GIL在线监测

存在问题和建设意义

综合管廊，便是地下城市管道综合走廊。即在城市地下修建一个管廊空间，将电力工程、通信，天然气、供暖、给水排水等多种工程管线集于一体，设立专业的检修孔、起吊口和检测系统，执行统一规划、统一设计方案、统一基本建设和管理方法，是确保城市运作的关键基础设施建设和“命运线”,而提升综合管廊的智能化系统和信息化管理能力，可大大的缓解管廊的运维管理工作压力和延长管廊机器设备的生命期。

GIL管廊是综合管廊应用于电力行业不断深化、专业化的体现形式，其安全性、稳定性显得尤为重要。作为一种新型的输电方式，GIL具有输电容量大、损耗低、占地少、布置灵活、可靠性高、安全防护性好、免维护、寿命长、与环境相互影响小等优点。采用GIL可解决特殊环境或特殊地段的输电线路架设问题，通过合理设计，不但可以大大降低系统造价，而且也能提高系统的可靠性。如采用隧道（以下简称管廊）中铺设气体绝缘金属封闭输电线路（Gas Insulated metal enclosed Transmission Line，以下简称GIL）穿过江河、城市重要交通及建筑体，对于提高区域电网接纳能力、提升电网安全稳定水平、满足经济社会发展用电需要，具有重要意义。

近几年来,我国GIL管廊大规模地建设,管廊内管线较多,运维管理一直是个难题,尤其是距离较长的GIL管廊该问题更加突出。由此对已经建成的综合管廊进行了研究和调研,主要体现以下几个方面：

2.1 GIL管廊中各个系统数据独立存在，未能达到统一综合监控的目的，缺乏环境监控、设备监控、安防监控、视频监控、人工智能等数字化监控手段。

2.2 运维人员仍需从事大量的设备巡视、定期查验、数据录入等简单重复劳动，劳动效率低下，且难以做到“时空” 方面的全面性、准确性、科学性，不能做到提前预警、主动消缺。

2.3 现有GIL管廊评价诊断能力不强，数据利用和分析不够。大量数据上传后，缺乏对数据的自动分析功能，难以实现管廊内环境、安全、状态等自动评价、联动控制、及时预警与工单派送，不能进行多方面数据的综合评估，对不同GIL管廊的差异化巡视管理、检修策略的科学制定支撑力度不够。

另外管廊内主要GIL设备、电缆本地及本身功能使用的驱动力、照明灯具、排水管道等设备繁杂，不管管廊本体出现常异常，还是本身附设机器设备出现故障，都将导致沿线辐射城市功能的瘫痪，因而提高GIL综合管廊的智能化系统和信息化管理水准实际意义重大，“GIL智慧管廊”定义的明确提出和运用应运而生。通过GIL智慧管廊系统平台建设，实现实现辅助监控系统、GIL管廊本体及附属设施统一监控和管理，将监测信息深度融合、智能识别，达到设备诊断过程自动化，提高故障缺陷分析处理效率，提升GIL智慧管廊系统安全运行水平、降低人力巡视检查工作量，实现差异化、精准化的运维检修管理

系统简介

GIL在线监测是管廊运行维护的核心控制系统，主要包括：GIL智慧管廊监控运维平台、GIL本体监测系统、隧道健康监测系统、智能巡检机器人系统、智能环境监控系统、人员定位系统、信号覆盖系统、应急通讯系统、GIL管廊低压交流监测、视频监控系统、防火门禁系统、火灾告警系统、环境监测系统等。

通过建立GIL智慧管廊综合监控系统，能够实现现场数据采集、集成、协同巡视、集中管控，完成对监测、监控数据的集中展示和分析。同时建立数据中心，对监测数据统一管理并进行智能识别分析，实现统一的硬件资源分配管理、统一的安全策略管理（人员安全、数据安全）、统一的软资源管理。通过系统建设，最终形成由多个专业的不同子系统组成的，一个全面、实用、安全、高效的智能化、智慧化管廊系统。

管廊内GIL布置图

系统架构图

1、在监控管理中心设定监控电子计算机、管理电子计算机、网络服务器、通讯电子计算机和智能化系统模拟屏等机器设备构成中央电子计算机系统。

2、智能化系统仿真模拟显示器可形象化地显示管廊内多种机器设备的运行状况及空气质量参数，及时掌握自然灾害和非法侵入的产生以及部位。

3、仿真模拟显示器的显示信息內容有：管廊内各个区段的部位和建筑模拟图，各疏散出口污水提升泵的情况、液位开关情况、自然通风设备情况、室内照明情况、工作温度/环境湿度和、含氧量、CH4浓度值、H2S浓度值等多种报警信号等。
    4、 监控管理中心。
   综合管廊监控中心主要任务为保证管廊内管道及操纵机器设备能正常运行，并在产生安全事故时要迅速反应解决，因而管廊监控中心便是全部管廊安全性监管系统的中枢神经，根据自动化技术监控与探测机器设备，将管廊内任一角落里的情况材料快速传送搜集于监控管理中心中，使技术人员能够随时随地轻易的把握全部状况。

5、创建健全的预警信息、警报体制，处理城市管廊设备遭到人为因素毁坏的地底安全隐患，确保管廊内的自然通风、照明灯具、排水管道、防火安全、通讯等机器设备的正常运行。

应用平台

智慧管廊应用平台主要包括决策指挥、智能分析、基础应用三部分功能。决策指挥主要是利用接入的子系统展示管廊的整体状态，通过二、三维及统计图表等方式实现智慧管廊的监控及状态预警，目前决策指挥场景主要包括在线智能巡检、主动预警、辅助决策、应急处置、多维协同智能作业等；智能分析主要是基于特定应用及数据而开发的专题分析应用，通过该分析应用可直接体现管廊某类特定监测数据下的运行状态，方便业务人员对管廊状态进行深入分析，目前主要包括管道沉降预测、伸缩节状态预测、电缆状态多维感知、操作人员分布、管廊健康分析等应用主题；基础应用是本的支撑应用，用于构建本的基础服务，并为决策指挥和智能分析提高平台各类数据支撑服务，目前主要包括数据运维、台账管理、巡视管理、环境监测、用户管理等。

数据中心

智慧管廊数据中心主要包括数据治理、数据管理、数据分析、算法管理4个管理模块。数据治理主要是对感知层采集的各类监测数据采用“数据实时清洗”的方式，按照设备规范化模板设计清洗规则，并对清洗后的数据通过SG-CIM进行标准化建模，存入数据中心当中，经分类后构建算法训练数据集、验证数据集以及测试数据集，支撑后续管廊状态的数据挖掘和分析应用；数据管理主要包括业务数据管理和感知数据管理；数据分析平台主要是与高校合作，建立管廊相关算法模型，不断挖掘影响管廊状态的特征量，实现算法模型的深度学习，为后续智慧管廊的大数据分析应用提供可扩展的算法应用容器，同时可以对吸纳进来的算法进行版本、发布、运行等进行管理。

数据层

数据层是本系统中所有数据的汇集中心，数据层负责各个独立系统的数据存储、数据加工、数据查询、数据备份、数据安全等核心数据服务功能。数据层为各业务系统提供数据的统一权限身份认证、数据运维服务（自动备份、数据扩容、数居迁移、数据批处理）。目前接入的数据主要包括结构化数据和非结构化数据，结构化数据主要包括业务数据，感知数据，平台支撑数据等。非结构化数据主要包括现场的图片数据、视频数据等。

感知层

感知层通过标准化和非标准化接口实现各个子系统的数据采集适配，标准化接口主要采用电力标准规约进行数据采集，如IEC61850/61968、电力103、Modbus等，非标准化接口主要是非电力标准数据传输协议的数据采集，如消息队列、WebService、PLC等。通过这两类接口实现了智慧管廊所有子系统的数据接入。目前需要接入的子系统主要包括管廊伸缩节在线监测子系统、电缆护层接地环流监测子系统、电缆局放监测子系统、分布式光纤测温子系统、管廊环境监控子系统、视频监控子系统、分布式故障定位与分析子系统、管廊结构监测子系统、管廊人员安全管理子系统、灭火监控报警子系统。

系统介绍

 （一）GIL本体监测系统

   1、GIL本体光纤温度在线监测系统(DTS)  

光纤布纤示意图(红线代表光纤，置于管道顶部)

   分布式光纤测温系统由测温主机和探测光纤两部分组成：

  2、GIL本体光纤温度应力在线监测系统(BOTDA)

  3、GIL本体光纤振动在线监测系统(DVS)

利用分布式光纤传感技术，以光纤作为“传”和“感”的介质，实现长距离、高精度、分布式的GIL本体的温度、振动及内部局放等多参数的健康状态监测，从而为GIL本体的日常运维提供大数据，实现管廊的智慧化管理。

  4、GIL本体局放在线监测系统

  5、GIL本体SF6密度温度在线监测系统

     5.1本体联接远传型SF6密度表

     5.2 本体增加SF6密度温度在线监测系统

  6、GIL本体伸缩节在线监测系统

GIL管廊伸缩节补偿量监测在早期设计对伸缩节补偿量主要是凭借运维人员以及检修人员的巡视，由检修人员根据现场安装的游标卡尺的情况进行实时记录，根据经验和过往数据的对比来判断伸缩节各个补偿量是否合理，但这些并不能实现对伸缩节补偿量的实时监控，不能从根本上解决隐患；且在管廊中部与上部的伸缩节由于高度高，人工巡视比较困难，本系统通过改造GIS/GIL伸缩节现有的机械式游标卡尺或增加数字式伸缩节位移传感器来实现伸缩节补偿量在线监测，并可以通过无线LoRa和有线RS485上传数据给上位机。

  7、GIL 高压电缆护层接地环流在线监测系统

电缆护层电流在线监测装置由前端监测设备和后端监控中心组成，前端电流监测装置对高压电缆接头处加装0～100A单模精确CT电流互感器及精确接地环流采集装置实时监测110kV及以上高压电缆的每个高压电缆金属护层接地点的电流参数，可通过lora无线通信方式把告警信息发送到监控中心，以便及时对发生故障的电缆进行更换或抢修。可实现对0～100A接地环流精确测量及定时巡检测量，取代传统人工方式的定期接地环流巡测。大大减轻现场测量的劳动强度，提高系统维护效率。

   8、GIL 高压电缆局部放电在线监测系统

8.1系统组成结构

电缆局放监测系统以供电公司监控中心为基础和核心，通过工业级光纤以太环网，局放采集传感器、局放检测主机、局放监测分析软件组成。

8.2系统主要功能

电缆局部放电在线监测系统适用于 10KV 及以上电压等级的电缆局部放电在线监测。能实时监测放电量，放电相位，放电次数等基本局部放电参数；计算出各个接头及各段电缆局部放电幅值、频次；经多次采集（一般测量 50 个工频周期）后，从数据库提取数据进行谱图分析和数据报表以确定放电点相对位置，必要时给出报警。并可按照客户要求，提供有关参数的统计量。能存储测试谱图、放电趋势，从而及时发现电缆及接头的绝缘缺陷，并为评估其绝缘水平及老化程度提供判据，为电缆的检修工作提供依据。

8.3系统主要特点：

（1）监测系统采用开合式传感器，结构紧凑，拆卸安装方便，不需要停电，可以很方便的对重点站、重点设备、异常设备进行长期监测。

（2）监测系统采用双端定位测量法，可实现对电缆本体产生的局部放电进行实时定位， 理想条件下定位精度可达+/-3 米。

（3）采用高性能 FPGA 处理器，实现 100Msps、12Bit 分辨率的高速采样、存储，每次分析可连续采样 50 个工频周期以上的数据。

（4）带通滤波技术与噪声识别及剔除算法联合运用，可有效识别局放信号。

（5）基于脉冲电流法（IEC60270 标准）的局部放电监测技术，可检测 10pC 以上局放信号。

（6）在无法铺设光纤的情况下，可以采用 4G 网络进行数据传输，可降低光纤布线困难，降低成本。

 9、GIL 高压电缆分布式故障定位在线监测系统

   9.1技术原理

电缆故障定位系统利用高速暂态行波在线监测和电网拓扑分析的系统方法，实现环网供电电缆的在线监测，对城市环网供电电缆故障进行定位、选线和预警。具体方法是在环网柜主干电缆与馈出电缆分别安装电缆故障行波测距装置，将电缆在发生故障前的微弱暂态信号采集到每一个故障行波测距装置，通过故障行波测距装置分析处理，将信号上传到系统后台，系统后台通过波形分析自动预警并通过双端测距技术自动计算故障点距离，通过系统后台指示故障点位置，并且对馈出支路电缆实现选线功能。

行波定位原理

   9.2系统配置方案

电缆故障行波测距装置

故障行波测距装置由主控单元（CPU模块）、高速信号数据采集单元（DAU模块）、GPS/光纤/北斗守时模块、4G/光纤/网络通讯模块、电源管理模块等部分构成，故障行波测距装置通过高频传感器获取暂态行波电流信号，记录采集时的时间标签,同时，在现场条件具备的前提下，可增采 Ua、Ub、Uc、工频电压信号及零序分量，作为对供电电缆故障点定位和预警的辅助条件，为后台运算提供数据支持。

故障行波测距装置融合先进的数字化传感器技术、高速数据采集、数据分析、通信技术和计算机技术为一体，将本地数据通过4G/光纤/网络通讯模块实时上传至系统后台。故障行波测距装置能够适应恶劣的运行环境，为城市配电网安全运行提供有力的保障。

（二）GIL智慧管廊隧道健康监测系统

结构健康监测主要在每个结构健康监测断面上布置钢筋针、垫圈式压力传感器、钢筋计、静力水准仪。

管廊结构监测系统由管廊沉降监测子系统，防外破监测子系统和接缝监测子系统组成。

（三）GIL智慧管廊环境监控系统

 1、GIL智慧管廊智能环境综合监控装置

集开关量输入、开关量输出、无线传输等功能于一体，采用lora方式进行通信，覆盖了工业控制及监测系统的现场采集所需功能，能根据各种应用场合的具体要求进行灵活配置的智能型监控装置。

 2、 GIL智慧管廊有毒有害气体浓度在线监测系统

实时监测管廊内一氧化碳、可燃气体、氧气、硫化氢等气体浓度，当某气体浓度达到或低于（氧气）设定值时系统自动发出报警，提示管理人员。避免火灾、中毒等事故的发生，保障电力运行及下管廊内业人员的安全。具有高稳定，高准确和高智能化的特点，外接控制端口丰富，用户可以自由选择挂接传感器的种类和接入端口，并通过简单设置即可进行现场检测与报警。可集成报警喇叭，所有通道常开常闭控制端（用户可以方便外接大功率报警器或其他需控器件）。本系统主要应用于需要检测可燃气体的场合中，显示待检气体的数值指标量，当现场的某种待检气体的指标不符合所设置的标准时，系统会自动进行一系列报警动作，如报警，排风，跳闸等（根据用户的不同设置而不同）。

 3、水位传感器

功能描述：封装技术，使其在较深的液体中性能稳定，组件采用扩散硅进口芯片，电路采用信号隔离放大、截频干扰设计（抗干扰力强，防雷击）过压保护、限流保护、抗冲击以及防腐等设计。

 4、风机控制

根据中的实时情况，对风机进行远程自动控制或强制控制。风机与温度监测系统、可燃气体监测系统等实现联动，如当风机温度较高时及时通风换气；当发出火灾报警时风机不得启动；当有氧气不足时启动风机；当可燃气体超标时风机不得启动。

在风机下方的管廊墙体上安装风机控制箱，风机控制可选择手动和自动两种模式，手动模式下可现场启动关闭风机，自动模式下由远程的控制终端控制风机的开和闭。

 5、水泵控制

要求根据现场情况，加装水位传感器，后台可以实时显示积水深度，当水位达到或超过警戒值时，系统发出报警，并与现场水泵联动，控制水泵抽水直到水位恢复到警戒值以下停止。可远程手动控制水泵开闭，警戒水位可人为设定。

（四）GIL智慧管廊人员安全管理系统

 1、门禁防入侵系统

 2、运营商移动信号覆盖子系统

 3、 应急广播通讯子系统

应急广播通讯子系统是管廊有线广播、紧急电话和调频广播的综合利用系统，共用一套控制主机实现三个系统的统一控制；管廊内紧急电话既可向管廊管理站通报紧急事件信息，又可jianting管廊内管廊广播效果。调频广播接收设施将空中FM调频广播信号接收下来经过选频处理、电光转换后，分别传送到双向管廊内，利用紧急电话与广播一体机中的光纤调频直放模块将调频信号宽频蜂窝同步放大，经泄漏电缆辐射到管廊内，完成管廊调频覆盖工作，实现了FM调频广播信号在洞内的全覆盖。

 4、 管廊人员定位子系统

管廊人员精确定位系统采用的是UWB（超宽带）精确定位系统，UbisenseUWB精确定位系统包含三个组成部分：传感器sensor、有源定位标签tag和定位平台iLocateTRM，在该系统中，定位标签tag利用uwb脉冲信号发射出位置信息给传感器sensor，传感器接受到信号后采用TDOA和AOA定位算法对标签位置进行分析，最终通过有线以太网传输到iLocate服务器。iLocateT－MUWB定位单元可以实现无缝蜂窝连接，将定位空间无限扩展，定位标签可以在各个单元自由行走，通过定位平台软件分析，将定位目标真实地以虚拟动态三维效果显示出来。该系统在传统的应用环境中稳定达到15cm的3D定位精度。

 5、 GIL智慧管廊疏散撤离引导系统

在建管廊的特点是现场声音嘈杂，随着开挖长度的深入移动信号也在减弱或无信号。通常情况下当环境噪音超过90分贝时，普通电话机的铃声经常不能让工作人员听到铃声，导致生产调度指令得不到及时地传达，造成经济损失。该系统专门针对各类管廊高潮湿的环境设计，具有高防护、低功耗、防尘防潮、抗噪能力强、声音清晰洪亮的特点。该系统话机经过若干次铃响后（默认5次），话机自动接听，主叫方可进行呼叫广播，其声音将通过外置扬声器广播给附近的施工人员。

管廊开挖、施工过程中，存在着现场环境复杂，声音嘈杂，不安全因素多，而且无移动信号等。而在管廊生产调度过程和应急救援指挥等，又需要保持畅通的通讯条件 。因此必须具有专用的管廊应急电话通信系统，来满足作业面与管廊值班监控室的通信联系。

（五）GIL智慧管廊智能巡检机器人

地下管廊的运维需要全面掌握管廊内环境、设备设施运行态势，人员进出情况，保证管廊安全可靠运行及人员的健康及生命安全；能及时发现存在的隐患，并能进行预警、报警，出现火情、灾情时能及时发现并能快速响应处置，减少或避免财产、生命损失。掌握管廊日常运行中工程管理、维修养护情况，管线单位、主管单位需了解管廊运行情况。目前各运维公司对地下管廊的巡检方式依然以人工巡视为主，巡视人员定期进行地面和管廊协同的巡视工作，巡视人员在管廊内主要关注电缆的蠕动变形情况、电缆和管廊外观、地下管廊金属构件锈蚀情况以及管廊积水情况，巡视工作内容逐渐单一，管廊内人员巡视工作效率低，而这些工作可以通过自动化的摄像监控来代替，另外人工巡检存在管廊环境空间封闭，内部阴暗潮湿、积水及有毒气体的存在较大的安全隐患。

为了进一步提高地下管廊的防灾减灾能力，保障高压电缆网的安全运行，在地下管廊实现了固定、离散在线监测的基础上，一些重要地下管廊还需要动态和连续监控的功能，以现代技术手段实现对重点管廊的不间断巡检，取代人工巡检；同时，还可以逐步实现对地下管廊内突发事件的现场处理，在第一时间采取*的处理措施，相对传统的人工干预，有其快速、安全、高效的优势。通过在管廊里设置一套挂轨式机器人巡检系统，可实现管廊内：视频图像识别、红外热成像测温、环境及气体检测、音频采集分析、双向语音对讲、自动巡检。

 系统架构

地下管廊机器人巡检系统主要由轨道式巡检机器人、软件平台、供电平台、轨道总成、通信平台组成，通过部署在管理中心的中心管理平台，能够实时管理及控制机器人在线进行巡检任务作业，同时将巡检状态和结果能够通过桌面控制器传输到云服务器，可以通过移动客户端的方式随时传送给现场管理人员，第一时间得到巡检报告及报警信息，同时通过电力专网，能够将机器人巡检画面及巡检结果等信息实时与工厂综合管理部门进行数据分享，通过远程管理的方式对每台机器人的状态进行监控管理。

 部署方案

依照管廊结构，采用安装悬吊轨道的方式安装机器人，能够充分利用管廊顶部空间，提升安全性及空间利用率。

机器人吊轨、供电系统及通信网络安装后，轨道巡检机器人将按照管廊进行部署安装，机器人能够完成自主巡检、自主通讯及自主充电的无人值守式运行。

在管廊里，一共设置三到四套无线通信设备，无线充电设备和无线通信设备均在现场就地取电，无线通信设备通过光纤连接到主控室交换机，以连接机器人控制后台。

 智能巡检机器人

轨道式巡检机器人，是整个巡检系统的核心组成部分，承担地下管廊内巡检和现场处置的主要功能，巡检机器人的主要部件包括：车体、驱动电机、控制箱、红外激光雷达、360°全角度摄像头、红外热成像镜头、LED照明灯具、离子式烟雾传感器、温度/湿度探头、火焰探测传感器、双向语音对讲扬声器等。

（六）GIL智慧管廊智能视频安防系统

根据现场实际情况，在管廊重要位置及出入口处安装视频监控摄像机（包括电缆接头、积水井及水泵控制箱、风机及控制箱、防火门等），全面覆盖附近所有敏感区域，保证监控中心24小时处于监控状态。视频监控系统除了具备数字化摄像监控系统自身的视频采集、存储、报警等基本功能外，还具备图像分析处理能力，对于非法闯入jinqu的行为自动报警，视频信号可通过4g网络传输到监控平台。

（七）GIL智慧管廊消防灭火监控报警系统

 1、超细干粉灭火装置

“超细干粉自动灭火装置”能与的火灾自动报警系统实现联动，或在火灾现场自动感应启动，将火情控制在初始阶段，灭火性能可靠。

 2 、火灾报警系统

火灾报警系统由火灾报警主机和编码型烟雾传感器、手动报警按钮、声光报警器等组成，系统采用电子编码式烟雾传感器采集隧道内实时环境状态，当产生火警信号时，把信号上传至安全主机及环境综合监控软件。安全主机及环境综合监控软件接收到火警信息后，相应采取一系列措施，如联动风机、联动声光报警等，并把火警信号进一步转发上传至调度端平台。