高速公路機(jī)電系統(tǒng)電力監(jiān)控前端監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)探討

摘要 電力監(jiān)控系統(tǒng)是高速公路機(jī)電項(xiàng)目的重要組成部分，其主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控高速公路全線供配電系統(tǒng)的運(yùn)行，以確保處于正常供電狀態(tài)，從而維系公路整體運(yùn)營(yíng)的平穩(wěn)性。文章通過分析高速公路供配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建了一種智能化的供配電系統(tǒng)前端監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，總結(jié)了其重要性及各項(xiàng)功能，能監(jiān)測(cè)配電設(shè)備的溫度、電流、電壓及絕緣性的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的預(yù)報(bào)。該系統(tǒng)具有較高的可靠性和實(shí)用性，且有利于降低能耗和保護(hù)環(huán)境，可廣泛推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 高速公路項(xiàng)目；電力監(jiān)控；前端監(jiān)測(cè)；預(yù)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào) U495文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）11-0023-03

0 引言

高速公路供配電系統(tǒng)的負(fù)荷量較大，各類設(shè)備分布較廣，且較為復(fù)雜，用電端的智能化程度要求較高，需進(jìn)行遠(yuǎn)距離供電，所用線材及路由設(shè)備種類繁多。該文通過論述高速公路供配電系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，分析供配電系統(tǒng)的故障原因、類型、危害以及系統(tǒng)維保人員的前端監(jiān)控需求等內(nèi)容，總結(jié)了高速公路運(yùn)營(yíng)的各項(xiàng)功能需求，構(gòu)建了高速公路供配電系統(tǒng)電力監(jiān)控前端監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的高速公路運(yùn)維工作，全面提升整個(gè)產(chǎn)業(yè)的信息化和智能化水平。

1 高速公路供配電系統(tǒng)

高速公路沿線建有監(jiān)控、通信、收費(fèi)及通風(fēng)照明等服務(wù)設(shè)施，其供配電系統(tǒng)主要是為上述用電設(shè)備提供電能，通過安全又穩(wěn)定的供配電，提升高速公路的安全性和通暢性，降低電能消耗，全面提升高速公路運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)效益。該系統(tǒng)包含電線電纜、配電設(shè)備、變壓設(shè)備、電源設(shè)備、風(fēng)力/光伏發(fā)電設(shè)備等供配電設(shè)施，同時(shí)還配有電力監(jiān)控、充電站等設(shè)施。圖1表示供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]。

2 高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)重要性及功能

2.1 高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)重要性

電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備主要包含管理中心的主站系統(tǒng)、場(chǎng)外測(cè)控保護(hù)設(shè)施及通信設(shè)備三部分，實(shí)行分層布局。該系統(tǒng)具備各種功能，例如收集并顯示數(shù)據(jù)信息、繼電保護(hù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)運(yùn)行、事件記錄、故障報(bào)送等，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離管控公路通行、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及通信交流等。為提高系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，需要采取有效措施養(yǎng)護(hù)電力監(jiān)控系統(tǒng)，確保各類設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，并有效降低能耗[2]。

電力監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控高速公路全線供配電系統(tǒng)的運(yùn)行，以確保處于正常供電狀態(tài)，從而維系公路整體運(yùn)營(yíng)的平穩(wěn)性?，F(xiàn)階段，高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)的管理不到位，缺少必要的維護(hù)。電力監(jiān)控系統(tǒng)是高速公路機(jī)電工程的重要組成部分，與道路收費(fèi)系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)一樣，都屬于高速公路配套服務(wù)設(shè)施。高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，是社會(huì)各界高度重視的問題，穩(wěn)定運(yùn)行的供配電系統(tǒng)，是收費(fèi)系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障，這就要求電力系統(tǒng)具有較高的安全性與可靠性[3]。為了應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的停電故障，則需要在供配電系統(tǒng)中設(shè)置UPS電源，其主要作用是確保供停電后配電系統(tǒng)可持續(xù)供電一段時(shí)間。構(gòu)建高效、全面的電力監(jiān)控系統(tǒng)，能快速確定機(jī)電設(shè)施的故障，并提出問題解決措施，確保電力監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，有利于提升供配電系統(tǒng)的管理水平[4]。

2.2 電力監(jiān)控遙測(cè)遙信遙控功能

（1）10 kV：主要是遙測(cè)其電壓、電流、功率及頻率等參數(shù)，并遙信控制其進(jìn)出線開關(guān)的位置狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障問題后及時(shí)報(bào)警。

（2）開關(guān)裝置狀態(tài)、接觸器、斷路器：遙測(cè)低壓總開關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)，例如三相電壓、電流、功率及用電量等；遙信0.4 kV轉(zhuǎn)換開關(guān)和接觸器的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障問題后及時(shí)報(bào)警。

（3）變壓器：遙測(cè)其溫度及配電柜內(nèi)部溫度等數(shù)據(jù)；遙信變壓器總開關(guān)狀態(tài)、熔絲熔斷信號(hào)、變壓器溫度等。

（4）饋線：遙測(cè)0.4 kV饋線電流。

（5）UPS和EPS：遙測(cè)UPS和EPS的輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流、輸出頻率、蓄電池電壓等參數(shù)；同時(shí)遙信其交流/逆變供電，當(dāng)放電結(jié)束后，電壓明顯下降，逆變器出現(xiàn)故障問題[5]。

（6）發(fā)電機(jī)：遙測(cè)其電壓、電流及頻率等。

（7）無(wú)功補(bǔ)償：遙信無(wú)功補(bǔ)償狀態(tài)、刀熔開關(guān)和斷路器接通信號(hào)。

（8）遙控功能：對(duì)母線分合閘進(jìn)行遙控，還可遙控?zé)o功補(bǔ)償裝置投切以及照明柜、風(fēng)機(jī)柜等的分合閘。

2.3 電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋?/p>

設(shè)置電力監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)行中控級(jí)、站控級(jí)、間隔級(jí)三級(jí)配置原則。

（1）電力監(jiān)控系統(tǒng)的中控級(jí)設(shè)備，被安裝于高速公路隧道管理所內(nèi)，屬于成套的總級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)；站控級(jí)設(shè)備被安裝在隧道配變電所中，屬于成套的站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)；間隔級(jí)設(shè)備的設(shè)置比較分散，主要設(shè)置在高低壓開關(guān)柜內(nèi)，其劃分依據(jù)為電壓等級(jí)及電氣單元。

（2）高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)的中心主站系統(tǒng)可采用多機(jī)專用網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，用于設(shè)置各類機(jī)電設(shè)備，例如交換機(jī)、服務(wù)器、維護(hù)站及打印機(jī)等。通信主干網(wǎng)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)是電力監(jiān)控系統(tǒng)的主要構(gòu)成，其中前者的信息傳遞主要依靠光纖以太網(wǎng)，而后者是通過星形網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息傳遞[6]。

（3）內(nèi)部電力監(jiān)測(cè)工作流程：①電力監(jiān)控系統(tǒng)中安裝有主機(jī)設(shè)備，根據(jù)具體工況配置相應(yīng)的傳感及傳輸設(shè)備，準(zhǔn)確測(cè)控直流交流、溫度變換及漏電保護(hù)等；②當(dāng)測(cè)量出的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值存在差異時(shí)，需要將異常信息上報(bào)給管理中心；③工作人員依照設(shè)定好的故障提報(bào)流程，在系統(tǒng)內(nèi)提報(bào)信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)送，還可以采取人工報(bào)送的方式。

（4）電力設(shè)備工作流程：①收集高低壓配電柜的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，傳輸線路及配電柜交流、直流、開關(guān)、溫度等信息，并進(jìn)行處理；②借助于通信設(shè)備遠(yuǎn)程分析并處理設(shè)備異常情況；③通過聯(lián)動(dòng)機(jī)制，共享供配電設(shè)備的故障信息到管理部門，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電設(shè)備的多層監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行；④運(yùn)用以太網(wǎng)端口、485端口等，全面收集供配電系統(tǒng)終端的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3 供配電系統(tǒng)電力監(jiān)控前端監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)組成

3.1 電力監(jiān)控前端監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的主要設(shè)備

表1所示為電力監(jiān)控前端監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，表2所示為電力溫度監(jiān)控顯示。該系統(tǒng)包含低壓柜狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備、光纖測(cè)溫設(shè)備、監(jiān)測(cè)終端以及LoRa網(wǎng)關(guān)等各類功能設(shè)備。監(jiān)測(cè)終端屬于前端監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的主要設(shè)備，借助于間隔層單元收集并分析配供電環(huán)節(jié)產(chǎn)生的模擬量、數(shù)字量以及溫度值等數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)在系統(tǒng)屏幕上顯示，工作人員可觀察屏幕進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)終端持續(xù)收集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，將其傳輸至管理中心，并借助串口及網(wǎng)管實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，由通信設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)后臺(tái)[7]。

3.2 母線槽狀態(tài)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置于路段各處，對(duì)配電房母線槽狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障問題。設(shè)備采用無(wú)線通信，結(jié)合LoRa網(wǎng)關(guān)成為自組網(wǎng)，運(yùn)行中頻率為433 MHz，具有極強(qiáng)的穿透力，可穿透多層墻壁實(shí)現(xiàn)通信。

3.3 低壓柜狀態(tài)監(jiān)測(cè)

路段配電房中廣泛設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)低壓配電柜進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其故障問題，同樣采用LoRa無(wú)線通信方式，高效傳遞信息。

3.4 光纖測(cè)溫

高速公路路段中，遠(yuǎn)距離設(shè)置各種監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)電線電纜及橋架進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其潛在的故障問題。設(shè)備系統(tǒng)中安裝DTS模塊，能長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離、快速監(jiān)測(cè)溫度[8]。

3.5 監(jiān)測(cè)終端

監(jiān)測(cè)終端作為主要的電力監(jiān)控設(shè)備，融合了故障監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、火災(zāi)探測(cè)以及無(wú)線傳輸?shù)榷喾N功能。通過運(yùn)用邊緣計(jì)算方式，分解切割服務(wù)內(nèi)容，將原來(lái)屬于中心節(jié)點(diǎn)處理的服務(wù)，傳輸至邊緣節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更高效的處理，降低管理難度。相對(duì)于中心節(jié)點(diǎn)，邊緣節(jié)點(diǎn)與終端裝置的距離更近，可實(shí)現(xiàn)快速處理，并縮短傳輸時(shí)間，避免出現(xiàn)延遲問題。

收集到的數(shù)據(jù)被傳輸至電力監(jiān)控前端監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)其對(duì)實(shí)施數(shù)字濾波、判斷有效性、分析故障、消除信號(hào)抖動(dòng)并計(jì)算刻度等。上述工序完成后，會(huì)輸出各項(xiàng)數(shù)據(jù)，主要有電流、電壓、功率、電度等，更新系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，處理完畢的各項(xiàng)數(shù)據(jù)保存于前端監(jiān)控終端中。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需要越限監(jiān)視電流、電壓及頻率等數(shù)值，一旦確定出現(xiàn)越限問題，必須立即發(fā)出警報(bào)，并詳細(xì)記錄越限數(shù)值及時(shí)間。此外，需要對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，分析系統(tǒng)裝置能否穩(wěn)定運(yùn)行。

電力監(jiān)控前端監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)后臺(tái)服務(wù)器并不存在依賴，其報(bào)警功能相對(duì)獨(dú)立，可有效減少處理負(fù)荷量，提高了警報(bào)準(zhǔn)確率及時(shí)效性。監(jiān)測(cè)終端可獨(dú)立記錄歷史數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)有相應(yīng)的接口實(shí)現(xiàn)二次集成，有利于與別的系統(tǒng)設(shè)備相連，并可與完整的監(jiān)控平臺(tái)集成。從報(bào)警系統(tǒng)劃分故障級(jí)別及類型，根據(jù)故障等級(jí)進(jìn)行優(yōu)先上傳，輸出端設(shè)有AO、DO接口，與警鈴或警示燈相連。系統(tǒng)顯示內(nèi)容主要有用電信息、測(cè)量值及警報(bào)信息等，實(shí)行多重管理模式[9]。該系統(tǒng)還開發(fā)了手機(jī)App，用戶手機(jī)上安裝使用終端進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有利于提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量及監(jiān)測(cè)效率，減少了人工監(jiān)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)規(guī)范化的監(jiān)測(cè)，有利于降低監(jiān)測(cè)費(fèi)用[10]。圖2所示為遠(yuǎn)程操作方式。

4 結(jié)論

綜上所述，該文針對(duì)高速公路供配電系統(tǒng)存在的各類問題，構(gòu)建了電力監(jiān)控前端監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，其主要功能如下：

（1）及時(shí)發(fā)現(xiàn)供配電系統(tǒng)中潛在的各種故障問題，采取相應(yīng)措施消除隱患，保障電氣設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）擴(kuò)大配電設(shè)備的服務(wù)覆蓋范圍，提升高速公路運(yùn)營(yíng)管理效率，減輕工作人員勞動(dòng)量。

（3）快速收集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，最大限度地減少臨時(shí)停電時(shí)長(zhǎng)，降低各種電氣設(shè)備的用電量，節(jié)約供配電系統(tǒng)的維保費(fèi)用，從整體上降低高速公路運(yùn)營(yíng)成本。

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