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配電監控系統在綜合管廊智能互聯運營中的應用

更新時間：2024-02-02

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摘要：分析地下綜合管廊智能互聯運營監控系統的需求，構建智能互聯監控系統架構，包括環境與設備監控系統、安全監控系統、通信系統和智慧管廊綜合監控平臺四個子系統，為綜合管廊智能化管理提供參考。

關鍵詞：地下綜合管廊；智能互聯；運營監控系統；BIM；物聯網

1 引言

近年來，地下綜合管廊已成為建設現代化“綠色城市"、“智慧城市"的重要環節。在綜合管廊運營過程中，由于管廊位于地下呈封閉性，不確定因素較多，受工程地質和水文條件影響較大，且內部管線種類多、密度較高、口部設計復雜、維修費用高等，傳統的人工運營管理常出現安全隱患多、檢修不及時等問題，因此借助BIM、物聯網等信息化技術構建城市地下綜合管廊智能互聯運營監控系統，對實現管廊運營安全智能預警，及時排除運營風險，提升運營管理效率意義重大。目前將BIM、物聯網、機器人等技術應用到管廊運維階段的研究已較多，但管廊整體的智能互聯運營體系架構還不完善。如何將管理與環境、設備、產品等通過互聯網數據互聯，使彼此能夠互相感知，實現智能化運營管理體系已十分迫切。所以構建管廊智能互聯運營管理體系架構，對實現管廊智能化運營管理有著重要促進作用。

2 城市地下綜合管廊運營監控系統的需求分析

為實現綜合管廊運營過程中的信息融合與安全監控預警，需分析綜合管廊建設安全監控系統的需求。

（1）服務對象。根據管廊運營單位管理需求，建立智能監控系統，實現狀態監控、事故預防與控制優化等。

（2）功能要求。綜合管廊智能互聯監控系統應以信息系統為核心，通過傳感器采集管廊運營數據，并通過互聯網的運程操作、計算及通信等，將數字化信息與管廊環境、設備、安全等運營實體關聯，實現傳感器、智能控制面板、通信系統和終端接收系統的互聯互通，*終達到管廊自我感知、自我診斷、自我控制及自我優化的智能化運營管理體系，更好地服務于運營單位。

（3）數據需求。為確保監控狀態的及時、準確、有效，須在廊體內部安裝不同功能的傳感器進行數據的收集，并能及時傳送到監控系統進行分析、預警，從而實現動態智能監測。數據主要包括基礎數據和監控數據，前者為管廊內部的結構、設備、管線等基礎數據，后者為廊體內設置的各傳感器所監測、采集、分析的數據。

（4）非功能性需求。在管廊運營階段，系統在信息搜集、分析、處理，安全隱患排查及風險預警執行過程中，硬件和軟件應保證在運行過程中抵抗異常情況的干擾及保證系統正常工作的可靠性能力。為此，系統應具有可擴展性和二次開發性，保證先進性和持續性，以及良好的接口以保證系統數據不丟失從而維持正常的運作。此外，系統中信息編碼、采集、信息通信要具備一致性，設計規范應完整、標準，保證輸出成果能與其他系統相兼容或不同數據格式的轉換，實現系統間的數據共享。

3 地下綜合管廊智能互聯監控系統架構設計

智慧管廊智能互聯監控系統采用分層設計、統一架構、標準協議、協同管理的整體技術構架。系統包括：

（1）感知層：通過傳感器采集整個管廊氣體、溫濕度、水位、電力、通信數據，實現對整個管廊運行狀態的感知，通過風機、水泵、配電、照明、消防實現整個管廊的安全運行。

（2）接入層：提供統一的設備接入服務，提供多種通信終端產品及接入方案，采用統一的數據采集及控制接口模型，支持各種工業通信協議，可實現對各類環境傳感器和通風、配電、燃氣及排水設備的快速接入。

（3）傳輸層：采用有線及無線通信網絡，分布式消息中間件，實現安全可靠的雙向數據交互，確保各類感知數據的實時采集以及遠程控制命令實時到達和執行，并能連接大數據服務平臺。

（4）數據層：由消息中間件、數據緩存服務、數據分析服務、實時數據流服務、NoSQL數據庫平臺，依托數據庫集群、云計算及大數據技術，構建智慧管廊大數據處理系統。提供從終端到頭端、從設備到業務、從數據到運營決策的全業務、全數據、全覆蓋的整體解決方案。

（5）展示層：依托GIS、GPS、BIM技術、三維展示技術、虛擬顯示技術以及移動互聯網技術為智慧管廊運營單位提供多方位的應用服務，實現環境及設備監控、安全防范管理、運行維護管理以及數據統計及效能分析。

4 地下綜合管廊運營監控系統功能結構

依據設計原則，通過調研管理現狀，了解亟待解決的問題，提出綜合管廊智慧運維監管系統應包含四個子系統：環境與設備監控系統、安全監控系統、通信系統以及智慧管廊綜合監控平臺。該系統要實現的功能模塊，如圖1所示。

4.1 環境與設備監控系統

（1）環境監測

環境監控功能需實現對綜合管廊全域環境參數實施全程監控，將實時監控信息通過數據采集裝置及時傳輸綜合監控平臺，便于管理人員及時發現現場環境問題，排除環境異常及對警情的及時處理，保證管廊正常運行。監測的主要環境參數有：溫度、濕度、水位、氧含量、硫化氫濃度、甲烷濃度。

（2）設備監控

設備監控功能需實現對管廊的通風系統設備、排水系統設備、供電系統設備、照明系統設備以及配套的采集、控制設備狀態監控；實現對故障設備的實時警告。同時根據運行要求對這些設備的運行發出相應的指令進行動態調整，如防火分區內照明開關的分合控制等。

（3）報警管理

管廊內出現異常情況時，報警并自動進行異常處理。報警管理功能要求閾值設置，與PLC（ProgrammableLogic Controller）通訊，將不同類型報警閾值寫入PLC中，并實時顯示當前報警，當發生報警時，自動彈出報警界面，顯示報警位置、報警設備、報警原因、報警時間、實時曲線、當前采取的措施等。同時系統應發出報警聲提示用戶，并在界面上循環滾動報警信息。當有多個報警同時發生時，可切換查看各報警的詳細信息。此外，報警應有延時性，即當采集值持續超出閾值一定時間后，比如2s，才認為是有效報警，避免僅瞬間超閾值而造成頻繁報警。

（4）聯動功能

為了提高運營效率，綜合監控系統應匯集各設備系統的信息，實現信息互通和聯動，保證對管廊運營安全快速及時做出反應，縮短安全救援時間、減少安全事故損失。例如檢修管理功能，可在檢修情況下，通過迅速啟動環境與設備監控系統通風模式進入檢修狀態。

4.2 安全監控系統

安全監控系統由視頻監控系統、入侵報警系統、出入口門禁系統、電子巡查系統等組成。

（1）視頻監控系統

該系統可為運營管理人員提供監控區域圖像、視頻等視覺信息，并與視頻聯動報警功能相配合，對管廊安全運營輔助管理。視頻監控系統由攝像機、視頻管理服務器、磁盤陣列、監控運維中心軟件視頻管理模塊等組成。系統采用網絡信號傳輸方式，共用主干網絡，實現統一的視頻信號存儲、顯示和遠程調用等功能。

（2）入侵報警系統

入侵報警系統主要由紅外雙鑒探測器、聲光報警器、入侵報警控制服務器和智慧管理平臺入侵報警系統等部分組成。紅外雙鑒探測器是將兩種探測技術結合觸發報警，可降低單種探測技術對射系統的誤報率。其在通風口、人員出入口等易于從外部入侵的位置設置，通過硬線接入就近分區控制系統，信號通過主干網絡上傳監控平臺。當有外部人員進入時，綜合監控平臺上將顯示有入侵的相應區間位置圖像閃爍，并產生報警信號，同時調取附近攝像機畫面到平臺顯示。

（3）出入口門禁系統

管廊出入口門禁控制系統是建設一個以中央管理系統為中心，以智能IC卡為載體，以進出權限為基礎，連接并實時對管廊重要風險區域的安全管控。通過ACU將數據實時傳送到位于控制中心的安保工作站，安保工作站顯示相應區間視頻畫面，并產生語音報警。

（4）電子巡檢系統

電子巡檢系統主要通過管廊內部設置的無線傳感器等設備進行系統數據信息的采集，并通過無線網絡或局域網等傳輸到系統數據庫進行數據的編碼、分析與管理，并與環境、設備等業務管理系統互聯，*后將系統信息、業務統計分析結果等發布和顯示在綜合監控平臺。

4.3 通信系統

通信系統由有線傳輸網絡系統、固定語音通信系統、無線對講系統等組成。

（1）有線傳輸網絡系統：是綜合管廊現場控制單元（PLC系統）、網絡攝像頭、門禁系統等與監控平臺間的快速、安全、可靠的數據通道。

（2）固定語音通信系統：由光纖電話主機、電話分機、監控中心光纖電話系統服務器等部分組成。為管理人員提供實時語音通信功能，同時可兼做消防電話。

（3）無線對講系統：在管廊控制室建立，通過數字常規信道機、光近端機將信號送入管廊內，在管廊內相應位置放置光纖遠端機，輸出信號通過漏泄同軸電纜進行覆蓋。實現監控中心與無線對講機的通信，手持終端可在管廊內，亦可在綜合管廊監控平臺附近通信。

4.4 智慧管廊綜合監控平臺

綜合監控平臺是整個管廊智能運營管理的中心，能提供各分子系統的信息互通和共享，為管廊智能化管理提供軟件后臺，并能在各種情況下準確、可靠、迅捷地做出反應，及時處理，為對外系統聯接提供通信平臺，以達到實時監控的目的。所以管廊綜合監控平臺應包含監測顯示、控制、優化的功能。

（1）監測顯示。通過設置在管廊內部的各種傳感器進行數據搜集與分析，對運營環境、設備、安全等各方面進行監測，并將監測數據與設定的標準、變化率等范圍偏差以及管廊運營狀態顯示在監控平臺上。如出現運營異常，系統會自動報警并做出應急措施。

（2）智能控制。在監控系統內植入命令和算法，可以讓系統對綜合管廊內部運營環境、設備及其他條件的特定變化做出反應，從而進行遠程智能控制。

（3）系統優化。對系統管廊內的報警數據或歷史記錄進行分析、歸類，并通過訓練深度學習神經網絡，實現異常情況智能預警功能，從而大幅提高管廊的使用性能。

5 AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

5.1平臺概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環境監測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網絡、系統架構、聯動控制和綜合數據服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內部干擾性強、使用單位多及協調復雜的根本問題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環境和設備的使用和恢復效率。

5.2平臺組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統是一個深度集成的自動化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監控、統一管理、統一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

5.3平臺拓撲

5.4平臺子系統

5.4.1電力監控

電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

5.4.2環境監測

環境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內的水泵和通風排煙風機等設備集成的第三方系統完成管廊環境綜合監控。

5.4.3電氣安全

AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門狀態傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

5.5相關平臺部署硬件選型清單

5.5.1電力監控及配電室環境監控系統

應用場合（10KV）		產品	型號	功能
	10KV進/饋線		AM6-L	相間電流速斷保護，相間限電流速斷保護（可帶低壓閉鎖），相間過電流保護（可帶低壓閉鎖），兩段式零序過流保護，反時限相間過流保護（可帶低壓閉鎖），零序反時限過流保護，過負荷保護，控制回路異常告警。
	10/0.4KV變壓器		AML-S	分合閘位置、手車工作/試驗位置、接地刀閘位置、硬接點信號(保護跳閘、裝置告警、控制回路斷線、裝置異常、未儲能、事故總等)、報文(過流、過負荷、超溫報警、過溫報警、裝置告警、PT 斷線、CT 斷線、對時異常等) 、遙控開關、故障波形分析(故障錄波、故障波形、故障記錄、跳閘、故障電流電壓)等。
	智能操控裝置		ASD500	一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動溫濕度控制及顯示（標配一路強制加熱）、遠方/就地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應、柜內照明控制、RS485接口、高壓柜內電氣接點無線測溫。
	10KV計量		PZ72L- E4/UT	該儀表采用交流采樣技術，能分別測量電網中的電流、電壓、功率、功率因數和電能等參數，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協議;也可將電量信號轉換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關量輸入/輸出，繼電器報警輸出等功能。具有許昌開普研究院有限公司、國家繼電保護及自動化設備質量監督檢驗中心檢測合格的型式檢驗報告證書和電磁兼容檢驗證書，產品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監控系統中對相關產品功能、防護等級及電磁兼容的要求。
應用場合（0.4KV）		產品	型號	功能
	0.4KV進/出線		PZ72L- E4/UT	該儀表采用交流采樣技術，能分別測量電網中的電流、電壓、功率、功率因數和電能等參數，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協議;也可將電量信號轉換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關量輸入/輸出，繼電器報警輸出等功能。具有許昌開普研究院有限公司、國家繼電保護及自動化設備質量監督檢驗中心檢測合格的型式檢驗報告證書和電磁兼容檢驗證書，產品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監控系統中對相關產品功能、防護等級及電磁兼容的要求。
	無功補償		ARC	測量I、U、Hz、cosΦ，具備過電壓保護、欠流鎖定、電網諧波過大保護功能,可控制電容器的投切，RS485/Modbus協議
			ANSVC	ANSVC低壓無功功率補償裝置并聯在整個供電系統中，能根據電網中負載功率因數的變化通過控制器控制電力電容器投切進行補償,無功功率補償裝置采用散件組成方案，主要以電容電抗、投切開關、控制器等組成。
			ANSVG	補償方式:線性補償，全響應時間<5ms，瞬時響應時間≤100us;補償效果:≥0.99，可補償容性無功和感性無功，濾除5、7、9、11、13次以內的諧波;自身損耗:≤2%，效率:>98%;監控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過PC機實時監控;具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統和本體的實時電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也可以本控;標準模塊化設計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。
	溫濕度控制器		WHD72- 11/UT	智能型溫濕度控制器以數碼管方式顯示溫濕度值，有加熱器、傳感器故障指示、變送功能、帶有RS485通訊接口可供遠程監控，用戶可通過按鍵編程自行設定系統參數。該儀表集測量、顯示、控制及通訊于一體，精度高、測量范圍寬，是一種適合于各個行業和領域的溫濕度測量控制儀表。具有許昌開普研究院有限公司、國家繼電保護及自動化設備質量監督檢驗中心檢測合格的型式檢驗報告證書和電磁兼容檢驗證書，產品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監控系統中對相關產品功能、防護等級及電磁兼容的要求。
智能網關			Anet系列	8個RS485串口 2kV隔離， 2個以太網接口，支持Modbus RTU、IEC-60870-5-101/103/ 104、CJ/T188、DL/T645等通訊協議設備的接入，支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC-60870-5 -104等上傳協議、支持多中心不同數據服務要求，支持斷點續傳，裝置電源:220V AC/DC。
應用場合（配電室）		產品	型號	功能
環境監測	溫濕度		/	用于配電房溫度和濕度。工作電源：AC/DC 85～265V 工作溫度：-40.0℃～99.9℃ 工作濕度：0%RH～99%RH
	煙霧		/	光電式煙霧傳感; 電源正極（DC 12V）：+12V，繼電器輸出：常開觸點
	水侵		/	接觸式水浸傳感器，監測變電所、電纜溝、控制室等場所積水情況，工作電源：DC 10-30V 工作溫度：-20℃~+60℃ 工作濕度：0%RH~80%RH 響應時間：1s 繼電器輸出：常開觸點
	局方檢測		/	監測變壓器、開關、開關柜的局部放電
	門禁		/	常開型；感應距離：30-50mm 材質：鋅合金，銀灰色電度干接點輸出
	攝像機		/	視頻監控
	開關量模塊		ARTU-KJ8	8路開關量輸入,8路繼電器輸出
智能網關			ANet-2E4SM	4路RS485 串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC 12 V ～36 V 。支持4G擴展模塊，485擴展模塊,可擴展16路。