66北京电缆网运行监控系统研究和建设.docx
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66北京电缆网运行监控系统研究和建设
北京电缆网运行监控系统的研究和建设
王立1 李华春1 周作春3 刘皓1 薛强1 丛光2 陈平1
（1．北京市电力公司电缆公司，北京1000272；2．北京电力设计院，北京100055；
3．北京市电力公司，北京100031）
摘 要 综述了目前国内外高压电缆专业管理模式的现状及存在的问题。
介绍了北京电缆网运行监控系统建设的背景，准备实现的功能及计划要达到的转变电缆专业管理模式的目标。
详细分析了北京电缆网运行监控系统硬件组成、系统平台软件体系架构，系统安全防护体系建设，各功能模块功能整合接口，各类电缆网运行状态监测数据、控制信号通信规约及数据交互等内容。
对北京电缆网运行监控系统建成后的运行模式，系统投入运行一段时间后达到的效果进行了详细分析总结。
得出了建设一体化的电缆网运行监控平台，整合多种电缆网运行监测、管控功能，逐步开展对电缆网运行状态监测和状态检修工作，是实现电缆专业管理模式现代化转变的重要方向的结论。
关键词 高压电缆网 运行监控 研究 建设 管理模式 状态监测 状态检修
0 引言
截止到2008年6月底，北京地区共有220千伏电缆线路64路164.1公里，110千伏电缆线路565路647.4公里，电力隧道495公里，97.6％的高压电缆都敷设在电力隧道内，北京地区的高压电缆及电力隧道长度在国内大城市中处于前列。
近年来，北京地区高压电力电缆及电力隧道设备增长迅速，110千伏及以上电缆每年以100公里左右的速度增长，电力隧道每年以40公里左右的速度增长。
根据北京市电力公司十一五规划，到2010年，北京地区500千伏电缆将达到12公里，220千伏电缆将达到449.1公里，110千伏电缆将达到782.4公里，电力隧道将达到698公里[1]。
由于设备数量的迅速增长，高压电缆及电力隧道运行维护的压力越来越大。
一是由于电缆运行检修人员数量有限，不可能与设备数量保持同步增长，在保持传统的运行管理方式下，势必导致单位人员管理设备数量及范围的大幅增加；二是对电缆及电缆通道运行状态缺乏监测技术手段或监测手段单一；三是针对电缆或电缆通道运行状态的各种监测技术自成系统，互不关联。
同类单套监测设备又只监测一条或若干条电缆及其通道，相互关联程度很低。
各种电缆及隧道运行状态监测系统又会不同程度地需要设备相关参数、地理信息数据、电源系统、电缆负荷数据等作为信息支撑。
在这种状况下，即使增加了一些对电缆及通道运行状态监测技术手段，也只是一个一个的监测信息孤岛，不能充分地发挥作用。
基于这些原因，北京电力电缆公司从2006年开始了构建一套集成电缆生产管理、地理信息等数据，整合多种运行状态监控系统功能的大平台，并逐步转变电缆专业运行管理模式的探索。
1 国内外电缆专业管理模式的现状
目前，国内电缆运行专业管理方式大都属于粗放式的管理模式，电缆线路的运行巡视和检修工作主要是按照周期机械地进行，对巡视间隔期内可能发生的情况一无所知。
缺乏对电缆及通道运行状态监测手段，电缆线路及隧道信息分散，没有建立一个可以实现数据共享的平台，难以得到准确的设备运行状况。
没有开展对电缆系统和隧道网络的监控，无法实现电缆网络和路径资源的有效管控。
近年来，国内发生了多起电力隧道火灾（如图1所示）、高压电缆故障（如图2所示）、临近电力隧道塌陷（如图3所示）、电力隧道内可燃气体爆炸等事故，造成了重大的经济损失和社会影响。
也对目前传统的电缆专业管理模式敲响了警钟。
图1 某电力隧道火灾后现场
图2 某高压电缆事故现场
图3 某临近电力隧道路面塌陷现场
电力设备的周期巡视及预防维修体系在我国已沿用40多年，在防止设备事故的发生，保证安全供电可靠性方面起到了重要作用，但也存在很大的局限性。
一是预防维修系统存在一定周期间隔，对设备运行状态掌握存在盲区。
二是预防性维修体系经济性差，存在很大浪费，并造成供电可靠性下降，这在现代化社会中将所是不可接受的。
对设备进行运行状态监测，并逐步开展状态检修在保证供电可靠性、经济性方面优势明显，是今后电网系统运行维护模式的必然方向。
从国内外发展的总体情况上看，目前多数监测系统的功能还比较单一。
今后状态监测技术的发展趋势是：
多功能多参数的综合监测和诊断，即同时监测能反映设备运行状态的多个特征参数；在不断积累监测数据和诊断经验的基础上，发展人工智能技术，建立人工神经网络和专家系统，实现状态诊断的自动化[2]。
从20世纪90年代后期开始，新加坡新能源电网有限公司大力开展了对电网设备的状态监测工作，完成了从没有状态监测手段到实现状态监测及状态检修的转变，通过开展状态监测和状态检修，降低了事故、节约了成本，提高了电网运行的可靠性，获得了丰厚的经济回报[3]。
新能源电网有限公司还通过建设地理信息系统工程，将设备数据、地理位置、电网负荷数据、状态监测数据等导入集成，实现了多系统一体化功能[4]。
2 系统的研究及建设
2.1 北京电缆网运行监控系统要达到的目标
北京电缆网运行监控系统要达到的主要目标是通过建设一体化的电缆网运行监控平台，以电缆网设备数据及空间信息作为支撑，将一个个电缆网监控信息孤岛连接在一起，将多种电缆网运行状态监控系统功能整合应用，全方位开展状态监测工作，逐步实现电缆网系统的状态检修，形成全新的电缆专业运行管理模式。
北京电缆网运行监控系统第一阶段计划实现的目标为：
①集成生产管理系统、地理信息系统、电网及负荷数据，形成完整的电缆网综合数据平台；②整合电缆及隧道运行温度监测及火灾预警、报警功能；③整合电缆温度换算系统、动态载流量系统功能，实现电缆负荷、负载率、动态载流量监测及预警、报警；④整合电力隧道井盖监控功能，实现电力隧道井盖监控及出入隧道管控；⑤整合电力隧道摄像监控功能，实现电力隧道远程巡视，并与相关监控系统形成报警联动；⑥整合电缆PDA运行巡视系统功能，实现电缆运行巡视工作的统一掌控；⑦实现上级单位（部门）或其它单位传递的信息接收和处理；⑧辅助高压电缆网突发事故应急指挥。
北京电缆网运行监控系统第二阶段计划实现的目标为：
扩展电缆网运行状态监测手段及规模，在试点建设研究的基础上，增加电缆接地电流、局放在线监测及电力隧道水位、气体探测等功能。
北京电缆网运行监控系统第三阶段计划实现的目标为：
在积累电缆网状态监测数据及状态诊断的基础上，开发电缆网运行状态诊断专家系统，实现对电缆网系统的状态检修。
2.2 硬件组成[5]
按照北京电缆网运行监控系统远期要接入的监测系统项目和规模的统一规划，并根据研究论证阶段积累及测算的数据量和硬件性能消耗，遵循“超前规划，适度预留，稳定可靠，易于扩展”的原则，确定了北京电缆网运行监控系统硬件规模，系统硬件配置如图4所示，具体包含以下四个部分：
（1）数据中心：
由2套数据库服务器和1套磁盘阵列组成，双机热备用方式运行；
（2）应用中心：
由2套应用服务器和1套F5负载均衡器组成；
（3）汇接站：
设置3个汇接站，每个汇接站由2套数据采集服务器和1套磁盘阵列组成，双机热备用方式运行；
（4）其它设备：
包括硬件防火墙、交换机、路由器及相关服务器等。
图4 北京电缆网运行监控系统硬件配置图
2.3 软件体系架构[5]
考虑到北京电缆网运行监控系统要求有很高的实时性、安全性，还要具备操作控制功能，因此监控系统采用C/S结构。
系统环境为微软公司的.NETFraemwork，采用C#语言进行开发，系统数据库采用甲骨文公司的Oracle10g企业级数据库。
北京电缆网运行监控系统采用表现层、业务逻辑层、数据访问层的三层软件架构，每层用组件方式组织内部结构。
系统架构如图5所示。
图5 北京电缆网运行监控系统架构图
北京电缆网运行监控系统集成了设备数据，设备地理位置，电网系统图，变电站内接图，线路负荷动态查询功能；并将光纤测温、电缆表面温度与线芯温度换算、动态载流量分析、电缆负载率监测、隧道井盖监控、隧道摄像监控、电缆接地电流监测、隧道水位及气体探测、PDA智能巡检等系统进行了整合应用。
系统功能结构如图6所示。
图6 北京电缆网运行监控系统功能结构图
2.4 安全防护体系
按照“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的原则[6]，考虑到系统并不需要与调度数据网的实时子网或非实时子网进行纵向连接，从系统安全及系统建设经济性方面都不必部署在“安全I区”或“安全II区”，电缆网运行监控系统的安全级别又要高于“安全Ⅳ区”的管理及办公信息系统，因此将电缆网运行监控系统部署在“安全III区”，并在电缆网运行监控系统的边界部署多套硬件防火墙，与其他系统实施逻辑隔离。
北京电缆网运行监控系统与站端各监控子系统之间通过电力数据通信网的专用通道进行通信及数据传输，在物理层面上实现与外部公共信息网的安全隔离。
2.5 各功能模块整合接口、通信规约及数据交互
北京电缆网运行监控系统与各子系统之间的接口处于整个监控系统的应用层，监控系统与各子系统之间的接口基于TCP/IP协议，采用Socket（异步）方式进行通讯传输。
监控系统与前端设备采用心跳握手技术，监控系统每10秒向前端发送一次信号，当超过3次心跳计时未收到对方的任何数据或心跳，则断开连接，监控系统再Socket重新连接前端设备。
为了保证电缆网运行监控系统的统一性、可扩展性，对前端接入的各种监控系统采用了统一的接口协议规范，传输协议帧结构定义如表1所示。
表1传输协议帧结构定义表
字段名称
标识
长度
字段说明
帧起始标志
SOH
1
01
帧头
TPFH
24
参阅《传输协议帧头结构定义》
帧头数据体分隔标志
FS
1
1C
数据体
Data
64K
参阅《传输协议数据体结构定义》
帧结束标志
EOT
1
04
电缆网运行监控系统向外部调度系统、生产管理系统传输相关监测数据采用WebService方式，用XML文件形式进行传送，外部系统调用电缆网运行监控系统的XMLAPI进行数据存取和查询。
2.6 系统建设历程及规模
北京电缆网运行监控系统从2006年开始进行方案论证，2007年6月系统建设方案最终确定，2007年7月正式开始建设，2007年12月底建设完成。
目前北京电缆网运行监控系统已完成第一阶段各项目标，正在开展第二阶段研究和建设工作。
截止到2008年6月，北京电缆网运行监控系统已实现北京地区全部64路164.1公里220千伏电缆线路，565路647.4公里110千伏电缆线路，495公里电力隧道设备数据、空间信息、电缆网系统及负荷等数据的整合；接入电缆及隧道分布式光纤测温主机23套、测温光缆574公里，覆盖了全部220千伏电缆线路、重要110千伏电缆线路及电力隧道；接入电力隧道井盖监控主机27套，监控隧道井盖4846套；接入电力隧道摄像监控主机24套，摄像头376个；接入电缆PDA运行巡视终端60套；接入电缆接地电流在线监测装置14套，电缆局放在线监测装置6套，隧道水位探测装置15套，隧道气体探测装置5套。
已经初步形成了覆盖北京地区高压电缆及通道环境监控的平台及网络。
3 系统的运行模式及效果分析
3.1 北京电缆网运行监控系统的运行模式
北京电缆网运行监控系统于2007年12月底正式建成并投入使用，在此基础上成立了北京电缆网运行监控中心，运行监控中心的定位是“首都高压电缆网、电力隧道自动化监控、智能化管理的枢纽”[11]。
监控中心共配置9名人员，其中值班员6名，2人一组，负责监控系统日常监控工作，监控中心还有2名具有较高电缆专业技术水平及状态监测技术水平的人员负责电缆网运行状态监测数据的分析总结和现场核准工作。
经过半年多的不断总结和完善，北京电缆网运行监控系统发挥的作用越来越显著，已经成为北京地区高压电缆专业管理的枢纽平台。
至2008年6月，北京电缆网运行监控中心共有电话记录17109条，监控值班记录2904条，单日最高电话记录达269条。
与北京市调、总值班室、客服中心及其它相关单位工作业务联系安排52项。
随着监测手段的不断丰富，以及监控设备数量及范围的不断增加，预计电缆网运行监控中心的工作量还将成倍增长。
电话记录作为北京电缆网运行监控中心相关业务工作量的重要表现形式，从2008年1月至6月的增长情况如图7所示。
图7 2008年1～6月运行监控中心电话记录增长图
电缆网运行监控系统投入运行后，常规的电缆运行维护工作逐渐转向状态监测尚未覆盖到的设备、尚不能实现监测或尚不能替代人工的领域。
如：
新投运设备的验收工作，高压电缆网及通道外力防范工作，便携方式的电缆网状态监测工作等。
由于以往大量繁重的现场工作已经通过电缆网运行监控系统的技术手段高效完成，运行人员将逐渐调整日常工作内容及工作模式，集中主要力量完成与电缆网运行监控系统互补的工作，以适应电缆网设备迅速增长及新的电缆专业管理模式的要求。
3.2 北京电缆网运行监控系统效果分析[12]
1）对高压电缆网运行状态的监测及管控效果
通过北京电缆网运行监控系统的电力隧道井盖监控子系统，实现了对人员出入电力隧道的有效管控，从2008年4月～6月，监控中心共执行电力隧道井盖远程开启14082次，通过井盖监控子系统报警及在电缆网运行监控系统上的准确定位，共查获违规进入电力隧道事件11次。
电力隧道井盖监控报警及现场处置情况如图8所示
图8 电力隧道井盖监控报警及现场处置图
通过北京电缆网运行监控系统的电缆及隧道分布式光纤测温子系统、电缆表面温度与线芯温度换算子系统、动态载流量子系统、实时掌握了高压电缆及隧道温度状况，高压电缆负载率及动态载流量情况。
共建测到隧道内长期温度高于30℃的区段5处，如表2所示。
共监测并处置隧道内动火作业施工引起的温度报警15次。
监测并处理电缆负载率超50％报警35次。
表2电力隧道温度偏高区段情况表
序号
测温系统
温度较高位置
温度情况
发热原因
1
220kV八长
钓鱼台国宾馆北侧
常年温度高于30℃，最高温度可达39.5℃。
1）10kV电缆发热；
2）通风亭通风效果不良；
2
220kV
八宝一、二
八里庄变电站
南侧
从2008年4月投入监测至今，温度一直高于30℃，最高温度可达42.7℃。
待核实
3
220kV西王电缆
建国门外大街（中环世贸大厦～国贸桥）
从2008年5月6日以后开始高于30℃，最高温度可达35℃。
待核实
4
王府井～公主坟隧道
王府井东方新天地南侧
从2008年4月投入监测至今，温度一直高于30℃，最高温度可达38.8℃。
1）10kV电缆发热；
2）无通风亭；
5
王府井～前门隧道
崇文门变电站南侧
从2008年4月投入监测至今，温度一直高于30℃，最高温度可达32℃。
与热力管线有交叉
从2008年4月～6月，电缆网运行监控中心通过OTDR分布式光纤测温系统、电缆表面温度与线芯温度换算子系统、动态载流量子系统、接地电流监测子系统对北京市电力公司统一安排的8路220kV电缆，4路110kV的电缆大负荷试验情况进行了详细分析，总结了电缆在大负荷试验条件下各种监测数据的相关性及变化规律。
大负荷试验电缆线路的温度负荷变化曲线如图9所示，接地电流变化曲线如图10所示。
图9 大负荷前后220kV昆春电缆温度负荷曲线
图10 220kV红寺二15＃接头接地电流变化曲线
通过北京电缆网运行监控系统的隧道摄像监控子系统，实现了定期轮巡功能，设置了与井盖监控系统、光纤测温系统、隧道气体探测、水位监测系统报警联动、移动侦测报警等功能。
实现了对电力隧道及电缆的远程巡视及可视化监控。
隧道内摄像监控画面如图11所示。
图11 电力隧道摄像监控画面
2）在奥运供电保障中的地位和作用
在2008年北京奥运会供电保障期间，电缆网运行监控中心作为北京电力电缆公司奥运供电保障指挥部，负责全面指挥奥运电缆网运行保障、应急抢修、后勤保障、宣传保障工作。
对电缆及隧道状态监测数据进行分析总结，全面掌握高压电缆网运行状况，并负责异常情况时的指挥处置。
负责各保障团队及现场看护小组运行保障任务下达及执行情况检查；负责现场看护小组PDA运行巡视轨迹监视及传回的巡视情况、缺陷情况汇总，分析处理。
通过电缆网运行监控系统平台的技术支撑，实现了首都高压电缆网奥运供电保障系统高效、规范、有序地运行，改变了传统电缆专业管理模式下供电保障工作强度大，效率低的局面。
4 结论
a）电缆网运行监控系统建设前一定要超前规划，充分考虑到今后系统要接入的子系统范畴及规模，在硬件配置及系统软件架构设计上做好预留。
不同子系统与监控系统信号传输的通信规约要提前制定统一的规范，以便将来能顺利接入不同厂商或型号的设备。
监控系统要按照“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的原则做好安全防护，重点要加强监控系统的边界防护。
b）北京电缆网运行监控系统建成投运以来，在高压电缆网运行监测、管控方面发挥了重要作用，大幅提升了电缆专业管理的水平和效率。
c）建设一体化的电缆网运行监控平台，集成电缆生产管理、地理信息等数据，整合多种电缆网运行监测、管控功能，逐步转变电缆专业管理模式，开展对电缆网运行状态监测和状态检修工作，是实现电缆专业管理模式现代化转变的重要方向。
参考文献
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[2] 王昌长，李福祺，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京：
清华大学出版社，2006.
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[7] 国家电力监管委员会.电力二次系统安全防护总体方案[Z].2006.
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[9] IEC61970.EnergyManagementSystemApplicationProgramInterface（EMS2API）2Part301:
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[10] IEC60870-5-101.Tele-controlequipmentandsystemsPart5:
TransmissionprotocolsSection101companionstandardforbasicTele-controltasks[S].
[11] 北京电力电缆公司.北京电缆网运行监控中心管理规范[Z].2007.
[12] 北京电力电缆公司.北京电缆网运行监控中心月度运行情况分析报告[R].2008.
作者简介
王立（1979-）,男，硕士，工程师，北京市电力公司电缆公司自动化主任，从事高压电缆运行监测技术管理工作。
联系电话：
（010）63677837，E-mail：
wanglisjtu@
李华春（1971-），男，工学硕士，高级工程师，北京市电力公司电缆公司副经理，主管高压电缆运行、技术、状态监测工作。
联系电话：
（010）63677771，E-mail：
lhc92@
周作春（1973-），男，硕士，高级工程师,北京市电力公司生产技术部电缆主管，主要从事高压电缆生产技术管理工作。
联系电话：
（010）63121767，E-mail：
zhouzuochun@
刘皓（1983-），男，工学学士，助理工程师，从事高压电缆运行监测技术工作。
薛强（1977-），男，工学学士，工程师，北京市电力公司电缆公司生技处处长，从事高压电缆生产技术、运行监测技术管理工作。
丛光（1973-），男，工学硕士，高级工程师，现于北京电力设计院任设总，从事高压电缆、线路设计管理工作。
联系电话：
（010）63678531
陈平（1966-），男，硕士，高级工程师，北京市电力公司电缆公司经理，负责高压电缆全面工作。
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