GIL形變在線監(jiān)測

存在問題和建設(shè)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(shè)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(shè)計方案、統(tǒng)一基本建設(shè)和管理方法，是確保城市運作的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(shè)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(shè)問題，通過合理設(shè)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(shè)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(shè),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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備繁雜，不管管廊本體出現(xiàn)常異常，還是本身附設(shè)機器設(shè)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(shè)，實現(xiàn)實現(xiàn)輔助監(jiān)控系統(tǒng)、GIL管廊本體及附屬設(shè)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(shè)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(shè)，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(shè)定監(jiān)控電子計算機、管理電子計算機、網(wǎng)絡(luò)服務器、通訊電子計算機和智能化系統(tǒng)模擬屏等機器設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備規(guī)范化模板設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備、異常設(shè)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(shè)光纖的情況下，可以采用 4G 網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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。