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GIL/GIS在线监测

GIL/GIS在线监测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。
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产品描述
参数

GIL/GIS在线监测
 

系统简介

 

1、设计和建设依据

1.1《国家电网公司生产技术改造和设备大修项目可研编制与评审管理规定》(国网电网企管[2014]752号)

1.2《国家电网公司生产技术改造工作管理规定》(国家电网企管[2014]69号)

1.3 国家电网有限公司关于印发十八项电网重大反事故措施(修订版)的通知(国家电网设备[2018]979号)

2、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

3、 系统简介

GIL智慧管廊综合监控系统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。

 

GIL智慧管廊总体架构

 

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全方位监控及状态预警,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。
 

GIL智慧管廊通信网络及供电系统

 

  3.1系统通信方式

通讯传输采用铠装单模光缆及现场控制箱内光纤环网交换机组建的工业级光纤以太环网,以达到远程集中监测、集中显示报警、集中联动控制和集中管理的目标。

工业级光纤以太环网网络所有节点彼此串行连接,就像连成链一样,构成一个回路或称作环。在工业级光纤以太环网网络中,数据是单方向被传输的,两个节点之间仅有唯一的缆线连接,当出现节点故障或缆线故障,可以检测到,并改为数据双向传送,不影响节点通讯,可靠性高。  

工业级光纤以太环网采用基于以太网TCP/IP的工业以太网技术,传输介质采用铠装阻燃低烟无卤单模光缆,网络结构采用基于光纤工业以太网的环形架构。网络中所有工业以太网交换机都具备两个全双工光纤端口,一个连接上级交换机,一个用于连接下级交换机,构成一个完整的光纤环路,整个光纤环路通信距离可达40公里。

工业级光纤以太环网支持100M/1000M网络带宽,具备链路自愈功能,当其中某一段工作中的光纤线路被破坏或相应的网络设备发生故障时,整个网络会自愈,并在30ms内恢复正常的通讯。

3.2系统供电方式

本期工程部署在管廊内的监控终端设备均采用电缆管廊沿线配电箱就近供电方式,引接220V交流电源至现场控制箱,现场控制箱内经电源模块转为现场监控终端设备所需的48V或12V电源为其供电,电缆线采用并联拓扑方式。

3.3系统设计方案

本期工程拟在管廊内需布置现场控制箱,内含通信管理单元、电源管理单元,在电缆管廊内同步敷设相应的单模光缆、电源电缆。

本工程为电缆+架空混合线路,其中架空段利用OPGW中内置的2芯单模光纤进行数据传输。

 

GIL智慧管廊系统介绍

 

(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)

光纤布纤示意图(红线代表光纤,置于管道顶部)
3、GIL本体光纤振动在线监测系统(DVS)

光纤布纤示意图(红线代表光纤,置于管道顶部)

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

6GIL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。

8、GIL 高压电缆分布式故障定位在线监测系统

8.1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。
 

8.2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。 

    

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