基于智能化的高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究

安科瑞  陳聰

摘要：隨著高速公路數(shù)量的增加，高速公路沿線的收費(fèi)站、互通樞紐、服務(wù)區(qū)、隧道等配置的供配電、照明、通風(fēng)、排水等機(jī)電設(shè)備的數(shù)量急聚增加，傳統(tǒng)的人工管理高速公路沿線機(jī)電設(shè)備的方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高速公路交通安全通暢的要求。綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)對高速公路沿線的變電站內(nèi)的高低壓配電設(shè)備、發(fā)電機(jī)、變壓器、UPS、外場照明、隧道內(nèi)的理地式變壓器與照明、通風(fēng)及排水等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)分布式監(jiān)控和智能化集中管理，實(shí)現(xiàn)無人值守，確保高速公路安全通暢，提高自動(dòng)化管理水平，降低機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本，節(jié)約能源均具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞 ： 高速公路 ； 電力監(jiān)控 ； 智能化

近幾年來，中國交通事業(yè)取得了突破性發(fā)展，目前已經(jīng)形成了一個(gè)完善的高速公路網(wǎng)，不僅實(shí)現(xiàn)了各城市之間的溝通交流，還間接推動(dòng)了中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。在中國高速公路向著智能化和電力化發(fā)展的今天，電力控制智能化技術(shù)逐漸得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，從整體這一角度來看，目前應(yīng)用已經(jīng)接近成熟，不僅促使了高速公路運(yùn)輸能力的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn) 高速公路使用壽命的延長，同時(shí)在電量負(fù)擔(dān)方面也實(shí)現(xiàn)了合理減少。

一 高速公路綜合電力監(jiān)控需求分析

在以往高速公路沿線的收費(fèi)站、互通樞紐、服務(wù)區(qū)、隧道或隧道群變電站或隧道監(jiān)控室 全部靠人工進(jìn)行日常表計(jì)抄錄、操作控制、日常維護(hù)、故障巡查等。因此，每個(gè)變電站或隧道監(jiān)控都要配備24小時(shí)值班人員，人工成本高，效率十分低。

高速公路綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)需求如下：實(shí)時(shí)監(jiān)視高速公路全線關(guān)鍵設(shè)備的工作狀態(tài)和故障報(bào)警，如市電停電或高壓柜故障、發(fā)電機(jī)故障、收費(fèi)站尸故障、隧道埋地變故障、隧道風(fēng)機(jī)故障等確保高速公路安全通暢。

對全線變電站的高低壓供配電設(shè)備、外場及隧道照明、 隧道通風(fēng)等設(shè)備進(jìn)行遙信、遙測與遙控。 

對變電站的高低壓配電室、發(fā)電機(jī)室及隧道進(jìn)行視頻遙視，變電站偷盜報(bào)警及外場電力或照明電纜偷盜報(bào)警。 

對變電站高低壓配電室和發(fā)電機(jī)室進(jìn)行溫度遙測，并根據(jù)測量溫度控制室內(nèi)通風(fēng)風(fēng)機(jī)；對隧道一氧化碳進(jìn)行遙測，并根據(jù)一氧化碳濃度對隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟停控制。 

全線各站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無人值守，故障自動(dòng)定位。

系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、視頻及報(bào)警信息滿足高速公路分布式實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸要求。

系統(tǒng)滿足高速公路所處環(huán)境和管理運(yùn)行所要求的可靠性與安全性要求。

系統(tǒng)與高速公路運(yùn)行管理模式相適應(yīng)，全線綜合電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)無紙記錄，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)顯示與打印。

二 高速路電力監(jiān)控智能化的應(yīng)用價(jià)值

2.1 在節(jié)能性方面發(fā)揮的作用

電力系統(tǒng)作為高速公路運(yùn)行中的一個(gè)重要組成部分，其運(yùn)行周期須要保證連續(xù)性。所以從系統(tǒng)運(yùn)行對電能的需求這一角度來看，基于電力智能化技術(shù)的合理應(yīng)用下，可以充分發(fā)揮出系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能性，具體可以從以下 2 個(gè)方面來看：①將電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中受無功損耗影響而導(dǎo)致成本過高這一問題做到合理避免或減少；②在提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)高速公路運(yùn)營成本的降低。

2.2 在可靠性方面發(fā)揮的作用

就人工操作與智能化操作相比，不僅所需成本較高，而且在操作誤差方面出現(xiàn)的概率也要相對更大一些，因此，須要實(shí)現(xiàn)智能化操作。在智能化操作中電力監(jiān)控智能化管理技術(shù)的應(yīng)用，其主要作用就是保障電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在這一過程中通過將自動(dòng)化傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及觸發(fā)式系統(tǒng)聯(lián)合使用，在一 定程度上能夠?qū)⑷斯げ僮髡`差合理避免，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并作出合理調(diào)控。

2.3 在遠(yuǎn)程控制方面發(fā)揮的作用

從中國當(dāng)前的高速公路運(yùn)行中可以看到，普遍存在超運(yùn)行負(fù)荷這一問題。從高速公路電力系統(tǒng)故障這一角度來看，受超運(yùn)行負(fù)荷影響導(dǎo)致某一區(qū)域發(fā)生電力故障，這種情況下就可以應(yīng)用電力監(jiān)控智能化管理技術(shù)，借助其中智能化控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的應(yīng)用，可以將局部故障設(shè)施設(shè)備進(jìn)行合理隔離，防止對其他區(qū)域的供電情況和高速公路運(yùn)行造成影響。另一方面，從遠(yuǎn)程控制的操作響應(yīng)周期這一角度來看，當(dāng)遠(yuǎn)程控制操作指令下達(dá)后的數(shù)秒內(nèi)就可以作出響應(yīng)， 及時(shí)合理解決故障問題，將故障問題所帶來的損失降低。

三 綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高速公路綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)由監(jiān)控中心、系統(tǒng)主干傳輸網(wǎng)絡(luò)、 現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)可靠性與安全性設(shè)計(jì)等組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計(jì)，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層。根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設(shè)備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮后采用適合的組網(wǎng)方式。

站控管理層：站控管理層一般設(shè)于中心變電站值班室或者其它地方，包含監(jiān)控計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、打印機(jī)、UPS、對時(shí)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置以及監(jiān)控軟件。站控管理層計(jì)算機(jī)可以放置于值班室的操作臺(tái)面上，也可以安裝于網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜組成監(jiān)控屏。

網(wǎng)絡(luò)通信層：包含通信采集器、光端機(jī)以及用于和站控層連接的其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，安裝于通信采集箱，通信采集箱和現(xiàn)場設(shè)備層裝置就近安裝，掛墻明裝。通信層是一個(gè)承上啟下的物理層，負(fù)責(zé)把設(shè)備層裝置的信息傳送給站控層，并且把站控層的命令下達(dá)給設(shè)備層裝置。

現(xiàn)場設(shè)備層：包含高低壓柜上的保護(hù)裝置、智能操控裝置、多功能儀表、無線測溫裝置、溫控儀、直流屏以及其他各種通過通信接口或者脈沖、模擬量等方式接入監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備。

四 高速公路綜合電力監(jiān)控重要產(chǎn)品

1. 微機(jī)保護(hù)裝置

AM系列微機(jī)綜合保護(hù)裝置具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)算和信息存儲(chǔ)能力，可為35kV及以下電壓等級的進(jìn)線、饋線、變壓器、高壓電動(dòng)機(jī)、高壓電容器等對象提供過負(fù)荷、低電壓、過電壓、熱過載、非電量等保護(hù)功能。

裝置具有完善的事故分析能力，包括SOE事件記錄、故障錄波記錄等。方便的根據(jù)現(xiàn)場變化調(diào)整保護(hù)設(shè)定值，使平臺(tái)可遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制配電回路運(yùn)行狀態(tài)，提高配電和用電可靠性。

2. 電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置

10kV、0.4kV進(jìn)線電能質(zhì)量監(jiān)測裝置采用APview500，采用了高性能多核平臺(tái)和嵌入式操作系統(tǒng)，遵照IEC61000-4-30《測試和測量技術(shù)-電能質(zhì)量測量方法》中規(guī)定的各電能質(zhì)量指標(biāo)的測量方法進(jìn)行測量，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測、電壓不平衡度監(jiān)測、事件記錄、測量控制等功能為一體。裝置在電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)測量方法的標(biāo)準(zhǔn)化和指標(biāo)參數(shù)的測量精度以及時(shí)鐘同步、事件標(biāo)記功能等各個(gè)方面均達(dá)到了 IEC61000-4-30 A標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足 110kV 及以下供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測的要求。

裝置可以監(jiān)測電網(wǎng)頻率 ,電壓、電流有效值,有功功率、無功功率、視在功率及功率因數(shù),電壓偏差,頻率偏差,三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度；三相電壓、電流各序分量；基波電壓、電流，功率、功率因數(shù)、相位等,諧波（2～50 次）。包括電壓、電流的總諧波畸變率、各次諧波電壓、電流含有率、有效值、功率等,諧波群 ,間諧波 電壓波動(dòng)、閃變，電壓可輸入57.7V/100V 或 220V/380V 。

3. 智能操控裝置

開關(guān)柜操控裝置采用ASD500，它以整體化布局配套于開關(guān)柜，簡化了開關(guān)柜的面板設(shè)計(jì)，優(yōu)化了面板布局。除具有動(dòng)態(tài)模擬指示、帶電顯示及閉鎖、溫濕度顯示及其控制、驗(yàn)電核相、二次回路電壓值顯示、人體感應(yīng)帶電提示及柜內(nèi)照明、語音防誤提示、時(shí)間日期顯示、遠(yuǎn)方/就地操作、分合閘操作、手動(dòng)/自動(dòng)儲(chǔ)能、4-20mA輸出、USB升及、RS485、以太網(wǎng)遠(yuǎn)程通信等功能外，還具有電力綜合參數(shù)測量功能，測量參數(shù)為：三相電壓、三相電流、功率因數(shù)、有功功率計(jì)量、無功功率計(jì)量，使開關(guān)柜進(jìn)一步智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化。另外可以接入無線測溫傳感器數(shù)據(jù)，就地顯示各電氣接點(diǎn)溫度。

五 高速公路智能化電力監(jiān)控系統(tǒng)

以廣西賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）項(xiàng)目為例，配電房及箱變共計(jì)59個(gè)，其中40個(gè)隧道配電房，5個(gè)收費(fèi)站配電房，3個(gè)服務(wù)區(qū)配電房，3個(gè)停車區(qū)配電房，1個(gè)監(jiān)控中心配電房，7個(gè)沿線箱變；實(shí)現(xiàn)對高速公路各個(gè)變電所的用電監(jiān)控與管理。監(jiān)控范圍為變電所的微機(jī)保護(hù)裝置、電能表、變壓器溫控儀、EPS、UPS、無功補(bǔ)償、發(fā)電機(jī)控制屏、油箱液位儀、風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)器和照明控制器。

1.全路段監(jiān)控

    沿途數(shù)十個(gè)配電房繪制在一張K線圖里面，點(diǎn)擊每個(gè)站跳轉(zhuǎn)相關(guān)配電圖畫面顯示，使整條高速公路的配電系統(tǒng)一圖掌握；

2.10kV回路保護(hù)和監(jiān)測

10kV回路保護(hù)和監(jiān)測主要針對變電所10kV回路的保護(hù)、遙測、遙信和遙控功能，通過系統(tǒng)圖可以實(shí)時(shí)反饋10kV配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

3.0.4kV回路保護(hù)和監(jiān)測

0.4kV回路保護(hù)和監(jiān)測主要針對配電室0.4kV回路的保護(hù)、遙測、遙信和遙控功能，通過系統(tǒng)圖可以實(shí)時(shí)反饋0.4kV配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

4.變壓器監(jiān)測

變壓器運(yùn)行監(jiān)控，展示變壓器運(yùn)行過程中電壓，有功功率、無功功率、負(fù)荷等數(shù)據(jù)。

5.應(yīng)急電源監(jiān)測

柴油發(fā)電機(jī)、UPS、EPS(消防應(yīng)急電源)監(jiān)測。

6.環(huán)境監(jiān)測

氣體、煙感、水浸、紅外雙鑒、視頻、氣候、視頻監(jiān)測風(fēng)機(jī)/空調(diào)/水泵控制、聲光報(bào)警。

7.事件報(bào)警

分類分級報(bào)警，SOE事件，網(wǎng)關(guān)儀表、平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)報(bào)警。

8.能耗統(tǒng)計(jì)

查詢今日用能、昨日同期用能、當(dāng)月用能、上月同期用能、今年用能、去年同期用能、日平均用能、日月年能耗趨勢。

同比分析：根據(jù)能源類型、企業(yè)節(jié)點(diǎn)、時(shí)間查詢各年同比數(shù)據(jù)。

環(huán)比分析：根據(jù)能源類型、企業(yè)節(jié)點(diǎn)、時(shí)間查詢 日、周、月、季度環(huán)比數(shù)據(jù)。

9.運(yùn)維管理

設(shè)備管理：電子檔案資料、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、靈活分組分類、巡檢條目自定義、二維碼綁定維護(hù)、設(shè)備老化分析報(bào)告。

設(shè)備維護(hù)：在用戶維護(hù)設(shè)備的質(zhì)保期與安裝時(shí)間后對設(shè)備是否超長時(shí)間運(yùn)行與過期運(yùn)行進(jìn)行檢測，提醒用戶及時(shí)查看或更換相應(yīng)設(shè)備，并提示維修或更換建議。

運(yùn)維派單：流程化運(yùn)維巡檢、自動(dòng)發(fā)布任務(wù)、巡檢節(jié)點(diǎn)跟蹤、缺陷處理跟進(jìn)、報(bào)警聯(lián)動(dòng)消警、平臺(tái)、APP通知。

專家報(bào)告：月度報(bào)告、內(nèi)容可在線編輯、定期郵箱發(fā)送、變電所環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析與評估、整改建議參考

六 總結(jié)

高速公路綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮了高速公路的特殊性和系統(tǒng)所處的環(huán)境要求，采用成熟的光纖主干環(huán)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，數(shù)字視頻及信息傳輸處理技術(shù)，對高速公路全線供配電，照明，除道通風(fēng)、排水等機(jī)電設(shè)備實(shí)行全線或全路網(wǎng)分布式監(jiān)控和集中管理。該項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)已成功應(yīng)用于都巴高速公路工程的綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)工程，實(shí)現(xiàn)了對全線59個(gè)變電站的全自動(dòng)化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無人值守，對于確保滬寧高速安全通暢、節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本，節(jié)省能源消耗、提高都巴高速公路的自動(dòng)化管理水平和服務(wù)水平發(fā)揮了重要作用。

七 參考文獻(xiàn)

[1] 吳寶財(cái).高速公路緣合電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).2006.

[2] 王 誠.高速公路電力監(jiān)控智能化創(chuàng)新管理技術(shù)研究.創(chuàng)新與科技.2022.