制功能的通訊采集裝置(即各種數(shù)據(jù)采集器和遠(yuǎn)程控制單元)，主要涉及環(huán)境監(jiān)測通用采集器、設(shè)備遠(yuǎn)程控制單元等設(shè)備；第四層是部署安裝在電纜隧道內(nèi)的終端監(jiān)測裝置，主要涉及氣體探測器、溫濕度傳感器、隧道風(fēng)機(jī)終端等設(shè)備，包含各種傳感器和遠(yuǎn)程控制動作機(jī)構(gòu)，屬于系統(tǒng)的最底層。

2.3 通信方式

井蓋監(jiān)控系統(tǒng)具有分布式的特點，其通訊傳輸采用TCP/IP 有線網(wǎng)絡(luò)+現(xiàn)場工業(yè)控制總線+以太網(wǎng)總線相結(jié)合一體網(wǎng)絡(luò)通訊形式，以滿足井蓋監(jiān)控、隧道通排風(fēng)監(jiān)控的，遠(yuǎn)程操控、集中顯示、事件記錄等管理目標(biāo)。

主要包含：TCP/IP 有線網(wǎng)絡(luò)。以TCP/IP 以太網(wǎng)接口的通信方式、采用IEC 標(biāo)準(zhǔn)通訊規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信帶寬不應(yīng)低于2M。即介于北京市電力公司電纜狀態(tài)監(jiān)控主站系統(tǒng)與站控級電纜狀態(tài)監(jiān)測子站之間，通過北京市電力公司現(xiàn)有的市調(diào)通信網(wǎng)或綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)；現(xiàn)場工業(yè)控制總線。用于系統(tǒng)通訊傳輸，通信速率約為1200bps，有效信號傳輸及遠(yuǎn)程集中供電距離為半徑10公里且每對同芯線對通信鏈路通過一對0.5mm2雙絞線總線。即通過低煙無鹵阻燃通信信號電纜，組建具備遠(yuǎn)程供電和載波通訊信號同芯線對共纜傳輸技術(shù)的現(xiàn)場工業(yè)控制總線。

2.4 供電方式

常規(guī)通風(fēng)、照明、排水等多采用從變電站站用電380V 系統(tǒng)引接電源搭建供電系統(tǒng)，但老舊隧道內(nèi)往外無380V 供電箱，且供電需從變電站取，長距離供電電壓衰減嚴(yán)重。為了提高本文所提系統(tǒng)的通用性，本系統(tǒng)采用DC48V 遠(yuǎn)程集中供電方式，所需工作電源應(yīng)由站控級電纜狀態(tài)監(jiān)測子站多狀態(tài)監(jiān)測屏機(jī)柜內(nèi)的監(jiān)控主機(jī)通過低煙無鹵阻燃通信電纜遠(yuǎn)程集中供給，且有效信號傳輸及遠(yuǎn)程集中供電距離應(yīng)以監(jiān)控主機(jī)為中心半徑不小于10公里。

每對雙絞線總線（通信鏈路占用多狀態(tài)監(jiān)控主機(jī)的1個用戶端口)可復(fù)接16套風(fēng)機(jī)監(jiān)控終端，由于遠(yuǎn)端現(xiàn)場監(jiān)測單元（風(fēng)機(jī)監(jiān)控終端）采用硬件高度集成化及超低功耗設(shè)計，因此在電纜通道監(jiān)控現(xiàn)場不需要外接交流220V 電源。同時用于遠(yuǎn)程集中供電和信號傳輸?shù)男?shù)低煙無鹵阻燃通信電纜，采用低煙無鹵阻燃護(hù)套，接頭有完善成熟的保護(hù)方式，充油封包、防水防塵，具備在隧道、管井等惡劣場合下運行性能。

同時對于變電站和監(jiān)控中心的上位機(jī)主設(shè)備，由于其不同于隧道采集設(shè)備的分布式，具有相對集中的特點，本系統(tǒng)采用就近接入變電站或監(jiān)控中心的AC380/220V 電源系統(tǒng)的方式，而眾所周知，變電站和監(jiān)控中心的電源都有完善的繼電保護(hù)，整個供電系統(tǒng)的可靠性很高，供電無技術(shù)難度。

2.5 用戶界面及效益分析

基于已有的精益化平臺，研發(fā)了更便于用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測和操控的用戶界面以及事件記錄界面。2010年1月～2019年12月有限空間作業(yè)事故原因類型統(tǒng)計如下：事故總次數(shù)132次，其中：有毒有害氣體超標(biāo)81次，所占百分比61%、累計百分比61%；缺氧窒息超標(biāo)47次，所占百分比36%、累計百分比97%；燃爆事故超標(biāo)4次，所占百分比3%、累計百分比100%；墜落、溺水、物體打擊、電擊等超標(biāo)0次，所占百分比0、累計百分比100%。由此可知，有毒有害氣體導(dǎo)致全部的有限空間事故的發(fā)生。本文所介紹的具備遠(yuǎn)程遙控功能的通排風(fēng)設(shè)備可以隨時隨地對電力隧道進(jìn)行通排風(fēng)，減少隧道內(nèi)有毒有害氣體的堆積，降低事故率。并且減少電力隧道內(nèi)工作前的等待時間，提升電纜運維精益化水平。

經(jīng)過計經(jīng)核算，本遠(yuǎn)程遙控功能的通排風(fēng)系統(tǒng)總計花費2.7688萬元，與現(xiàn)有電纜精益化平臺進(jìn)行對接，可以實現(xiàn)電力隧道全部通排風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，相較于重新建造可聯(lián)動電纜隧道通排風(fēng)系統(tǒng)要節(jié)約數(shù)百萬元，可以在較短時間內(nèi)投入使用，普及應(yīng)用更容易。

綜上，高壓電纜隧道通排風(fēng)系統(tǒng)直接關(guān)系到高壓電纜隧道內(nèi)電纜載流量和運維人員有限空間作業(yè)的安全性，目前已有的通排風(fēng)系統(tǒng)多不具備遠(yuǎn)程操控功能，本文結(jié)合某電力公司高壓電纜隧道內(nèi)已有的綜合監(jiān)控平臺，提出了高壓電纜隧道遠(yuǎn)程遙控通排風(fēng)系統(tǒng)，該方案能夠充分利用已有運維系統(tǒng)，僅通過少量的工程改造，即可實現(xiàn)高壓電纜隧道通排風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控，具有非常好的經(jīng)濟(jì)效益和可推廣價值。