高速公路電力智能管理系統設計研究

■黃見和

（福建高速福州管理分公司， 福州 350000）

2020 年初福建省高速公路通車總里程達到5500 km，實現了“縣縣通高速”的偉大成就。 未來高速公路的路網覆蓋將更加密集，運營管理模式由傳統人工轉向智能化是發展的必然趨勢。 機電維護部門是保障整個系統用電的重要部門， 負責管理維護轄區內所站、隧道和門架等系統，規范化、科學化、數據化管理保障供配電系統穩定是高速公路運營管理系統順利運行的重要環節。 隨著全國高速公路收費模式的重大改革，新增機電設備數量不斷增加，加之高速公路供電線路及相關設備長期暴露容易老化腐蝕，機電維護部門需要投入大量的人力、物力和財力來保障電力安全，因此本文設計電力智能管理系統，為全面實現智能化低成本運營管理的高速公路電力系統提供參考。

1 福建省高速公路配電站房的現狀與存在的問題

1.1 配電站房的現狀

福建境內多為山地丘陵地貌，全省高速公路運營管理里程近6000 km， 人工管理任務十分繁重且難度極大。 實際運行維護中的安全隱患如：環境溫濕度對現有設備性能和壽命影響較大（尤其是軸流風機房）， 導致設備使用壽命大幅度縮短甚至引起安全事故；因系統功能、地理位置和人員配置等原因，技術員難以及時準確掌控配電房主要設備的運行狀態，嚴重影響故障的排查和修復及時率，極有可能因小故障引起大問題； 外場機房因無人值守，也存在設備被盜的可能。

1.2 配電站房存在的問題

1.2.1 運營維護效率低

各配電站房距離遠、信息傳遞慢、響應時間滯后，導致運維效率比較低；維護人員少、維護里程長、設備超齡，目前人工巡檢難以達到國家現行規范標準。

1.2.2 設備運行環境差

原有站房建設落后于國家規定的配電站房標準化建設相關要求，且未裝設環境監控系統。 現場運行環境復雜，受雷擊災害、小動物攻擊、高溫粉塵等外因素影響嚴重，影響設備使用壽命及導致故障停電。

1.2.3 缺失相關電子檔案

電力設備資產未及時形成電子檔案，基礎資料易丟失；設備改造、維修保養計劃實施不到位，無法準確進行設備壽命周期管理。

1.2.4 無法采集分析電力數據

目前無法實時掌握用電情況，功率因數、諧波含量等用電數據無法采集；負荷率、負載率、設備使用效率、線損率無法統計。

2 高速公路電力智能管理系統

2.1 智能管理系統簡介

該智能管理平臺是為高速公路提供可靠性高、擴展性強、安全穩定、人工成本少的一款電力管理平臺。 通過關聯各所站、隧道配電房單元的相關設備以三維立體形式進行智能化監測，包括一套電能監控及能耗管理系統和若干套智能儀表、傳感器和通訊管理機，實現一級配電(10 kV)的電參數監測、線路運行狀態、輸配電電能損耗等配電設備運行狀態的監測、二級配電的車間動力用電、照明用電、消防應急用電等分區分類電能能耗的統計分析，進行電力監測的相關業務、信息報警、設備管理、實時監控和環境監測；收集設備告警的事件并及時安排處理、歷史事件的回顧，具有報表、巡檢和檔案管理等功能；精確顯示其所在的地理位置信息，可通過VR模擬可視技術實現遠程查看或現場查看引導。

2.2 智能管理系統的實際運行中的作用

2.2.1 多樣化智能巡檢巡查

該系統可以實現集監測攝像巡檢、采集數據巡檢及人工指派巡檢為一體的多樣化智能巡檢體系，通過電子巡檢和人工巡檢的協調配合，有效的降低漏檢和錯檢等情況。不但實現了無紙化數據采集記錄，同時能夠有效監督和管理巡檢情況，實現巡檢電子化、信息化、智能化，從而最大程度提高巡檢工作效率，保證各系統安全穩定運行[1]。

2.2.2 高清人臉抓拍識別

本系統采用的高清人臉識別設備， 擁有1200萬像素攝像頭，廣角范圍75°，即人員經過進行抓拍及數據比對，并在手機端和網頁端同步提示巡檢人員到位或非巡檢人員告警，避免了設備電房遭到人為破壞。 巡檢設備采用人臉識別技術落實了巡檢人員的崗位責任，人臉識別分辨高達98.7%具有唯一性，有效提高供配電系統的安全可靠性，消除安全隱患。

2.2.3 降低運營維護成本

本系統不需要在供電線路和機電設備上安裝其他設備，只是數據讀寫、統計和分析，大大降低了系統的構建和維護成本。

2.2.4 實現高效信息化管理

巡檢設備采用智能化系統，可以通過各個站點站長在系統里進行分配任務，確保各班人員分工明確。采用無線網絡和RFID 技術，實現電力設備巡檢工作的真正高效信息化管理。

2.2.5 提供智能管理引導

本系統采取AR 技術增強現實，利用系統生成逼真的視聽虛擬環境，通過各種傳感設備使設備維護人員“沉浸”到現實環境中，便于高效識別故障位置。 同時配備智能管理助手，通過故障預判分析后提出多種解決辦法可供技術人員選擇，并實現了智能助手對于部分故障問題的自動調節修復功能。

3 系統模塊設計

3.1 系統軟件架構

該系統軟件主要由基礎硬件采集數據，通過系統平臺實現運維和工單管理，故障預警及響應管理等，具體架構如圖1 所示。

圖1 電力智能管理系統軟件總體架構

3.2 模塊簡介

系統采用分層、分布式結構設計，按間隔單元劃分，模塊化設計，整個系統分為3 層：系統管理層、網絡通信層和現場測控層[2]。 系統支持云平臺運營模式，可將配電智能終端或電力監控系統數據上傳至云平臺，實現大數據分析及處理，促進信息資源的共享，實現手機APP 終端等設備訪問。 模塊簡介見表1。

表1 電力智能管理系統大體模塊

4 設備應用

4.1 功能描述

使用者可以通過頁面配置各單位下設備單元進行參數的設置和一次性系統的調整，方便對設備數據信息進行更新和修改，通過配置參數來改變設備運行時所使用的變量，觸發相應參數配置下的功能的響應并返回所需的數據，智能助手可通過監測維護系統運行，自動調節相關變動參數來實現無人化智能管控。

因系統所涉及的功能模塊繁多，在此引用設備的相關編碼文件和該模塊的分層思路功來對模塊類圖進行大體的描述介紹，如表2 所示。

表2 智能管理系統相關編碼文件表

4.2 項目優勢

本項目具有以下優勢：（1） 兼容有線、 無線通信，支持混合模式，完美解決偏僻配電站房的通信難題；（2）支持多種智能運維設備的無縫接入，支持工業標準規約及定制規約的融合；（3） 采用線上加線下的整合與互動， 實現智能運維的端對端服務；（4）采用帶數據采集、運維數據挖掘及云計算、智能感知等先進信息技術，確保該系統安全、可靠運行；（5）完善的預警機制及告警分析，能提供及時的告警推送及評估；（6）兼容移動端、網頁端的應用，實現管理的快捷與便捷；（7）基于5G 通訊技術的硬件解決方案，應用邊緣計算，廣泛兼容，讓數據安全可靠，光速傳輸速度更快更穩，智慧協同，系統感知，實現遠程運維；（8）配備智能助手，通過簡潔明了的操作引導實現快速上手。

5 實際應用案例

福州高速福銀段電房率先試行電力系統智能化運營管理模式，該路段智能化電力系統改造建設至今運行平穩高效。 技術人員可通過PC 端/手機端實現對該路段配電設備、隧道配電箱電力參數及電房環境等數據的遠程實時在線監測。 通過設備分布實景圖實時了解供電系統的運行狀態：

（1）數據體現。 系統采集相關電力參數并自動生成曲線圖等形式體現，并比對歷史數據進行智能化分析管理來降低能耗。 通過手機APP 端，隨時對各種電力數據直觀查看，如圖2 所示。

圖2 手機APP 端界面

（2）實時監測。 對設備周圍進行環境監測，包含濕度、溫度等氣候數據的采集匯總。

（3）VR 體驗。 通過VR 實景模式現場勘察故障問題、線路走向、設備布局等，實時動態顯示各接線圖上的運行參數和設備運行狀況， 能夠結合故障預判情況引導技術人員完成現場工作， 如圖3所示。

（4）縮減成本。 實時監測用電量與電費分析，自動進行電能消耗的統計與分析，結合電力公司賬單結構進行峰谷平統計與記錄，從技術層面上降低用電成本、人力成本和管理成本。

（5）智能運維。 系統提供智能助手引導，支持通過平臺的告警與線下的巡檢、維修關聯、進行維修任務分配、工單派送及跟進、并可實現定期巡檢及維修、維護業務的信息化管理，如圖4 所示。

圖3 系統圖與現實場景結合

圖4 系統智能預判及派工

6 結語

本系統能夠實現智能化運營管理高速公路電力系統，智能助手自動生成每日工作方案可供選擇，使用者也可根據日常和特殊巡檢工作實際需要及特點，具有可安排周期、可計劃路線、可記錄數據、可監督工作狀態、可匯總報告數據等功能，并可與現有監控系統無縫連接，有效地了解、檢查巡檢工作狀態，及時發現電力設備或線路上的事故隱患， 提升機電設備運行的安全性，降低生產運營成本，提高工作效率，具有低成本、輕便易操作，設備使用時間長等顯著優點， 能夠有效彌補當下高速公路電力管理中的難點和缺點， 同時也為未來實現高速公路智能化運營管理提供了可靠有效的先行經驗[3]。 高速公路電力智能管理系統所具備的應用價值，以及低成本、高效率的顯著優勢， 結合當前高速公路迅速發展下的廣闊市場需求， 可以得知電力智能管理系統有著必然的推廣可行趨勢。