人工智能高压电缆隧道建设研究

秦亚杰，华旭昀，邓 鹏, 翟超超，王 悦

(国网江苏省电力公司南京供电公司，江苏 南京 210000)

0 引言

电缆隧道是承载输电电缆的重要通道，人工智能高压电缆建设有助于推动电缆的专业化发展，提升电缆及通道的本质安全和智能运检水平，充分挖掘潜能，注重实用实效，以提高输电网效能、提升智能运维效率、创建多场景联动式生产平台、深化能源互联网改革为研究目标。

1 高压电网建设进展

按照国网公司“感知层-网络层-平台层-应用层”的设计架构，建立了高压电缆专业的物联网体系，并对各层设备及系统进行了具体部署。

(1) 感知层。按所处空间位置设备可分为两类。

① 隧道内感知终端，包括局放、电流等设备状态感知终端，以及温度、烟感等通道环境感知终端，各终端设备按功能分别接入相应的专业系统，并由隧道边缘计算中心进行统一管理和控制。

② 非隧道内感知终端，包括地面上使用的人员移动作业终端、监控相机及智能井盖等设备，部分智能井盖可作为节点设备汇集地下沟管内的感知终端信号，解决非隧道类电缆通道中的感知数据采集难题。

(2) 网络层。包括光纤网络、无线专网和APN专网。地上感知设备与移动作业终端由无线专网或APN 专网接入公司内网；隧道内的感知信号先汇聚至边缘计算中心，再由该中心通过光纤信道就近接入变电站内的路由端口。

(3) 平台层。包括设备数据、运维数据、感知数据3 个模块组。

① 设备数据模块组，主要用于管理基础台账、通道地理信息和生产准备记录。

② 运维数据模块组，主要用于管理巡视、缺陷、带电检测等运维业务数据。

③ 感知数据模块组，主要用于在线监测设备台账管理、告警数据筛选与分析以及边缘系统运行情况等。

(4) 应用层。主要涉及基于台账、运维、感知3 类基础数据的高级决策辅助功能，包括电缆线路可靠性评价、通道运行风险评价、设备老化趋势分析、应急处置辅助决策等功能，指导运维人员开展高压电缆运维检修工作。

2 智慧电缆线路建设重点

2.1 提升线路一次设备的本质安全水平

(1) 编制运维工作预案。对所有高压电缆线路和通道开展设备定级、状态评价与风险评估工作，并根据评估结果编制一线一运规、一线一检规，为每条线路量身定制巡视计划、红外测温、局放等带电检测项目执行计划及周期性试验计划，制定常见缺陷隐患处理方案、故障应急抢修方案与防外力破坏保护方案，为运维人员提供切实可行的指导。

(2) 保障隧道内安全作业措施。考虑到高压电缆隧道内部环境的特殊性，在隧道内的适当位置添置应急救援箱，箱内存放防毒面具、正压式呼吸器等装备，并指定专人维护；同时在分叉路口、阶梯和人井处挂设逃生路线导引牌，以保障隧道内作业人员的人身安全。

2.2 提升智能感知设备的本质安全水平

参考一次设备的运维管理方法，加强对在线监测设备及智能感知系统设计、建设、验收与运维工作的管理。

(1) 成立智能设备专业化运维团队。在电缆运维部门配备智能设备管理专员，并组建专业运维队伍，负责各类监控装置、电源设备、服务器等设施的定期检查、维护和修理工作。

(2) 开展隧道环境综合整治。通过改造隧道内的排水和通风设施，降低隧道内空气湿度，减少灰尘堆积，以保证智能设备处于良好运行环境。

(3) 加强智能设备设计、建设与验收监管。电缆运维部门参考电缆一次设备工程的管理模式，主动参与智慧电缆线路建设项目可研与设计工作，结合专业需求及时向供应商提出优化建议，以保证系统建设方案的实用性与合理性。同时，组织编制《电力电缆隧道在线监控安装及验收指导意见》，对新投智能设备进行资料验收、现场盘点和功能验收。

① 资料验收内容包括设备台账、供电与通信系统组网方式资料和设备操作指导材料。

② 现场盘点要求现场智能设备的类型、数量与台账一致，且应配备标准化名称牌，注明智能设备的运维管理方法，以方便巡视人员定期检查智能设备的工作情况。

③ 功能验收要求所有感知数据均能接入隧道边缘计算中心，且能与电缆精益化管理平台进行告警信息与操作指令的交互。

在上述3 项验收全部通过之后，建设部门才能将智能设备正式交付给电缆运维部门使用。通过近一年的规范化管理，2019 年新投的监测设备基本做到了资料明晰、功能实用、运行可靠。

(4) 加强智能设备信息安全监督。所有无线传输装置均按国网要求配置数据加密卡，沟管通道的智能井盖通过APN 物联网数据中控台接入内网；隧道内监控系统入网端口处增设硬件防火墙；人员手持单兵、机器人等入网端口处加设无线网关。同时，组织项目建设人员接受网络安全培训，防止智能设备在建设与使用过程中发生违规外联、黑客攻击等网络安全事件。

3 全状态感知能力提升改造

对照智慧电缆线路建设标准，对某电缆隧道已有的视频、测温和环境监测系统进行升级改造，并实现应急通讯、消防控制、机器人巡检等34 项新功能，全面实现了通道环境深度感知、电缆状态多维感知与诊断、隧道智能消防控制、隧道人员管理与应急指挥等多项应用场景中的设备联动功能，主要涉及以下专业设备和系统。

3.1 电缆接地环流感知装置

单芯电缆的护层接地系统受损后会造成金属护层环流过高，继而引发电缆过热，甚至发生绝缘击穿事故。可通过电缆接地环流感知装置监测护层环流，诊断电缆早期绝缘缺陷和事故隐患，控制突发性绝缘事故，保障电缆设备安全、可靠运行。该装置已实现以下主要功能。

(1) 环流感知。每套感知装置都设有钳形线圈和电流信号采集器，可分别监测各相金属护层的环流数值，数据传输至环流监测主机后，可以数据表或曲线图的形式进行展示。

(2) 数据分析。可基于历史数据进行环流趋势分析，识别环流突变、三相不平衡等危险征兆。

(3) 报警功能。可在电流超过阈值时发出报警。

3.2 电缆接头局放感知装置

电缆设备内的局部放电现象与附件安装质量密切相关，若附件制作工艺不良，其引起的异常局放会加速绝缘材质老化，引发击穿故障。局放监测装置的主要作用是采集局放指标数值，即感应电压，mV。接头处装有高频局部放电传感器，可实时采集接头内部局部放电时产生的电磁信号；采集处理单元对信号进行放大、滤波和AD 转换，转化为数字信号，并传至局放监测系统处理。电缆接头局放监测系统具有以下功能。

(1) 数据统计。可查询、统计每组被测接头的历史放电量、放电相位、放电次数等数据。

(2) 趋势分析。可根据数据形成二维、三维放电谱图及相应趋势图。

(3) 预警分析。可根据趋势识别异常局放现象，提供故障预警。

3.3 电缆接头与隧道温度感知装置

通道全程敷设环境测温光纤和缠绕在电缆表面的测温光纤，可对隧道内12 个消防控制分区的环境温度和全线24 组接头的表面温度进行实时感知。当监控范围内出现高于40 ℃的热区时，测温系统能够及早发现火灾隐患并关闭过热区域两端的防火门，同时将报警信号实时发送至电缆运行监控中心。运维人员可在中心监控屏幕上浏览通道内各段分区及各组电缆接头的温度变化情况。

此外，系统还具备电缆载流量分析和故障自检功能，可利用载流量分析软件对电缆的载流能力进行分析和预测。当光缆发生断裂或信号衰减过大时，可指示出断点的具体位置。

3.4 有毒有害气体与温湿度感知装置

根据Q/GDW 11455—2015《电力电缆及通道在线监测装置技术规范》的要求，该隧道内装有13 组有害气体监测器，可感知隧道内温度、湿度，以及CO，CH4，O2，H2S 等气体的浓度，感知覆盖率达100 %。当监测到隧道内缺氧或有害气体超标时，可向边缘计算中心发送告警，由中心调度通风系统的6 台风机进行鼓风，并向作业人员手持终端及隧道入口处的电子显示屏推送安全告警信息，避免火灾、中毒、窒息等事故的发生，保障地下隧道内作业人员的人身安全。

3.5 水位信号感知装置

该隧道内设有集水井12 处，每处均配有液位监测装置。当积水溢出(水位超过警戒值)时，液位计可直接启动水泵抽水直至水位恢复到警戒值以下。水位信号和水泵状态皆可传达至边缘计算中心，水泵在必要时可由中心统一调度，或实施人工远程操控。

3.6 风机监控

隧道的工井内设有大功率风机，可由边缘计算中心根据隧道内的实时环境情况向风机下达控制指令。当测温光纤发出火灾报警时，向风机下达关停指令；当氧气不足或有害气体超标时，向风机下达启动指令，待气体含量恢复正常后下达关停指令。

3.7 智能井盖

线路沟管通道段配置了智能井盖，除授权开启、位移异常、倾角异常报警等标准配置功能外，通过井盖下方的低功耗“多合一”传感器，可实现对井下水位、气体、烟感、振动、井盖位移等状态量的综合性监测功能。

3.8 隧道边缘计算中心

边缘计算中心是一个可实现多层级边缘代理功能构架的智能管控平台。该平台在架构上彻底消除了原先“终端-子站-主站”三层式传统监控系统低智能化、高依赖性的弊端，建立了“感知终端-区域边缘-通道边缘中心”的新型架构。

新架构将智能感知设备按通道地段、功能类型和传输方式划分为多个控制单元，如隧道内烟感、温感、水泵、防火门等设备按区域组成多个环境控制单元，地表可视化监控与智能井盖组成地表设备控制单元等。

每个控制单元配备一台区域边缘代理装置，该装置对下可就地响应感知数据并调度防火门等相应的控制设备，对上可与边缘计算中心进行数据交互，并接受中心下达的控制指令。边缘计算中心负责汇聚各个区域边缘装置发送的数据，根据不同场景的需要，综合调度各区域的智能设备，同时与电缆运行监控中心进行数据交互，并接受监控中心下达的控制指令。

4 结论

(1) 通过采用这种新型玻璃盾壳防水设计，结合智能化设备，有效解决了隧道渗水问题。

(2) 利用电缆隧道与设备状态全感知技术，可及时掌控地下环境与设备异常情况，节约人力与物力成本，有效降低安全风险，提升人员运维效率，提高供电可靠性。

(3) 利用感知数据智能分析模型，在打造数据分析标准化、智能化、多维化的同时，可深度挖掘数据资源价值，强化辅助决策功能，提升地下电缆通道精益化管理水平。

(4) 利用人机协同快速联动机制，可提升地下电缆隧道空间环境风险应对与应急处置能力。