淺談城市管廊配電能效監控平臺的應用

摘要：在城市化進(jìn)程推進(jìn)、大城市人口急劇膨脹的背景下，為了解決城市發(fā)展和建設的需要，城市基礎設施建設。方興未艾，各城市綜合管廊項目也呈現蓬勃發(fā)展的趨勢，建設規模和水平上有了很大的提高。綜合管廊的管理模式已從傳統的管理模式向信息化智能化管理的方向發(fā)展，依托大數據信息分析能力和智能化運營(yíng)管理手段，為綜合管廊在基礎設施集約化管理基礎上，提供更多和更科學(xué)的解決方案。作為綜合管廊管理的大腦中樞系統，“一體化監控運管平臺"集數據收集、遠程控制、預案執行、連鎖聯(lián)動(dòng)、智慧運管和狀態(tài)信息數據分析指導決策等多功能為一體，是名副其實(shí)的智慧指揮中樞。本文結合地級市綜合管廊項目的項目實(shí)例，提出一些關(guān)于城市綜合管廊一體化監控運管平臺系統的建設技術(shù)思路和技術(shù)應用，希望能為后續管廊建設和運營(yíng)管理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：城市綜合管廊；監控運管平臺；三層次系統架構；軟硬件智能聯(lián)動(dòng)

1、城市綜合管廊監控運管平臺系統的建設意義

城市地下綜合管廊指城市地下空間集中敷設電力、通信、給排水、熱力、燃氣等各類(lèi)管線(xiàn)的公共隧道，也包括消防、照明、監控、通風(fēng)、排水等自身設備。城市地下綜合管廊的管線(xiàn)種類(lèi)日益增加，需要利用到的地下空間越來(lái)越大，為了保證地下綜合管廊的設備設施安全運行，就需要擁有一套行之有效的綜合智能監控系統。

綜合管廊屬于地下封閉空間，并且管理區域和管廊位置有一定的距離，如果管廊內發(fā)生突發(fā)事件，依靠人力去處理，在及時(shí)性上無(wú)法的得到保證；并且日常巡檢和設備狀態(tài)信息的采集，也不是單純依靠人力和單一統軟件就能有效的完成的。因此，建設一套完善的、可擴展的、模塊化的綜合監控系統，變成綜合管廊智能化應用的重要一環(huán)。

城市綜合管廊監控運管平臺為管廊內資產(chǎn)管理、設備運行情況、管廊內環(huán)境情況監測、設備遠程監測和控制、廊內緊急情況處置5個(gè)方面提供智能化的設備監控及能耗管理解決方案，助力管理企業(yè)實(shí)現遠程設備監控、應急聯(lián)動(dòng)處置和智能數據分析等功能。

2、城市綜合管廊的維護與管理

城市地下綜合管廊作為城市市政地下空間配套工程，管廊內敷設眾多不同作用的管線(xiàn)，管線(xiàn)的運行安全，需要定期巡檢，對于管廊管理工作提出了比較高的要求?，F在城市綜合管廊運營(yíng)管理方式，大多數還采用人工巡查，單系統管理的模式，因為綜合管廊屬于地下封閉空間設施，環(huán)境比較復雜，一般管廊長(cháng)度都比較長(cháng)，重要設備安裝點(diǎn)位比較多等特點(diǎn)，不太適合人工巡查，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，管理手段的豐富，應用了一些自動(dòng)化和信息化的手段來(lái)管理，但是還是存在各系統之間比較獨立，存在信息孤島，沒(méi)有實(shí)現信息共享、智能聯(lián)動(dòng)和數據分析應用等功能。

結合城市綜合管廊的運營(yíng)特點(diǎn)和管理側重，城市綜合管廊監控運管平臺系統開(kāi)發(fā)采用三層次系統架構體系，系統實(shí)現“高內聚、低耦合"，打通各系統間的數據壁壘，實(shí)現數據共享，在設備遠程監控方面也解決了多系統、多協(xié)議的問(wèn)題。

3、城市綜合管廊監控運管平臺系統技術(shù)應用

2019年我參與了某市商務(wù)區綜合管廊項目的智能化建設，本工程涉及三條市政道路，為三艙管廊（包括：綜合艙、電力艙和燃氣艙），綜合管廊總長(cháng)度為2.4公里，監控調度中心距離管廊現場(chǎng)約1.5公里，是典型的異地監控、本地執行的綜合管廊智能化建設項目。

綜合管廊涵蓋的主要業(yè)務(wù)子系統有環(huán)境與設備監控子系統、管廊安防視頻監控子系統、入侵報警及巡查子系統、有限電話(huà)系統、無(wú)線(xiàn)通信子系統、結構監測子系統、配電子系統、資產(chǎn)管理子系統等。

綜合管廊監控運管平臺系統部署在監控調度中心，使用多臺數據庫服務(wù)器和應用服務(wù)器實(shí)現軟件基礎環(huán)境功能，服務(wù)器都配置了冗余熱備份。平臺系統與深度集成的各子系統之間，通過(guò)約定的協(xié)議及接口方式連接，實(shí)現綜合監控平臺與各子系統的數據對接和指令下發(fā)。

本文我結合所參與的項目，主要介紹城市綜合管廊監控運管平臺軟件的架構、接入技術(shù)，以及平臺軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)和監控運管平臺應用效果等。

3.1平臺軟件系統架構

綜合管廊監控系統軟件平臺采用三層次架構（3-tierapplication），將整個(gè)業(yè)務(wù)應用劃分為：表現層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）、數據訪(fǎng)問(wèn)層（DAL，按照數據接入技術(shù)屬性一般拆分成兩層，包括數據服務(wù)層、數據采集層，在軟件架構劃分同屬數據訪(fǎng)問(wèn)層），在不同層次采用不同計算機信息技術(shù)，實(shí)現有效、穩定、先進(jìn)的系統應用。

（1）數據層

數據采集層，屬于數據層傾向于數據接入和數據采集，主要依托于現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )架構，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )接入、匯聚，現場(chǎng)設備信息和命令執行，是平臺和設備進(jìn)行交互的橋梁。對通過(guò)各種通信接口，如TCP網(wǎng)絡(luò )、UDP網(wǎng)絡(luò )、RS485串口、RS232串口、CAN等，接入系統中的設備，按照設備自身的通信協(xié)議格式，進(jìn)行設備實(shí)時(shí)參數和狀態(tài)的收集、控制命令的下達。

數據服務(wù)層，也屬于數據層傾向于數據存儲和數據管理，對采集到的各類(lèi)設備數據，進(jìn)行分類(lèi)、清洗、計算、存儲；根據用戶(hù)功能要求，進(jìn)行數據的分析、挖掘、處理，以標準服務(wù)方式提供給應用層，是應用層功能的支撐。

（2）應用層：應用層，也稱(chēng)為業(yè)務(wù)邏輯層（BLL），位于物聯(lián)網(wǎng)三層結構中的較頂層，其功能為"處理信息"，用戶(hù)所需要的功能邏輯在本層實(shí)現。通過(guò)對用戶(hù)的需求進(jìn)行分析、歸類(lèi)，調用數據服務(wù)層提供的數據和服務(wù)，實(shí)現對物理世界的實(shí)時(shí)控制、準確管理和科學(xué)決策。

（3）表現層：在軟件體系架構設計中，本層的主要功能是數據信息展示、控件布置和應用界面設置等，是用戶(hù)使用綜合管廊監控系統軟件平臺的軟件界面呈現，通過(guò)Web端、客戶(hù)端、移動(dòng)端、大屏、平板等方式，給用戶(hù)豐富、方便的數據展現。

3.2平臺系統軟硬件接入

綜合管廊監控運管平臺系統的建設主要目的是集中控制、環(huán)境監測、智能聯(lián)動(dòng)和應急指揮，主要功能包括水泵狀態(tài)和控制、風(fēng)機狀態(tài)和控制、集水坑液位、溫濕度檢測、氧含量檢測、甲烷檢測、應急電源EPS狀態(tài)檢測、防火閥控制、壓差沉降儀、傾角測量?jì)x、三軸測振儀等在內的多種設備儀表的探測和控制信息收集和執行命令下發(fā)，實(shí)現在監控運管平臺系統上的各機組信息收集、自動(dòng)控制，并終實(shí)現多系統聯(lián)動(dòng)和信息共享。

（1）PLC硬件接入

本項目選擇西門(mén)子S7-1500系列可編程控制器，S7-1500的特點(diǎn)有組網(wǎng)靈活、平臺開(kāi)放、編程軟件靈活和模塊智能等。

S7-1500可編程控制器的基本硬件由電源模塊、CPU模塊、串口通訊模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊等部分構成，用于與現場(chǎng)設備進(jìn)行通信和數據對接，以及執行平臺系統控制命令等。

現場(chǎng)ACU執行機構中，PLCETHERNET通訊模塊與監控平臺軟件通過(guò)主干環(huán)型網(wǎng)絡(luò )通信，S7-1500PROFINET以太網(wǎng)通信模塊支持TCP/IP、UDP、MODBUSTCP等協(xié)議，數據傳輸速率10/100Mbit/s，采用標準的RJ45接口。

（2）軟件接入協(xié)議

綜合管廊監控運管平臺系統與各子系統的對接，包括接口設備名稱(chēng)、物理接口類(lèi)型、軟件接口協(xié)議、接口協(xié)議要求、功能達成目標等都做了詳細的約定，在實(shí)施過(guò)程中，按照約定要求每個(gè)子系統整理一個(gè)接入技術(shù)規約書(shū)，用于指導軟件開(kāi)發(fā)和系統對接工作。

3.3平臺智能監控聯(lián)動(dòng)應用

在實(shí)際應用中，監控運管平臺系統聯(lián)動(dòng)控制有三種方法：硬聯(lián)動(dòng)、軟聯(lián)動(dòng)及遠程控制。硬聯(lián)動(dòng)是指傳感器之間的直接聯(lián)動(dòng)，如水位開(kāi)關(guān)直接控制水泵的啟停；軟聯(lián)動(dòng)是指通過(guò)區域控制器的邏輯運算后，經(jīng)指令動(dòng)作，如水位開(kāi)關(guān)的信號先送入區域控制器，經(jīng)過(guò)邏輯運算得出的結果控制水泵的啟停；遠程控制是指在集中統一的管理監控平臺上執行控制指令。

應急聯(lián)動(dòng)控制管理方案：由于城市地下綜合管廊現場(chǎng)管理與維修較困難，所以應有合理的應急方案，提高工作人員的工作效率。將城市地下綜合管廊的運行方式分為正常工作方式和異常工作方式。正常工作方式又可以分為自動(dòng)工作和巡檢工作，自動(dòng)工作就是在正常工作的情況下，區域控制器ACU按照設置的參數對設備進(jìn)行控制，使地下綜合管廊內的環(huán)境參數在安全范圍內；巡檢工作是為維修人員專(zhuān)門(mén)定制的一種工作方式，在人員進(jìn)入地下綜合管廊前30分鐘，啟動(dòng)風(fēng)機，確保人員進(jìn)入地下綜合管廊內的空氣質(zhì)量良好且空氣流通；異常工作方式主要是指發(fā)生火災、緊急情況等安全事故時(shí)的工作方式，這種工作方式是為了防止事故范圍擴大，造成更大的損失，例如當發(fā)生火災時(shí)，區域控制器ACU立即關(guān)閉所有風(fēng)機和防煙防火閥門(mén)，在火災撲滅后，再啟動(dòng)該防火分區的所有風(fēng)機和風(fēng)閥，進(jìn)行排煙。

管廊監控運管平臺系統的建設，既滿(mǎn)足了運管單位日常生產(chǎn)管理所需，并提高了工作效率，也降低了生產(chǎn)過(guò)程中的安全風(fēng)險，也為管理決策提供了數據支持和指揮手段，平臺系統利用智能化數字分析技術(shù)，實(shí)現了城市綜合管廊運營(yíng)管理的信息化、數字化、智能化，綜合監控運管平臺的應用是提高生產(chǎn)效率、整合管廊公共資源的關(guān)鍵所在，保障了管廊設備設施的運行安全，為管廊在實(shí)際管理中提供了技術(shù)手段和保護承諾。

4、城市綜合管廊監控運管平臺開(kāi)發(fā)技術(shù)應用

綜合管廊監控運管平臺系統主要由管理平臺系統及各子系統管理級設備組成，分層次、分模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)和對接，實(shí)現對區域管廊的集中監控和管理，軟件開(kāi)發(fā)和功能實(shí)現主要技術(shù)應用有：

1. 軟件平臺在基礎平臺基礎上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提供更豐富的展現方式，包括統一客戶(hù)界面、組態(tài)、報警、聯(lián)動(dòng)、統計圖、趨勢圖等，并支持模塊化開(kāi)發(fā)方法。2)軟件平臺數據訪(fǎng)問(wèn)層可接入常見(jiàn)的傳感器儀表、PLC設備、通訊板卡、RTU、電氣自動(dòng)系統等，還提供常用的各類(lèi)子系統聯(lián)動(dòng)等功能，將這些子系統有機集成在一起，并實(shí)現有效的系統間聯(lián)動(dòng)。3)軟件平臺可實(shí)現Web、PC端、手機端展示，展現效果相同，大大提高了用戶(hù)體驗。4)軟件平臺可在應用層提供聯(lián)動(dòng)預案管理，將以往經(jīng)驗整合在系統中，當觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，實(shí)現按照預定方案進(jìn)行跨子系統、多設備的聯(lián)動(dòng)控制，例如巡檢人員申請管廊內作業(yè)時(shí)，此時(shí)管廊內氧氣含量低于人體呼吸所需要的氧氣濃度，可以提出預警，也可以提前一小時(shí)啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)風(fēng)機預案，進(jìn)行管廊內通風(fēng)換氣，使管廊內氧氣濃度達到合格標準。5)軟件平臺提供靈活的多級分布式部署方式，前后端均支持跨平臺運行（Windows/Linux/Unix），支持各種應用功能擴展。6)軟件平臺采用統一授權系統的安全機制，多級授權，不同級別的人員賦予不同的操作權限，防止系統信息泄露和被非授權人員所干擾。7)軟件平臺擁有多廠(chǎng)家協(xié)議、多子系統接入和整合能力，提供OPC\Modbus、數據庫、WebService等多種外部接口；8)軟件平臺依據HTML5進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可用瀏覽器遠程監視數據、查看報警情況、查詢(xún)報表等。

5、AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

5.1平臺概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監測于一體，為建立可靠、安全、有效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網(wǎng)絡(luò )、系統架構、聯(lián)動(dòng)控制和綜合數據服務(wù)等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過(guò)程中存在內部干擾性強、使用單位多及協(xié)調復雜的根本問(wèn)題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環(huán)境和設備的使用和恢復效率。

5.2平臺組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統是一個(gè)深度集成的自動(dòng)化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環(huán)境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門(mén)監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器、手機APP獲取數據，通過(guò)一個(gè)平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監控、統一管理、統一調度，同時(shí)滿(mǎn)足管廊用電可靠、安全、穩定、有效、有序的要求。

5.3平臺拓撲

5.4平臺子系統

5.4.1電力監控

電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進(jìn)行保護和監控，對0.4kV出線(xiàn)配置多功能計量?jì)x表，用于測控出線(xiàn)回路電氣參數和用能情況，可實(shí)時(shí)監控高低壓供配電系統開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

5.4.2環(huán)境監測

環(huán)境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門(mén)禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時(shí)也可接入管廊艙室內的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機等設備集成的第三方系統完成管廊環(huán)境綜合監控。

5.4.3電氣安全

AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門(mén)狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，發(fā)生異常時(shí)通過(guò)聲光、短信、APP及時(shí)報警。

5.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單

5.5.1電力監控及配電室環(huán)境監控系統

6、小結

城市綜合管廊監控運管平臺系統是一個(gè)軟件工程項目，是要從整體出發(fā)合理開(kāi)發(fā)、設計、實(shí)施和運用系統科學(xué)的一項工程技術(shù)，是一個(gè)系統性的綜合應用。它根據總體需求，綜合應用社會(huì )管理學(xué)、項目管理學(xué)和統計分析應用中有關(guān)的思想、理論和方法，利用電子計算機作為工具，對系統的結構、要素、信息和反饋等進(jìn)行分析，以達到較優(yōu)規劃、較優(yōu)設計、較優(yōu)管理和較優(yōu)控制的目的，滿(mǎn)足項目的所有應用。在數字化經(jīng)濟社會(huì )的背景下，信息化、智能化的管理手段將成為城市基礎設施管理的主要方式。

參考文獻

[1]劉航.信息安全技術(shù)在城市地下綜合管廊監控系統中的應用[J].網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù)與應用.

[2]徐林.城市綜合管廊監控運管平臺系統技術(shù)的應用

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05

作者簡(jiǎn)介：魏健輝，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧管廊監控研究發(fā)展。