云南保山中心城區綜合管廊電氣與智能化設計

徐 鑫 業

[同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上?！?00092]

0　引　言

隨著城市經濟的快速發展,綜合管廊建設規模不足、管理水平不高等問題凸顯,一些城市相繼發生管線泄漏爆炸、路面塌陷、“馬路拉鏈”等事件,嚴重影響著人身、財產安全及城市運行秩序。因此,綜合管廊是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”。

1　項目概況

保山中心城區綜合管廊工程(簡稱保山管廊工程)位于云南省保山市,其類型包括單艙、雙艙、三艙和四艙等多種斷面形式,將給水、污水、天然氣、電力、通信等城市工程管線一并納入綜合管廊中。在滿足管線的使用和運營維護要求前提下,管廊進行整體規劃、設計、施工和運維。截止2018年5月,保山管廊工程已累計建設管廊總長達86.23 km,監控中心共3座;試運營管廊總長達42.25 km,監控中心共2座。

本文結合綜合管廊自身供配電及智能化監控的特點,兼顧大規模綜合管廊集群運維的統一性、便捷性,進行了綜合管廊總體監控系統設計和總體10 kV智能配網設計;根據GB/T 51274—2017《城鎮綜合管廊監控與報警系統工程技術標準》和GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》[1]的要求,設計了綜合管廊內部的變配電系統、通訊系統、環境監控系統、火災自動報警系統等系統,保障保山管廊工程的順利投運。

2　總體監控系統設計

保山管廊工程基本遍布保山中心城區的各主要干道,其整體監控具有規模大、集中度高、數據容量多、重要性強等特點。針對上述特點,為便于數據管理及備份,并保證監控中心數據負載率處于合理的水平,在保山中心城區內設計3座監控中心。綜合管廊監控中心布置如圖1所示。

圖1　綜合管廊監控中心布置

2.1　監控中心容量計算

每座監控中心將負責區域內管廊的監控數據通過單模光纖傳輸收集至監控中心的骨干交換機。綜合管廊監控中心的數據容量計算如表1所示。

表1　綜合管廊監控中心的數據容量計算

由表1可見,3座監控中心的數據負載設計達到相對平衡,以降低單座監控中心的數據壓力,并使得3座監控中心能相互進行數據異地災備。

2.2　監控中心設備設計

針對保山管廊工程數據量大、數據種類多的特點,并考慮今后運維及統一管理,監控中心機房內主要設計4種類型的弱電機柜以滿足上述要求,其中包括交換機柜、視頻存儲服務器機柜、管理平臺機柜和應用服務器機柜。綜合管廊監控中心機房內弱電機柜示意如圖2所示。

2.2.1交換機柜

為滿足現狀及今后管廊運維,設計要求交換機交換容量≥16 Tb/s,包轉發性能≥4 800 Mb/s;并配置防火墻與VPN(安全接入網關),在實現網絡安全的同時也能遠程與其他監控中心及管線管理部門實時交換數據。

2.2.2視頻存儲服務器機柜

針對管廊內1080P攝像機的特點,設計要求服務器配置16路視頻記錄、H.265制式高清畫面、網絡回放功能、可快慢播停操作等功能,并預留24盤位以上的硬盤空間,保證視頻數據的存儲安全。

2.2.3管理平臺機柜

針對監控數據包繁多的特點,同時為了利于長期運行,考慮到平衡管理平臺服務器負載,設計4臺管理平臺服務器,利用平衡數據負載的方式降低管理平臺服務器的故障率,增加系統的穩定性。

2.2.4應用服務器機柜

管廊內含有多種系統的通信數據,如感溫光纖、可燃氣體檢測、入侵檢測、門禁、巡更等。針對上述系統產品型號不一、通信協議不同等特點,單獨設計應用服務器機柜,將上述系統的數據先匯總至該機柜,再上傳到監控平臺進行分類管理。

保山管廊工程監控中心設備的合理設計,保證在降低造價、減少設備負載的前提下,3座監控中心的監控系統能夠穩定、安全的工作。

圖2　綜合管廊監控中心機房內弱電機柜示意

3　總體10 kV配網系統設計

保山管廊工程的內部配電由10/0.4 kV系統實現,變壓器總容量高達25 MVA?？紤]到保山管廊工程變配電系統具有總容量大、變壓器供電點分散、供電距離長、可靠性要求高等特點,結合大集群綜合管廊PPP工程重運營、重維護的特點,設計一套獨立、可靠、便于管理的10 kV配網系統。

3.1　分區設計

保山管廊工程已累計建設總長達86.23 km,將整個保山中心城區組成一個巨大的綜合管廊網絡。傳統的監控中心集中配網方式會造成大量電纜的重復浪費,同時監控中心一旦進線電源失電,會引起所服務管廊區域全面停電,存在巨大的安全隱患。因此,為避免上述問題的發生,將整個保山管廊配網系統分成5個區塊,采用分區塊供電的方式。保山綜合管廊工程配網系統分區如圖3所示。各管廊區塊用電負荷如表2所示。

5個區塊的進線帶計量環網柜向所屬區域內變電站各申請1路10 kV專線間隔電源。同時,利用干線10 kV電纜將5個區域聯通,并在干線上設置聯絡帶分支環網柜,向各支線綜合管廊進行供電。

上述設計有兩大優點:① 使管廊10 kV用電不須從其他市政環網柜中T接引入,既確保管廊10 kV用電的可靠性,也可通過10 kV專線間隔電源防止管廊用電與其他市政用電混接,從而保證PPP公司運維、管理的便捷性;② 干線計量柜與支線環網柜的級聯設計,在確保支線綜合管廊可靠運行的同時,也解決電纜重復敷設的問題,降低造價。

圖3　保山綜合管廊配網系統分區

管廊區塊名服務管廊里程/km變壓器總容量/kVA1#區塊21.226 3002#區塊18.615 3003#區塊18.155 0004#區塊13.724 0005#區塊14.534 400總計 86.2325 000

3.2　智能配網設計

保山管廊工程通過分區設計,整體被分成5個供電區域,并各自獨立引入10 kV專線電源。為進一步降低今后管廊運維公司的運維難度和減少線路故障后的修復時間,設計一套適用于該管廊工程10 kV供電特點的智能配網系統。

3.2.1環網柜一二次設計及繼電保護設計

為保證故障停電盡可能不影響其他管廊,在每個環網柜的進出線間隔一次部分均設計“斷路器+負荷開關”,二次部分采用“遠程測控終端(DTU)+微機綜?！迸渲?。

二次部分采集的環網柜10 kV進出線模擬量數據包含電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率等;采集的數字量數據有電量、標準時鐘接收輸出;采集的狀態量數據有開關狀態、事故跳閘信號、保護動作信號和異常信號、終端狀態信號、開關儲能信號、通道狀態信號等。

二次部分微機保護裝置配置無時限過流保護、兩段式定時限過流保護、反時限過負荷保護、高壓側零序過流保護、過電壓保護、失電壓保護等功能,以迅速切斷故障線路。

3.2.210 kV在線電纜監測系統

保山管廊工程多為含有燃氣艙、電力艙的雙艙、三艙、四艙斷面類型,且管廊全部敷設于城區內,管廊長時間斷電可能對管廊及城區安全帶來比較大的隱患。因此,盡快尋找并隔離10 kV線路故障點就成為當務之急。針對這一特點,設計10 kV在線電纜監測系統。

10 kV在線電纜監測系統面板主機安裝在綜合管廊變電所內(10 kV進出線旁),可就地顯示故障、電流、溫度等信息,并接收故障指示器傳感器信息。故障傳感器卡裝在電纜線路上,分為A、B、C與零序傳感器,用于檢測電纜對應的單相及零序線路,可檢測送電、停電、接地、短路、負荷電流及溫度等10 kV路線信息,并通過遠程GPRS通信方式直接上傳至監控中心智能配網工作站。

通過該系統可迅速標出發生故障的部分,維修人員可根據此指示器的報警信號迅速找到故障區段并隔斷故障區段,從而及時恢復無故障區段的供電,大幅減少停電時間和停電范圍,并節省維修人員工作時間。

3.2.3通信及聯動系統

為實現統一集中管理的保山綜合管廊運維模式,將上述環網柜一二次部分及繼電保護部分、10 kV在線電纜監測系統的各類型數據通過光纖傳輸和無線傳輸兩種手段,實時上傳3座監控中心的配網工作平臺及工作站,用以測量5個區塊內所有環網柜及整個保山管廊工程上百個綜合管廊專用變壓器的進出線數據,使5個區塊實現智能失電、故障自動聯鎖的功能。綜合管廊智能配網自動聯鎖原理如圖4所示,為A、B區聯鎖設計示意(其他片區間聯鎖方式一致,不一一展示)。

圖4　綜合管廊智能配網自動聯鎖原理

圖4中,平時工況下A、B區分列運行,A區Ⅰ進線開關處于合閘狀態,A區電源引自就近左側變電站;Ⅱ聯絡開關處于合閘狀態;Ⅲ聯絡開關處于分閘狀態;Ⅳ聯絡開關處于合閘狀態;Ⅴ聯絡開關處于合閘狀態,Ⅵ進線開關處于合閘狀態,B區電源引自就近右側變電站。

當某一區電源點失電(如A區),Ⅰ進線開關處電流電壓信號監測出現異常,聯動Ⅰ進線開關投切成分閘狀態;待確認Ⅰ進線開關處于分閘狀態后,遠程或就地將Ⅲ聯絡開關投入合閘狀態;這樣A區所有覆蓋的綜合管廊負荷全部由B區電源提供,待A區故障點排除后,將Ⅲ聯絡開關切換成分閘狀態;待確認Ⅲ聯絡開關處于分閘狀態后,遠程或就地合上Ⅰ聯絡開關;A區、B區恢復各自分列運行。

整個保山管廊10 kV配電系統采用分區設計方式,提高管廊變壓器進線電源的可靠性;同時采用10 kV智能配網系統設計,最大程度縮小故障影響范圍,便于管理。上述設計方式從根本上保護保山管廊工程的10 kV用電安全,并大幅度提高運維的響應速度,減少運維人員的工作量。

4　綜合管廊內部電氣及監控系統設計

4.1　電氣系統

4.1.1變配電系統

經過現場測量,保山綜合管廊內部濕度較大,部分管廊段濕度超過85%。同時,管廊需每1 km設計1處變配電系統。針對保山管廊濕度大、變配電設備多的設計背景,采用“變壓器(高防護等級)+配電柜(高防護等級、內部電加熱)”的配置方式。

變壓器采用防護等級IP68、免維護、體積小的10/0.4 kV地埋式變壓器。配電柜防護等級均設計為IP55,并在柜內安裝電加熱系統,當濕度達到75%,該加熱系統會自動啟動。上述設計保證變配電系統在管廊內能夠長時間、免維護的可靠運行。

4.1.2MCC系統

根據保山管廊內所需遠程/就地控制的機械設備較少(主要為雙速風機、水泵及照明設施),且部分在燃氣艙的設備控制柜(箱)需防爆的特點,設計電機控制中心(MCC)。

每個配電區間(約200 m)根據設備數量的不同,設計1～2套MCC控制柜,安裝在設備夾層內。同時,在就地機械設備處設置體積小、防護等級高的就地按鈕箱,與MCC控制柜進行聯動。

該設計方式有兩大特點:維護量小,只需要重點維護每個配電區間的MCC柜;現場按鈕箱性價比高,體積小,整體美觀,容易滿足防爆等級,且造價低。

4.2　監控系統

4.2.1冗余通訊架構

保山管廊工程具有數據傳輸距離長、數據量大,維護量大等特點,將監控系統中最為重要的3個子系統單獨組建通信網絡,獨立成環并上傳到監控中心。這3個系統分別為環境安防系統、IP電話系統(兼做消防電話、消防廣播)、火災自動報警系統(FAS)。

傳統的管廊通信方式是將所有數據采用1根多芯(72芯較普遍)進行傳輸。相比傳統方式,各系統獨立組網方式雖在成本上略有增加,但極大簡化施工難度及后期運維難度,也保證一組通信網在軟故障(軟件或者通信故障)和硬故障(光纖損壞、交換機硬件損壞)的情況下其他兩組通信網絡仍能正常運作,大幅提高管廊通信系統的可靠性。

數據量最大的環境安防系統采用單獨組環、大環套小環的方式。綜合管廊環境安防系統如圖5所示。

圖5　綜合管廊環境安防系統

該方式最大程度保證環境安防系統鏈路的通信可靠性,使整個安防監控通信系統即使在有幾處故障點未排除的情況下仍能安全運營。

4.2.2環境氣體檢測儀傳輸方式

根據GB/T 51274—2017《城鎮綜合管廊監控與報警系統工程技術標準》與GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》的要求,管廊每個艙內均設置有3套相同功能的氣體檢測儀。因此,整個保山中心城區86.23 km的管廊中,布置上萬個各類氣體檢測儀。為了使運維中能迅速排查出檢測儀故障點,采用傳統的4～20 mA模擬量信號傳輸方式。相比總線通信方式,4～20 mA模擬量信號傳輸方式極大地減少大規模管廊運維排查故障點的工作量。

4.2.3可燃氣體檢測“雙保險”配置

保山管廊工程約有近50 km管廊段設有專用燃氣艙。為保證燃氣艙的安全運營,在可燃氣體檢測系統的設計上嚴格參照GB 50058—2006《城鎮燃氣設計規范》[2]、GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》等相關規范,采用15 m間距的可燃氣體檢測儀和獨立式的可燃氣體報警控制器。為保證大規模、長距離可燃氣體檢測的可靠性,可燃氣體檢測儀均采用兼備“總線傳輸+4～20 mA傳輸”的配置方式,將數據通過總線方式接入可燃氣體報警控制器,4～20 mA傳輸方式接入每個防火分區的ACU中。采用上述“雙保險”的方式,確保大規模、長距離燃氣艙的安全使用。

4.2.4“多功能”的IP電話系統

根據GB 50838—2015第7.5.6.1條:“固定式電話消防專用電話合用時,應采用獨立通信系統”,保山綜合管廊IP電話系統通過采用獨立交換機和獨立光纖,組成獨立的通信網絡架構。該設計方式減少單獨消防電話的布置,降低管廊內電話設備的數量,同時采用的獨立通信網絡也提高管廊電話的可靠性。為兼備消防廣播的功能,IP電話單獨配置功放音箱模塊,使IP電話系統功能最大化,實現“網絡電話+消防電話+消防廣播”三合一的功能。

4.2.5“簡約”的火災自動報警系統

針對保山管廊工程全線(超過80 km)均容納電力、通信電纜的情況,設置火災自動報警系統。該系統采用消防二總線的方式,將I/O模塊、手動報警、聲光報警等各種設備接入火災報警主機。同時為方便管理,簡化防火門監控系統,將防火門監控主機省去,簡化為利用門磁開關的干接點直接接入火災自動報警系統的輸入模塊。在滿足防火門監控功能、降低總造價的同時,也解決許多管廊項目中防火門監控主機與火災報警主機銜接不暢的問題。

5　結　語

類似于保山管廊工程組團集群式管廊項目,一般都具有規模大、重要性高、建設于中心城區的特點。對于此類項目,電氣與智能化設計時應從全局角度出發,保障綜合管廊供電和監控系統的可靠性。同時,結合綜合管廊內電氣、智能化設備種類繁多、功能不一的特性,在針對長距離組團集群式管廊項目設計時,還應在滿足現行規范標準基礎上,將后期運維管理作為設計的重要思路依托,對一些功能相似的設備檢測裝置進行簡化重組;對一些因管廊特殊環境可能影響其功能的設備儀器,增加防護和除濕功能;對一些一旦發生故障會導致管廊較大影響的設備,采取縮小故障范圍的設計思路,盡可能避免重大事故發生。

綜上所述,只有基于規范、忠于運維,電氣與智能化設計才能更好地幫助建設單位進行大規模集群式管廊的建設與運營,并能降低后期運維難度及成本。

收稿日期：2018-04-02