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电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 摘 要 本文首先从电网发展对电力电缆隧道建设的需要出发，分析和评价了 目前电力电缆隧道运行监控的现状和水平，从全面提升电缆隧道建设和运 行管理水平的角度，论证了建立“电力电缆隧道计算机综合监控系统”的 必要性。 其次，在借鉴和学习公路隧道等工业现场监控系统及其发展历程的基 础上，结合对相关技术的跟踪和探讨，创造性地定义了以先进的微处理器 技术、网络通信技术、图像处理技术、控制技术、总线技术、数字化传感 技术、多媒体技术和数据处理技术等技术为依托，在全方位的信息采集基 础上利用网络化的系统结构进行数据传输，并通过微机完成对信息的全面 共享、综合处理和集成控制，最终实现对电缆隧道内电力电缆的运行状态、 运行环境和各类辅助设备的多功能、综合性有效监控的电力电缆隧道计算 机综合监控系统的概念，明确提出系统应具有数字化、网络化、集成化、 智能化、可视化和人性化的特点，并前瞻性地指出电力电缆隧道将向区域 电网隧道监控网络的方向发展。 再次，通过对电缆隧道的实际结构、环境特点和监控系统的具体功能 需求的分析，根据工业现场总线和以太网技术的发展现状，确定电缆隧道 监控系统宜采用分层分布式混合网络结构，整个集成系统应包括现场测控 层和管理控制层两个层次。其中现场测控层采用高速现场总线按隧道区段 或功能需要组成相应子系统以实现现场底层的信息采集和处理，而上层管 理控制层采用则 10/100m 工业嵌入式光纤以太网实现现场测控层的接入和 系统集成，完成对众多信息的综合处理和系统协调控制功能。 以分层分布式混合网络结构构成的电力电缆隧道监控系统将主要实现 对隧道内运行的电力电缆本体的实时状态监测、隧道环境和辅助设施工作 状态的监视以及特殊事件的预警及应急处理等监控功能。其中，对电缆本 体将通过分布式测温光纤和在线绝缘检测等子系统完成对电缆负载水平、 总体绝缘状况的实时在线监测，对隧道内环境、辅助设施和安全的监视和 控制则通过一系列数字式智能现场传感装置、现场测控装置和相适应的视 频监视设备来实现，对于隧道内灾害、电缆损伤及电网事故等异常事件的 处理则在及时准确的预警机制基础上通过人性化的人机交互、必要的预案 和智能辅助决策手段实现有效的控制和处理以限制事件影响范围、保证电 网安全稳定和人身安全。 最后，本文在上述研究成果的基础上结合电网建设的特点和现状，实 事求是地指出现阶段电缆隧道监控技术的进一步发展所必须面临的问题和 亟待解决的技术难点，希望借此真正推动电力电缆隧道监控运行管理水平 的提升。 关键字： 监控系统，计算机综合，电缆隧道 the research of computer synthesize control system for the electric power cable tunnel abstract based upon comprehensive analysis and evaluation of current operations for electric power cable tunnel, this paper points out that it is necessary to establish computerized synthetic supervisory control system for the electric power cable tunnel. next in order, referring to developments of the industry spot control system such as highway tunnel control system, this paper presents its innovative definition. the system is built on the ground of the most recent technology within various fields such as microprocessor, network, image dealing, supervisory control, field-bus, digital sensor, multi-media and digital data processing. by use of network-structure data transmission, the system makes the information collected from lower level spot comprehensively shared, synthetically processed and centralized controlled, then realizing effective computerized synthetic control on the running environment as well as supplementary equipments in the electric power cable tunnel. the distinguishing feature of the system lies in its digital, network synthetic, intellectual, visible and humanized control. this paper also forecasts the development of electric power cable tunnel control in the direction of supervisory control network. then, referring to the development of industry spot field-bus and ether technique, this paper analyses the construction, environment and functioning demands of the cable tunnel. the supervisory control system is suggested to build in the form of multi-level distributed mixture-network, including spot inspection control level and supervisory control level. for the spot control, super-speed field-bus is used to form functioning segmental areas so as to collect spot information. with the supervisory control, adoption of 10/100m industry fiber-optic ether net realizes the spot layer connection and system integration. in this way, the information is synthetically and systematically processed and harmonized. the electric power cable tunnel supervisory control system not only monitors the cable essence running in the tunnel, the tunnel environment as well as supplementary equipments but also supports early warning and process in case of emergency. for the cable essence, distributed fiber optic sensor and on-line insulate examiner are used to accomplish the all-time power cable load level control. with the tunnel environment, various spot control tools such as digital intelligence sensor, relay and video monitor are available to deal with tunnel disaster, power cable damage and grid incident. humanized man-machine interface, precaution mechanism help to limit the affection of the incident and ensure the safety for both human and power grid. finally, on the ground of above research, this paper points out the technical problem to be solved to further promote the management of the electric power cable tunnel. key words：supervisory control system, computer synthesize， cable tunnel 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于： 保密 保密 ，在 年解密后适用本授权书。 不保密不保密 。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 1 前 言 前 言 随着社会的进步和经济的发展， 人类社会的城市化已成为一种趋势， 而城市化的不 断发展必然对城市所赖以存在和正常运作的各项公共基础设施建设不断提出更高的要 求。 就现代城市公共基础设施的重要组成部分城市电网而言， 目前所面临的主要问题 是如何妥善解决城市电力负荷持续大幅增长与人类生存环境保护、 城市景观美化之间的 矛盾， 而在城市范围内以电缆方式输送电能无疑是一种有效的解决方法， 同时与电能输 送电缆化相伴而生的城市电网隧道化及其隧道的网络化更已成为现代社会城市型电网 特别是特大型国际性城市电网的特色和发展方向。 上海正在建设成为国际性大都市，上海电网也相应定位于建设成“国际一流”的城 市型电网。 在经济飞速发展和城市建设步伐不断加快的今天， 上海电网作为典型的城市 电网， 同样面临着用电负荷增长和城市协调发展之间矛盾， 为此上海电网在社会的帮助 和市政府的指导下， 主动学习和借鉴国内外相关经验， 积极结合电网建设和市政工程开 展了多项电力电缆隧道（下文简称电缆隧道）建设试点工作。在此基础上，有必要进一 步对上海电网的电缆隧道建设、设计、运行、管理等方面开展基础性规范制定和相关专 题研究工作。 2004 年上海电力设计院根据上海市电力公司的委托已完成了电缆隧道内辅助系 统课题的研究，本项目将在此基础上，结合上海电网近期电缆隧道建设成果，跟踪当 今世界隧道监控及相关技术的发展， 对电缆隧道监控技术及应用作进一步深入研究， 从 全面提升电缆隧道建设和运行管理水平出发， 创造性地提出建立 “电力电缆隧道计算机 综合监控系统”的设想，希望以此推动和完善电缆隧道在上海电网的应用和发展。 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 1 第一章 上海地区电力电缆隧道建设现状 1.1 上海电网电缆隧道建设的必要性 1.1.1 中心城区负荷密集区供电可靠性的需要 近年来上海电网一直处在高速发展的阶段，全网用电负荷和年用电量屡创新高，年增长率均在 10%左右。2005 年上海电网最高负荷已达到 16682mw，全年用电量达到 911 亿 kwh，中心城区用 电负荷约占全网负荷的 60。今后几年上海电网仍将保持较高的增长率，根据预测，至 2020 年上 海电网全网用电负荷和年用电量将达到 36000 mw 和 1600 亿 kwh，中心城区用电负荷所占比例仍 将在 46%左右、负荷密度将由目前的 14 mw/km2 上升到 25 mw/km2。 上海中心城区人口高度密集、土地资源相对稀缺，地区电网又呈现出高负荷密度、持续高增长 的特点，这就要求采用高电压、大容量输变电设备以提高对区域内有限的变电站站址和电力通道资 源的利用率。根据上海电网整体发展规划，为适应中心城区高负荷密度和高负荷增长的需要，今后 上海电网将直接以 220kv 终端、中心变电站甚至于 500 kv 终端变电站深入中心城区的负荷中心就 近供电，届时相应 500kv 及 220kv 变电站电源进线的输入容量将达到 1000 mva，即使是 220kv 终端变电站的电源进线输入容量也将达到 300400mva。采用高电压、大截面电缆可以满足大输送 容量的要求，但该类电缆外径粗、重量重、发热量大，不适宜采用传统的排管、电缆沟及直埋等敷 设方式，而应采用电缆隧道方式敷设，以改善大截面电力电缆的运行环境，保障电力电缆设施的本 体安全，高效实现和充分利用电力电缆的设计输送容量。因此，电缆隧道的使用，是满足中心城区 高负荷密度和电缆化的供电要求，有效保障电力通道的输送容量和提高通道资源利用率的重要措 施。 1.1.2 市政府架空线入地政策的要求 根据上海建设国际型大都市的总体工作部署，为打造与上海国际性大都市整体形象相适应的城 市景观、人文环境和社区环境，市政府明确将中心城区、 “三城九镇”等核心地区以及其它重要地 区和路段划入架空线入地的控制范围，控制范围面积超过 450km2，涉及景观道路超过 120 条。 中心城区等区域架空线入地既是对城市电网电缆化供电模式的推动，更对城区内电力通道的建 设提出了新的要求。上海目前中心城区地下的煤气、通信、热力、上下水等市政管线密如蛛网，留 给电力的通道有限，要贯彻市政府架空线入地的政策，就必须建设以电缆隧道为主的城市地下电力 输送通道网络，以充分和高效利用城市地下通道资源，全面符合和兼顾城市整体发展和城市电网发 展的需要。 综上所述，在上海城市电网特别是中心城区建设电缆隧道既是城市整体发展的需要，更是电网 本身发展和提高的要求，是城市电网发展的必然趋势。 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 2 1.2 上海电网电缆隧道建设现状和展望 1.2.1 上海电网电缆隧道建设现状 城市化程度的不断深入，现代城市内架空线路逐渐被地下电缆方式取代已经成为世界潮流。在 欧洲丹麦哥本哈根市、德国柏林市已将 400kv 输电线路地下化；在日本东京市、大阪市等都会区 采用了大量地下输电线路，东京都会区內地下输电线路占全部输电线路 85%以上，东京市已有部份 500kv 输电以 xlpe 电缆布设于地下洞道； 在我国台湾省的台电六输计划中已列入许多架空输电线 路进入市区采用地下电缆方式布设的内容，台南科学园区的 345kv 输电地下电缆已经完工并投入 运行，台北市仙渡 345kv 地下电缆线路和松湖地下电缆工程正处在工程设计中等。 上海电网目前虽然还没有形成规模性的电缆隧道网络，但通过多年的努力探索和不断创新，结 合具体电网建设和市政工程的实施，上海电力在城区内已建和正在建设多条电缆隧道。这些电缆隧 道一般多位于市区繁忙地段、变电站出口、或穿越黄浦江处，隧道的规模越来越大，结构越来越复 杂（详见表 1-1） 。其中已建成且较具代表性和借鉴意义的有杨高中路隧道、新江湾隧道、西藏路隧 道和复兴路电缆隧道等，而为配合 2 座 500kv 变电站深入市中心所在建的 500kv 世博站和 500 虹 杨站电力电缆隧道群不但在电缆电压等级、电力电缆回路数和电缆隧道长度等方面寻求新的突破， 更开始尝试以大型变电站为核心构建放射状电力电缆隧道网络。上述项目的实施，在技术上进行了 大量的探索和积累，起到了很好的工程示范作用。在协调电力网建设和环境保护方面作了有益的尝 试，取得良好的社会效益。 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 3 表 1-1 上海电网已建和在建的电缆隧道 建设年 份 隧道名称 隧道长 度(m) 隧道结构 电缆规模 备 注 2006 虹杨站隧道群 12000 盾构掘进 内径 4.0m 3 回 500kv 电缆、4 回 220kv 电缆, 12 回 220kv 电缆, 1 回 500kv 电缆、10 回 220kv 电缆 3 根隧道 在建 大截面电缆 2006 世博站隧道 17000 盾构掘进 内径 4.5.3m 3 回 500kv 电缆，10 回 220kv 电缆 在建 大截面电缆 2006 杨高中路隧道 3200 顶管 内径 3m 12 回 220kv 电缆 电缆截面为 1400mm 2 2006 龙阳路隧道 1700 顶管 内径 2.73m 多回大截面 220kv 电缆 电缆截面为 2500mm 2 2005 新江湾隧道 2700 大开挖 多回 220kv 电缆 2004 西藏路隧道 3033 顶管掘进 1012 回 220kv 电缆 2003 复兴路电缆隧道 550 顶管掘进 8 回 220kv 电缆 1994 闸电厂前电缆隧道 100 钢筋混凝土8 回 220kv 交联及充油电缆 1992 福州路电缆隧道 550 盾构掘进 2 回 220kv 充油电缆 1992 广场站前电缆隧道 100 钢筋混凝土4 回 220kv 交联及充油电缆 1990 打浦路电缆隧道 550 盾构掘进 2 回 220kv 充油电缆 1989 杨厂电缆隧道 1070 钢顶管 2 回 220kv 充油电缆 1988 华山站前电缆隧道 78 钢顶管 2 回 220kv 充油电缆及 35kv 电缆若干 1983 万体馆电缆隧道 100 钢筋混凝土2 回 110kv 充油电缆及 35kv 电缆若干 另外，在上海地区除电力系统外电缆隧道也已得到广泛的应用，其中规模较大的主要有上海宝 钢厂区电缆隧道和上海石化专用电缆隧道；宝钢厂区经多期建设已建成总长超过 70km 的电缆隧道， 隧道内敷设电压等级在 110kv35kv 的各类电缆多回，同截面电缆最高密度为 8 回 110kv 电缆；石 化专用电缆隧道长度近 8km，内敷设有大量 35kv 电缆。 1.2.2 上海电网电缆隧道建设展望 电缆隧道的建设应结合具体的市政规划和电网规划，遵循“统一规划、分步实施”的原则，按 “点线面”的顺序予以分步实施建设。 目前，上海电网电缆隧道的建设还处于起步阶段，主要是根据市府架空线入地原则在控制范围 内结合市政改造，在外部条件成熟和电网安全允许的地方，率先建设单独的电力电缆隧道并结合电 力电缆排管的使用以逐步实现架空线入地，此阶段电缆隧道的建设具有尝试性、探索性和偶然性， 隧道总体布置分散，互相间独立，是“点”的建设阶段。在有效开展控制范围内架空线入地工作并 结合范围内新建线路电缆隧道化的实施，积累一定数量独立的电缆隧道和制定适合电网总体发展规 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 4 划的电缆隧道网络规划的基础上，将进入电力电缆隧道“线”的建设阶段，此阶段将主要依据电缆 隧道网络规划，充分利用已有的电缆隧道“点” ，将“点”连成“线” ，完成主干电网架空线入地， 重点建设规划中电缆隧道网络的主干通道，初步建成电缆隧道主干网。远期，在主干“线”建设的 基础上，不断强化隧道网的主干网，并大力开展支线电缆通道的建设，通过支线的延伸以提高电缆 隧道网“面”的覆盖率，最终构筑以大型电力电缆隧道为主干，以支线隧道为延伸，以电力电缆排 管为补充的现代化地下电力通道网络，全面实现控制范围内架空线入地的目标。 1.3 电缆隧道运行环境监控现状 电缆隧道为敷设和运行在其中的电力电缆提供了一个良好运行环境。就电力电缆运行条件而 言，运行于隧道环境中的电力电缆通过敷设方式的优化、环境因素的改善和控制将直接影响到电缆 实际载流量和运行寿命的提高； 就电力电缆本体而言， 隧道的建立使得实现对电力电缆的绝缘状况、 电缆的运行温度特别是电缆接头的温度变化等关系到电缆运行安全的实时运行状态监视成为可能； 就隧道应急事件处理而言，在电缆事故和异常灾害发生时，可以及时通过隧道内各类辅助设施和预 警及应急手段以有效控制事件影响范围，确保电网安全稳定、保证人身安全、较少经济损失。上述 所有影响电力电缆正常运行的因素和保证电缆状态的措施就是电缆隧道运行和环境监控的基本内 容，其具体的实现方式则经历了人工、半人工和简单联动控制等阶段，目前正开始进入综合智能控 制阶段。 上海电网的隧道监控也经历了上述过程。早在上世纪八十年代上海电网就开始建设电缆隧道， 但当时的电缆隧道基本未设置监控装置，仅依靠人工巡查以实现对隧道及运行电缆的状态监视（具 体的巡视内容主要包括隧道外部的路径沿线是否有外力损坏和潜在危险源以及隧道入口是否完好 和有否阻碍等，隧道内部则关注电缆位置是否正常、电缆外皮、铠装及护套有无锈蚀、有无损伤及 鼠咬现象、电缆终端头绝缘套管是否完好、清洁、有无闪络放电痕迹、电缆芯线、引线的相间及对 地距离是否符合规定，接地线是否完好、电缆接头是否变形、充油电缆特别是接头处是否有漏油、 电缆相色是否明显、隧道内温度及湿度是否正常、是否有积水或杂物、电缆支架是否牢固、有无锈 蚀和松动现象、防火、通风、排水等设施是否完善等） ；到上世纪九十年代，鉴于实际运行中电缆 隧道特别是敷设有充油电缆的隧道确有火灾事故发生（如上海石化专用电缆隧道因 35kv 电缆单相 接地故障引起火灾，造成重大损失等）的事实和借鉴国内外有关电缆隧道监控发展的经验，上海电 网逐渐在新建电缆隧道中设置必要的火灾预警设施，并对原有电缆隧道进行相应的消防更新改造， 同时辅以必要的人工巡视；发展到今天，各类测温消防报警系统（点式测温、缆式测温等） 、消防 与通风设备的联动系统以及通信系统等以火灾预警和消防控制为主要目的各类功能性装置已在上 海电网现有的电缆隧道中得以普及并开始尝试各功能装置间的协调和简单集成，这些装置的应用， 在一定程度上保证了电缆隧道的安全运行。 在电缆隧道建设及其运行监控领域，西欧和日本的发展处于领先地位。他们不但在大截面、长 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 5 距离、高电压等级、特殊环境电缆隧道（如海底、大桥等）的建设上早已取得成功（如英法多弗海 峡隧道，全长 48.5km，敷设多回 220kv 电缆；日本东京湾隧道，全长 9.4km，敷设两回 77kv 电缆， 并预留 500kv 电缆通道） ，同时在常规城市电缆隧道的监控方面也有所创新（日本关西电力公司南 港火力输电电缆线路区间长 3.4km，采用了间接水冷系统） 。以伦敦中心城区电缆隧道为例，该隧道 全长 10km(6.2 英里)，地处市中心繁华商业区地下，于上世纪九十年代配合伦敦中心城区电网升级 改造和地下变电站的建设而新建，现已敷设有 4 回 132kv 电缆和 6 回 66kv 电缆；该隧道率先配置 了分布式光缆测温系统和气体传感系统，不但提高了隧道的火灾预警能力，更通过对电缆温度的实 时在线测量初步实现了对电缆实时载流能力的监测。在台湾台南科学园区地下电力电缆隧道则在隧 道运行管理和控制中引入了洞道风冷机冷却系统。 目前无论国内还是国外，电缆隧道的监控基本上仍处于初级阶段。不同隧道根据自身的需要和 不同侧重点配置一种或多种监视或控制装置，每种装置各自独立完成其特定单一的监控功能，相互 间缺乏必要的联系和有效的协调，无法实现真正的信息共享，不具备综合监控的能力，监控手段单 一、效果不理想，未建立起真正意义上的综合性电缆隧道计算机综合监控系统。 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 6 第二章 电缆隧道监控系统的总体设想 2.1 类似隧道监控系统的发展历程 电力电缆隧道仅有区区几十年的历史，相比于已具有上百年历史的公路隧道和城市共同沟而言 只能算是一个新生事物，相应的陆路交通和城市基础设施管理部门对公路隧道和城市共同沟的监控 技术同样也大大领先于电力电缆隧道的监控技术，值得电缆隧道的运行管理部门加以借鉴和学习。 2.1.1 公路隧道监控系统 隧道监控系统的概念最早出现在公路隧道的监控领域。公路隧道不同于一般路面道路，具有空 间相对封闭、道路机动力差、视觉环境不自然、空气污染严重和辅助设备多等特点，一旦出现故障 或灾害不但会影响公路交通，严重的还会危及人身安全和破坏环境。为此，人们根据公路隧道结构 和运行管理的需要，建立起公路隧道监控系统以保证隧道的安全畅通、提高隧道通流能量、降低事 故和其它灾害的发生率、有效控制隧道内环境质量。 从 60 年代开始，国外就相继开始研究先进的隧道控制系统，欧洲、美国、日本等西方发达国 家先后开发了相应的隧道控制系统，随着计算机技术、图像处理技术、通讯技术、控制技术的发展， 同时伴随着以太网技术和总线技术在隧道监控领域的引入，使以全方位、高速信息采集、传输和共 享为基础，以微机综合处理和控制为核心的多功能集成化系统成为目前公路隧道监控系统的主流模 式。系统一般采用分层分布式网络结构以取代传统的模拟集中控制和集散式控制网络结构，采用以 太网方式构成并与隧道外场区域控制主机组网，隧道外场就地的区域控制主机则通过分布式现场总 线以实现对终端信息采集和相关设备的控制。在控制中心的协调和管理下系统通过隧道外场区域控 制主机有效汇集各类外场终端设施的信息进而实现对此类设施的控制，最终完成公路隧道的交通调 度和流量监控、应急事故处理、防灾报警、环境质量及隧道辅助设备监控等功能。随着公路隧道网 络规模的不断扩大，对公路隧道的监控正呈现出由原有的单隧道监控系统向隧道集群监控系统发展 的趋势。 2.1.2 城市共同沟监控系统 城市共同沟是指将两种以上的城市管线集中设置于同一地下管型封闭人工空间，所形成的一种 现代化、集约化的城市基础设施，是对城市地下空间的高效利用和资源整合的重要手段，采用此模 式进行管线敷设和运行同样也是现代城市建设和城市发展的趋势和潮流。 共同沟最早出现于十八世纪中叶的法国，至今已有一百多年的历史，至十九世纪中期无论在建 设规模还是在技术应用上都有了长足的进步，并逐渐提出并完善了“规模化建设、集约化管理和智 能化控制”的现代城市共同沟的总体设想。通过近几十年的探索和努力，城市共同沟的使用已在国 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 7 外出现不少的成功案例，而国内一些现代化程度较高的大型城市的基础设施建设也已引入了城市共 同沟的内容。 针对城市共同沟收容了大量直接关系到城市基本功能的设施（包括电力、燃气、供暖、信息及 给排水等管线）和共同沟本身正常运行所需的动力、照明及排水等附属设施的管线的特点，目前国 内外普遍采用综合智能化监控系统，以综合智能监控模式实现对整个共同沟实施快速有效的集约控 制。共同沟监控系统的主要任务是确保沟内管线及操控设备能正常运行，并在发生事故时能迅速反 应处理。 监控系统至少由系统主机、 多功能参数模块 （进行现场各类环境数据及设备状态信息采集） 、 控制模块（状态调整和必要的联动）及通信模块（实现系统内及系统与外界的通信）等部分，系统 通过通信网络将众多的具有通信接口的多功能参数仪表及测控设备与系统主机相连，由系统主机进 行智能化管理进而实现数据集中处理、设备和环境监视、综合联动控制等。 2.2 电力电缆隧道计算机综合监控系统概念的提出 对照公路隧道、城市共同沟和电缆隧道，无论是隧道本身及其发展历程，还是隧道运行对监控 的要求和相应监控技术的进展均存在很大的相似性，当然由于隧道内运行设备主体(电缆隧道内主 要运行输送电能的各类高压电力电缆，而公路隧道主要运行承担公路运输的各类运输车辆)的不同， 也客观地要求上述两种隧道及其监控系统具有各自的针对性和特点。正是在学习和研究公路隧道监 控系统及相关技术发展的基础上，结合上海电网电缆隧道建设及运行的现状和发展的需要，2004 年上海电力设计院有限公司所承担并完成的上海市电力公司科研项目-电缆隧道内辅助系统课 题研究报告中已明确提出应对电缆隧道实施自动化综合监控的初步设想，并大胆预言上海电网电缆 隧道的运行管理模式必将向计算机综合监控方向发展，进而实现集约化、智能化的电缆隧道监控网 的监控模式。要真正推动对电缆隧道及隧道网络的集约化、智能化监控的进程，最终实现电缆隧道 监控网在上海电网的应用，有必要先从实现单电缆隧道监控系统入手，率先确立电缆隧道监控系统 的概念，建立起真正意义上电缆隧道计算机综合监控系统。 电缆隧道计算机综合监控系统（下文简称电缆隧道监控系统）是指采用先进的微处理器技术、 网络通信技术、图像处理技术、控制技术、总线技术、数字化传感技术、多媒体技术和数据处理技 术等，在全方位的信息采集基础上利用网络化的系统结构进行数据传输，并通过微机完成对信息的 全面共享、综合处理和集成控制，最终实现对电缆隧道内电力电缆的运行状态、运行环境和各类辅 助设备的有效监控的多功能综合性监控系统。该系统具有数字化、网络化、集成化、智能化、可视 化和人性化的特点。 电缆隧道监控系统作为一个完整的工业控制管理系统，涵盖了包括自动化、通信、计算机、信 息学等门类学科的相应应用技术。系统的设计应遵循以下主要的设计原则： i) 以确保隧道运行，人身安全和电缆输送能力为目的，对隧道实行统一监控和集中管理 ii) 建立多级、分功能、多系统集成计算机网络，完成智能监控、操作、维护、通信、资源共 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 8 享等功能，各子系统界面清楚，保持相对独立性，且均有自诊断功能，以便及时准确地发现异常和 故障，并能迅速地清楚故障，系统应具有降级使用功能 iii) 设备选型应考虑隧道内的工作环境，尽可能采用成熟技术及产品，关键设备计算机采 用冗余配置，确保系统可靠性 iv) 系统具有开放性、可靠性、先进性、可扩展性等特点，同时必须具有高速、实时、可靠性 检测隧道内运行状态以及检测各类事故、灾情的能力，还能掌握各类管理信息，及时做出有效的措 施 主系统具有开放性，子系统具有可扩展性余留管理的网络接口和通信接口 v) 为便于对电缆隧道这一类似智能建筑的构筑体的科学化管理，还应从“人性化”的角度将 多个子系统进行了整合。 2.3 电力电缆隧道监控系统的主要功能 电缆隧道监控系统是整个电缆隧道运行管理的指挥、调度中心，其主要功能将涉及对隧道内运 行的电力电缆本体的实时状态监测、隧道环境和辅助设施工作状态的监视以及特殊事件的预警及应 急处理等三个层次。首先系统应能完成对隧道内主要电缆负载水平、总体绝缘状况、电缆本体固有 缺陷以及其他可以表征电缆实际运行状态的信息的采集，在此基础上通过综合计算和深入分析以实 现对电力电缆这一隧道内主要电气运行设备实际工况和环境的实时监测和掌控，确保电缆的安全和 性能的可靠，使之正常高效运行并满足电网要求；其次，系统通过对隧道内各类环境信息（环境温 度、湿度、水位、空气成份等）和一系列辅助设备系统工作运行状态的监视以控制和提高整个隧道 系统运行环境的可靠性和相应控制与调整的有效性；再次，能对灾害、电缆损伤及电网事故等事件 进行尽量准确的预警，并在事件发生时能通过人性化的人机交互和必要的预案和智能手段及时有效 地控制和处理将事件影响范围限制在最小范围内，保证电网安全稳定和人身安全。 电缆隧道监控系统对电缆及隧道监控的实现，并不是简单地对应各类功能需求设置相关的辅助 设备并分别完成相应的监视和控制功能，而应在构建完善的计算机综合监控系统的前提下以网络 化、集成化和数字化的方式将隧道内所有相互独立的电缆负荷及绝缘实时监测、供配电、照明、通 风、排水、消防、通信、视频及冷却等辅助设备纳入一个系统范围内，进行有机的集成，在信息充 分共享的基础上实现高度智能和系统的联动，使之形成一个综合性的监控系统。 根据现有电缆隧道运行经验并结合电网不断发展对电缆隧道运行的要求，电缆隧道监控系统具 体应具备下列监控功能： i) 对电力电缆运行状况（传输容量）的实时监测： ii) 对电力电缆绝缘水平的实时监测： iii) 对电缆隧道运行环境（环境温度、湿度、水位、空气污染程度等）的实时监测： iv) 对隧道内火灾的预警和消防设备的控制 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 9 v) 对隧道内供配电、照明、通风、排水及通信设备的监视、联动控制和日常巡视： vi) 智能化的综合处理能力和人性化的人机界面（mmi） （事件报警、定位、信息的多媒体 显示、应急预案及智能决策支持功能等） ： 上述具体监控功能中，对电力电缆运行状况（载流量、绝缘水平及各类缺陷）的实时监测是现 行电缆及隧道运行管理的薄弱点，应作为电缆隧道监控主要突破方向；对电缆隧道运行环境和辅助 设施状态的监视应向信息采集整体化、场景显示多维化发展，以完全替代传统的人工巡视方式；对 隧道内火灾报警、消防联动设备的控制，则要求在现行隧道火灾报警系统上重点发展多信息综合处 理、预警技术和辅助设备系统智能联动功能；人性化的人机交互和必要的智能控制决策手段（包括 事件报警及定位、信息的多媒体显示、高级应用软件等）是提高电缆运行管理效率，减轻运行管理 人员的劳动强度的有效手段。 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 10 第三章 电缆隧道监控系统的结构设计 3.1 电力电缆隧道监控系统结构 我们所要建立的电缆隧道监控系统是工业自动化控制技术的一种具体应用，系统的结构和规模 是否合理将直接关系到整个监控系统的综合性能和整体水平。在具体系统结构选择时不但要考虑系 统所处现场环境及监控对象对系统测控的要求，更应考虑管理运行层面对系统功能集成的要求，应 力求系统的可靠性、稳定性、先进性、可扩展性与经济性的有机结合。 3.1.1 现场级测控系统的选择 就技术的发展而言，控制技术的发展走的是集中分布分散分布的道路，信号处理技术也逐 渐由模拟向数字方向发展。具体到现场测控领域，则经历了以模拟信号为主的电子装置和自动化仪 表阶段、以单片机和 plc（programmable logic controller）为主的电子化集中式控制系统阶段， 目前应用较广泛的分布式控制系统 dcs（distributed control system）阶段和日趋完善的数字化 现场总线技术为核心的现场总线控制系统 fcs（fielebus control system）阶段，前两个阶段相对 dcs 和 fcs 这两个阶段而言属传统的现场测控系统阶段。 在真正出现完整的控制技术以前，二十世纪初期已出现了以 315psi 为标准气动信号体制的控 制技术雏形；至二十世纪 60 年代，随则 420ma 标准 dc 信号体制的应用，以模拟式电子仪表和电 动单元组合的控制技术和控制系统开始在工业领域得到广泛的应用；到了 70 年代，以 plc 为主的 微处理智能技术的应用更是推动了传统测控技术的发展。 二十世纪 70 年代中后期，过程控制自动化领域出现了分布式控制系统（dcs 系统中各现场设备 通过星形网络汇集至中继服务器）和兼容数字与模拟通信的可寻址远程传感器数据公路 hart （highway addressable remote transducer）技术；80 年代推出了现场总线控制系统-fcs，fcs 的出现突破了 dcs 从上到下的树状拓扑结构束缚，并将 dcs 与 plc 结合起来，采用总线互通信的拓 扑结构，进入了开放、分散和数字化的现代控制阶段。 在传统现场测控系统中，现场设备之间及现场设备与现场区域控制器间的联系是点对点的电缆 连接方式，信号的传递方式也是以模拟量为主，系统存在信息精度不稳定、信息量有限、系统不开 放、集成度差、可靠性不易保证、可维护性不高和无法实现远程传输和监控等缺点，已无法适应现 今大规模工业现场特别是大规模电力电缆隧道综合监控的要求。 dcs 是目前应用最为广泛的现场测控系统，其分层分布的思想是自动化控制管理方式的一次重 大变革，但由于其是一种封闭专用的、不具备可互操作性的系统使其缺乏灵活性、开放性，而信号 传输仍采用模拟方式则更制约了其应用的进一步发展。应该说，dcs 是传统现场测控技术向现代数 字化现场测控的过渡阶段。 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 11 根据国际电工委员会（iec）的定义，现场总线是指安装在制造和过程区域的现场装置与自动 控制装置之间的数字式、串行、多点通讯的数据总线，fcs 正是以现场总线为基础构建的全数字控 制系统。 现场总线广义上指控制系统与现场检测仪表、 执行装置进行双向数字通信的串行总线系统， 是用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放、全数字化、双向、多端的通信系统，是基于智能 化仪表和现场总线的控制系统。 fcs 打破了原有现场测控系统点对点的结构形式，采用数字信号传输替代模拟信号传输以实现 在一个传输通道上进行多路信号的传输并减少了现场设备在传输过程中的模拟/数字转换环节和由 此引起的信号衰减；同时从控制论的角度而言，减少了中间环节就意味着增加了系统的可靠性。与 dcs 及其他传统的现场测控系统相比，就总体而言现场总线 fcs 有以下技术特点： a) 封闭的物理过程 现场总线作为整个通信构架的最底层，将现场的传感器、执行器以及各种设备与控制系统联接 起来，这些传感器和执行器直接安装在物理过程上，并在基于二进制或模拟信号的物理过程和基于 数字信息的控制领域之间建立了边界，实现了上述传感器和执行器的多智能集成，建立了上述设备 信息传输服务所必需的适时和不损失控制的基础。 b) 更大的覆盖范围 在现场总线的应用下， “现场”的范围得到了很大的延伸和扩展。传统 10m 以下的总线属于并 联或专用系列总线，而现场总线的覆盖范围则在 100m5000m 之间，属千米尺度以串行为主的总线。 c) 大规模简洁的设备联接 现场总线可联接的现场层设备数量大大超过传统的 420ma 控制系统，数量一般可达到几百台， 即使是大规模应用现场也可以简单地以多段现场总线段实现上千台现场设备的联接。 d) 适时性的操作 现场总线通信系统通常是自动化过程中控制功能的核心部分，必须遵守由控制系统所提出的时 间限制，其基本的功能就是可预期的存取时间和可预期的传递时间，并应具有在突发事件的情况下 为过载传输提供阻抗的功能。 e) 完整和有效的信息传输 现场总线作为连接生产过程的物理途径，其传输的可靠性体现如下： 传输完整性： 未知出错率低于每 20 年一次 冗余能力： 可使用双介质或双总线 传输验证： （生存期、确认、） f) 可选择性用户服务 现场总线可满足不同方面的多种需求的应用（如优先权、服务完整性、时间性能以及网络拥塞 的恢复能力） ，意味着服务和服务的性能对于用户（或应用）是可选择的。 对于现场给定的设备，针对不同的应用，现场总线支持远程组态功能，以便选择适当的通信质 量和适当的本地应用，达到不同的质量要求。 上海交通大学工程硕士学位论文 电力电缆隧道计算机综合监控系统研究 12 g) 集成和开放性的结构 现场总线支持分布式时间循环结构，并通过变量进行交换，构成了一个实时更新的共享的数据 库。 现场总线标准、协议规范是公开的，所有制造商都必须遵守；现场总线网络是开放的，既可 实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪一家；用户可共享网络资源。 h) 良好的现场环境适应性 现场总线是将通信线(总线电缆)延伸到控制现场(制造或过程区域)，或总线电缆就是直接安装 在控制现场的，是靠近现场实际生产过程、直接面对苛刻和特殊的现场过程环境，因此，现场总线 的设计按能经受运行环境严酷条件考验的要求。 底层通信数字化： 现场底层的变送器传感器、执行器、控制器之间的信号传输均用数字信号。 结构与功能分散化： 现场总线的系统结构和功能具有高度分散性，分散的系统结构最大限度地适应了现场完成不同 功能设备布置的分散化、环境的多样化和运行条件的多变化等要求，现场设备由分散的功能模块构 成，分散化是提高系统安全性的一个有效手段。 现场设备的互操作性与互换性： 不同厂商的现场设备可以互连互换，互相之间可以进行信息交换并可统一组态。 总之，fcs 不但在技术上很好地继承了 dcs 集中监控、分散控制、操作方便、可靠性高的长处， 更将控制功能下移至现场层，使原 dcs 的多层网络得以扁