基于智能化的高速公路电力监控系统技术研究

摘要：随着高速公路数量的增加，高速公路沿线的收费站、互通枢纽、服务区、隧道等配置的供配电、照明、通风、排水等机电设备的数量急聚增加，传统的人工管理高速公路沿线机电设备的方式已远远不能满足高速公路交通安全畅通的要求。综合电力监控系统对高速公路沿线的变电站内的高低压配电设备、发电机、变压器、UPS、外场照明、隧道内的理地式变压器与照明、通风及排水等机电设备进行实时分布式监控和智能化集中管理，实现无人值守，确保高速公路安全畅通，提高自动化管理水平，降低机电设备的运行维护成本，节约能源均具有十分重要的意义。 

关键词 ： 高速公路 ； 电力监控 ； 智能化

       最近几年来，中国交通事业取得了突破性发展，目前已经形成了一个完善的高速公路网，不仅实现了各城市之间的沟通交流，还间接推动了中国社会经济的快速发展。在中国高速公路向着智能化和电力化发展的今天，电力控制智能化技术逐渐得到了广泛应用和快速发展，从整体这一角度来看，目前应用已经接近成熟，不仅促进了高速公路运输能力的增强，实现 高速公路使用寿命的延长，同时在电量负担方面也实现了有效减少。

       在以往高速公路沿线的收费站、互通枢纽、服务区、隧道或隧道群变电站或隧道监控室 全部靠人工进行日常表计抄录、操作控制、日常维护、故障巡查等。因此，每个变电站或隧道监控都要配备24小时值班人员，人工成本高，效率十分低。

       高速公路综合电力监控系统需求如下：实时监视高速公路全线关键设备的工作状态和故障报警，如市电停电或高压柜故障、发电机故障、收费站尸故障、隧道埋地变故障、隧道风机故障等确保高速公路安全畅通。

       对全线变电站的高低压供配电设备、外场及隧道照明、 隧道通风等设备进行遥信、遥测与遥控。 

       对变电站的高低压配电室、发电机室及隧道进行视频遥视，变电站偷盗报警及外场电力或照明电缆偷盗报警。 

       对变电站高低压配电室和发电机室进行温度遥测，并根据测量温度控制室内通风风机；对隧道一氧化碳进行遥测，并根据一氧化碳浓度对隧道风机进行启停控制。 

       全线各站点实现无人值守，故障自动定位。

       系统监控数据、视频及报警信息满足高速公路分布式实时远程传输要求。

       系统满足高速公路所处环境和管理运行所要求的可靠性与安全性要求。

系统与高速公路运行管理模式相适应，全线综合电力监控数据无纸记录，自动统计，自动显示与打印。

2.1 在节能性方面发挥的作用 

       电力系统作为高速公路运行中的一个重要组成部分，其运行周期须要保证连续性。所以从系统运行对电能的需求这一角度来看，基于电力智能化技术的合理应用下，可以充分发挥出系统运行的节能性，具体可以从以下 2 个方面来看：①将电力系统在实际运行过程中受无功损耗影响而导致成本过高这一问题做到有效避免或减少；②在提高电力系统运行效率的同时，还可以实现高速公路运营成本的降低。 

2.2 在可靠性方面发挥的作用 

       就人工操作与智能化操作相比，不仅所需成本较高，而且在操作误差方面出现的概率也要相对更大一些，因此，须要实现智能化操作。在智能化操作中电力监控智能化管理技术的应用，其主要作用就是保障电力系统运行的可靠性。在这一过程中通过将自动化传感系统、控制系统及触发式系统联合使用，在一 定程度上能够将人工操作误差有效避免，同时还可以实现对电力系统的实时监控，及时发现问题并作出有效调控。 

2.3 在远程控制方面发挥的作用 

       从中国当前的高速公路运行中可以看到，普遍存在超运行负荷这一问题。从高速公路电力系统故障这一角度来看，受超运行负荷影响导致某一区域发生电力故障，这种情况下就可以应用电力监控智能化管理技术，借助其中智能化控制系统和网络通信系统的应用，可以将局部故障设施设备进行有效隔离，防止对其他区域的供电情况和高速公路运行造成影响。另一方面，从远程控制的操作响应周期这一角度来看，当远程控制操作指令下达后的数秒内就可以作出响应， 及时有效解决故障问题，将故障问题所带来的损失降低。

       高速公路综合电力监控系统设计由监控中心、系统主干传输网络、 现场监控子系统设计以及系统可靠性与安全性设计等组成系统结构如下图所示。

       电力监控系统采用分层分布式设计，可分为三层：站控管理层、网络通信层和现场设备层。根据用户用电规模、用电设备分布和占地面积等多方面的信息综合考虑后采用适合的组网方式。

       站控管理层：站控管理层一般设于中心变电站值班室或者其它地方，包含监控计算机、网络交换机、打印机、UPS、对时装置、远动装置以及监控软件。站控管理层计算机可以放置于值班室的操作台面上，也可以安装于网络机柜组成监控屏。

       网络通信层：包含通信采集器、光端机以及用于和站控层连接的其它网络设备，安装于通信采集箱，通信采集箱和现场设备层装置就近安装，挂墙明装。通信层是一个承上启下的物理层，负责把设备层装置的信息传送给站控层，并且把站控层的命令下达给设备层装置。

       现场设备层：包含高低压柜上的保护装置、智能操控装置、多功能仪表、无线测温装置、温控仪、直流屏以及其他各种通过通信接口或者脉冲、模拟量等方式接入监控系统的设备。

1.微机保护装置

       AM系列微机综合保护装置具有较强的数据处理、逻辑运算和信息存储能力，可为35kV及以下电压等级的进线、馈线、变压器、高压电动机、高压电容器等对象提供过负荷、低电压、过电压、热过载、非电量等保护功能。

       装置具有完善的事故分析能力，包括SOE事件记录、故障录波记录等。方便的根据现场变化调整保护设定值，使平台可远程监视和控制配电回路运行状态，提高配电和用电可靠性。

2.电能质量在线监测装置

       10kV、0.4kV进线电能质量监测装置采用APview500，采用了高性能多核平台和嵌入式操作系统，遵照IEC61000-4-30《测试和测量技术-电能质量测量方法》中规定的各电能质量指标的测量方法进行测量，集谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测、电压不平衡度监测、事件记录、测量控制等功能为一体。装置在电能质量指标参数测量方法的标准化和指标参数的测量精度以及时钟同步、事件标记功能等各个方面均达到了 IEC61000-4-30 A 级标准，能够满足 110kV 及以下供电系统电能质量监测的要求。

       装置可以监测电网频率 ,电压、电流有效值,有功功率、无功功率、视在功率及功率因数,电压偏差,频率偏差,三相电压不平衡度、三相电流不平衡度；三相电压、电流各序分量；基波电压、电流，功率、功率因数、相位等,谐波（2～50 次）。包括电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波电压、电流含有率、有效值、功率等,谐波群 ,间谐波 电压波动、闪变，电压可输入57.7V/100V 或 220V/380V 。

3.智能操控装置

       开关柜操控装置采用ASD500，它以一体化布局配套于开关柜，简化了开关柜的面板设计，美化了面板布局。除具有动态模拟指示、带电显示及闭锁、温湿度显示及其控制、验电核相、二次回路电压值显示、人体感应带电提示及柜内照明、语音防误提示、时间日期显示、远方/就地操作、分合闸操作、手动/自动储能、4-20mA输出、USB升及、RS485、以太网远程通信等功能外，还具有电力综合参数测量功能，测量参数为：三相电压、三相电流、功率因数、有功功率计量、无功功率计量，使开关柜进一步智能化、网络化、数字化。另外可以接入无线测温传感器数据，就地显示各电气接点温度。

       以广西贺州至巴马高速公路（都安至巴马段）项目为例，配电房及箱变共计59个，其中40个隧道配电房，5个收费站配电房，3个服务区配电房，3个停车区配电房，1个监控中心配电房，7个沿线箱变；实现对高速公路各个变电所的用电监控与管理。监控范围为变电所的微机保护装置、电能表、变压器温控仪、EPS、UPS、无功补偿、发电机控制屏、油箱液位仪、风机软启动器和照明控制器。

1.全路段监控

       沿途数十个配电房绘制在一张K线图里面，点击每个站跳转相关配电图画面显示，使整条高速公路的配电系统一图掌握；

2.10kV回路保护和监测

       10kV回路保护和监测主要针对变电所10kV回路的保护、遥测、遥信和遥控功能，通过系统图可以实时反馈10kV配电系统的运行状况。

3.0.4kV回路保护和监测

       0.4kV回路保护和监测主要针对配电室0.4kV回路的保护、遥测、遥信和遥控功能，通过系统图可以实时反馈0.4kV配电系统的运行状况。

 

4.变压器监测

       变压器运行监控，展示变压器运行过程中电压，有功功率、无功功率、负荷等数据。

5.应急电源监测

       柴油发电机、UPS、EPS(消防应急电源)监测。

6.环境监测

       气体、烟感、水浸、红外双鉴、视频、气候、视频监测风机/空调/水泵控制、声光报警。

7.事件报警

       分类分级报警，SOE事件，网关仪表、平台的运行状态报警。

 

8.能耗统计

       查询今日用能、昨日同期用能、当月用能、上月同期用能、今年用能、去年同期用能、日平均用能、日月年能耗趋势。

       

       同比分析：根据能源类型、企业节点、时间查询各年同比数据。

       环比分析：根据能源类型、企业节点、时间查询 日、周、月、季度环比数据。

9.运维管理

       设备管理：电子档案资料、设备状态监测、灵活分组分类、巡检条目自定义、二维码绑定维护、设备老化分析报告。

       设备维护：在用户维护设备的质保期与安装时间后对设备是否超长时间运行与过期运行进行检测，提醒用户及时查看或更换相应设备，并提示维修或更换建议。

       运维派单：流程化运维巡检、自动发布任务、巡检节点跟踪、缺陷处理跟进、报警联动消警、平台、APP通知。

       专家报告：月度报告、内容可在线编辑、定期邮箱发送、变电所环境监控、数据分析与评估、整改建议参考

       高速公路综合电力监控系统设计充分考虑了高速公路的特殊性和系统所处的环境要求，采用先进成熟的光纤主干环网技术和现场控制网络技术，自动控制技术，数字视频及信息传输处理技术，对高速公路全线供配电，照明，除道通风、排水等机电设备实行全线或全路网分布式监控和集中管理。该项系统技术已成功应用于都巴高速公路工程的综合电力监控系统工程，实现了对全线59个变电站的全自动化监控，实现无人值守，对于确保沪宁高速安全畅通、节省系统运行维护成本，节省能源消耗、提高都巴高速公路的自动化管理水平和服务水平发挥了重要作用。

[1] 吴宝财.高速公路缘合电力监控系统设计.2006.

[2] 王 诚.高速公路电力监控智能化创新管理技术研究.创新与科技.2022.