高速公路智能化供配電監(jiān)控預警系統(tǒng)設計

蔡妙敏

摘要：高速公路智能化供配電監(jiān)控預警系統(tǒng)可以為高速公路的高效、安全、可靠運行提供有力支撐，具有較高的可靠性和實用性，能及時對故障進行預警，便于運維人員及時開展故障排查和設備維修，且有利于降低能耗和保護環(huán)境。對高速公路智能化供配電監(jiān)控預警系統(tǒng)設計現(xiàn)狀進行總結，對高速公路供配電系統(tǒng)組成進行概述，并從系統(tǒng)總體架構設計、硬件設計、軟件設計等方面，對高速公路供配電系統(tǒng)中的智能化供配電監(jiān)控預警系統(tǒng)設計進行分析。

關鍵詞：高速公路；供配電；前端監(jiān)測；預警系統(tǒng)；維修

0? ?引言

目前我國高速公路供配電系統(tǒng)在運行過程中，故障頻發(fā)，易發(fā)故障類型包括開關柜接地不良、變壓器進出線電纜故障、斷路器跳合閘失敗等。鑒于傳統(tǒng)供配電監(jiān)控系統(tǒng)無法實現(xiàn)對供電系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和分析，也無法對供配電設備運行狀態(tài)進行有效監(jiān)控[1-2]，因此研究一套智能化的供配電監(jiān)控預警系統(tǒng)，對于保障高速公路供電系統(tǒng)安全、可靠、高效運行具有重要意義。

1? ?高速公路智能化供配電監(jiān)控預警系統(tǒng)現(xiàn)狀

高速公路智能化供配電監(jiān)控預警系統(tǒng)，可以為高速公路的高效、安全、可靠運行提供有力支撐，同時有利于企業(yè)節(jié)省人力資源，提高工作效率。目前在系統(tǒng)設計過程中仍存在一些問題，具體包括：供電網絡拓撲圖不夠清晰，線路之間的拓撲關系不夠明確；通信網絡采用的是公網IP，無法滿足未來智慧高速的需求；供電網絡與通信網絡之間采用公網IP，無法滿足未來智慧高速的需求；各區(qū)域供電設備數(shù)量多且分布廣，運維工作量大[3]。

針對上述問題，需進一步優(yōu)化系統(tǒng)拓撲結構，完善通信網絡設計，增加基于GIS的供電線路監(jiān)測功能，同時要在高速公路內增加通信網絡建設等方面進行探索，只有這樣才能進一步提升高速公路供電設備監(jiān)控水平。

2? ?高速公路供配電系統(tǒng)組成

高速公路供配電系統(tǒng)由10kV線路、變壓器、低壓柜、母線槽、饋線、電力監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，其供配電系統(tǒng)結構如圖1所示。10kV線路是從電網或發(fā)電機組引入的高壓電源，采用架空線或電纜敷設。變壓器可將10kV 電壓降低到380V或220V，一般設置在每個服務區(qū)或收費站[4]。低壓柜將變壓器輸出的低壓電源分配給各個負荷，包括總開關柜、饋線柜、照明柜、信號柜等。母線槽用于沿公路敷設低壓柜輸出的電源，它采用金屬封閉式或絕緣式結構。饋線是從母線槽引出的電源，連接到各個負荷，如照明燈具、信號燈具、監(jiān)控攝像頭等。

3? ?供配電監(jiān)控預警系統(tǒng)設計

3.1? ?系統(tǒng)總體架構設計

供配電監(jiān)控預警系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集層、網絡傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、應用管理層和用戶交互層，構建一個分布式的智能供配電監(jiān)控預警系統(tǒng)[5-6]。

數(shù)據(jù)采集層通過傳感器實時采集供配電系統(tǒng)中的各種設備參數(shù)，并傳輸?shù)骄W絡傳輸層，再通過通信網絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲層。將采集層多個不同采集系統(tǒng)的告警信息集成到統(tǒng)一告警中心集中展示，便于運行監(jiān)控人員、運維人員查看系統(tǒng)告警信息。

網絡傳輸層通過智能網關將數(shù)據(jù)進行存儲和轉發(fā)，并將其應用到數(shù)據(jù)展示層，即可實現(xiàn)對供配電設備的可視化監(jiān)控、故障預警和管理。應用管理層主要完成供配電設備的展示、查詢、控制、報警等功能，用戶交互層主要完成對設備的遠程控制功能。

用戶交互層是系統(tǒng)與用戶之間的橋梁，用戶通過用戶交互界面，可實現(xiàn)對供配電設備的遠程控制和相關信息查詢功能。在用戶交互層，為每個信息系統(tǒng)繪制了業(yè)務視圖，視圖包括應用服務、系統(tǒng)服務、物理平臺三層。通過可視化系統(tǒng)APP操作端，基層一線人員在現(xiàn)場巡視或者搶修過程中，可將現(xiàn)場視頻、圖片等信息通過APP直接上傳到可視化系統(tǒng)中，便于各級應急管理人員實時掌握現(xiàn)場受災情況和搶修復電情況。

3.2? ?系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)硬件主要由系統(tǒng)監(jiān)測設備、電力溫度監(jiān)控、LoRa網關等部分組成。系統(tǒng)監(jiān)測設備的特征、功能見表1。電力溫度監(jiān)控顯示見表2。前端監(jiān)測預警系統(tǒng)的核心是監(jiān)測終端，它可采集各種生產過程中的數(shù)據(jù)，通過顯示屏直觀呈現(xiàn)。監(jiān)測終端還可與各 LoRa 網關進行通信，將數(shù)據(jù)上傳至后臺服務器，從而實現(xiàn)供配電系統(tǒng)的實時監(jiān)測、預警，提高高速公路運營效率[7]。

3.3? ?系統(tǒng)軟件設計

3.3.1? ?電力監(jiān)控系統(tǒng)遙測遙信遙控技術

一是遙測。通過監(jiān)測終端采集供配電設備的運行參數(shù)，如溫度、電壓、電流、絕緣狀態(tài)等，并將其通過通信網絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實時了解設備運行狀態(tài)的。遙測功能可以提高供配電系統(tǒng)的智能化水平，為運行管理、故障處理提供數(shù)據(jù)支持。

二是遙信。基于監(jiān)測終端采集供配電設備的開關狀態(tài)，如斷路器、接觸器、繼電器等，并將其通過通信網絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，及時反饋設備運行狀態(tài)，發(fā)出警報。遙信功能可以提高供配電系統(tǒng)的安全性，為運行管理、故障處理提供信號支持。

三是遙控。通過監(jiān)控中心下發(fā)控制命令，通過通信網絡傳輸?shù)奖O(jiān)測終端，遠程操控供配電設備，如斷路器、接觸器、繼電器等。遙控功能可以提高供配電系統(tǒng)的運行效率、節(jié)能效果。

3.3.2? ?電力監(jiān)控網絡拓撲技術

電力監(jiān)控網絡是指連接監(jiān)測終端、監(jiān)控中心的通信網絡，用于實現(xiàn)遙測、遙信、遙控等功能，其拓撲結構決定了網絡的性能、可靠性，因此需根據(jù)供配電系統(tǒng)的特點、需求進行合理設計。電力監(jiān)控網絡常用拓撲結構有星型、環(huán)型、總線型、樹型等，各有優(yōu)缺點。

星型拓撲結構所有監(jiān)測終端均直接中心節(jié)點，如監(jiān)控中心或交換機，中心節(jié)點負責數(shù)據(jù)的轉發(fā)、處理。星型拓撲結構簡單、易擴展，故障隔離性好，不會影響其他節(jié)點的通信，但其中心節(jié)點是單點故障，一旦出現(xiàn)故障，整個網絡將癱瘓，因此需提供中心節(jié)點冗余備份。

環(huán)型拓撲結構全部監(jiān)測終端連接成閉合環(huán)形鏈路，數(shù)據(jù)沿著環(huán)形鏈路順時針或逆時針傳輸。環(huán)型拓撲結構無需中心節(jié)點，節(jié)省設備成本，傳輸效率高，具有一定的容錯能力。環(huán)型拓撲結構的缺點是復雜、擴展難，故障隔離性差，一旦出現(xiàn)故障，可能導致整個環(huán)路斷開或數(shù)據(jù)沖突。

總線型拓撲結構監(jiān)測終端都連接到公共總線上，數(shù)據(jù)通過總線雙向傳輸。其結構簡單、節(jié)省線纜成本，易于擴展。總線型拓撲結構的缺點是傳輸效率低，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，故障隔離性差，一旦出現(xiàn)故障，可能導致整條總線失效。

樹型拓撲結構兼具星型、環(huán)型拓撲結構的優(yōu)點，具有較高的傳輸效率，易于管理維護，但結構較復雜，需較多設備及線纜，中心節(jié)點仍然是單點故障。

電力監(jiān)控網絡拓撲結構需綜合考慮供配電系統(tǒng)的規(guī)模、分布、可靠性要求等因素。規(guī)模較小、分布較集中、可靠性要求較高的供配電系統(tǒng)，可采用星型或樹型拓撲結構；而高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)這類規(guī)模較大、設備分布較分散的供配電系統(tǒng)可采用環(huán)型或總線型拓撲結構。

3.3.3? ?視頻實時傳輸技術

通過采用特定關鍵幀相似度賦予不同關鍵幀優(yōu)先級，可確保視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性，進而實現(xiàn)視頻的實時傳輸和動態(tài)管理[8]。視頻傳輸如圖2所示。當移動終端設備采集到高速公路智能化供配電現(xiàn)場視頻信息后，首先壓縮視頻，并標注相似幀關鍵幀優(yōu)先級。然后在視頻傳輸時，在發(fā)送端對數(shù)據(jù)進行分包，并加入主動丟幀策略，保證重要幀內容成功發(fā)送到接收端。最后通過中心服務器進行解析上傳到Web客戶端，即實現(xiàn)視頻的實時傳輸。

3.4? ?目標位置定位技術

采用前景檢測模塊功能對攝像機采集的運動目標二維圖像實時檢測后，采用目標位置定位模塊獲取運動目標位置，即可得到運動目標的三維位置。詳細的運算過程如下：對兩個攝像頭坐標系內的目標點實施變換以及運算操作，獲取目標點位置后，將其變換到世界坐標系內；基于運動目標以及兩個攝像頭在坐標系內的位置，運算出2條空間直線，通過攝像頭坐標和運動目標，利用平均中值法運算獲取目標運動位置，使得2個標定板內被檢測點存在一定差異，出現(xiàn)異面直線；通過求解空間異面直線公垂線算法運算出公垂線，基于該線同兩點直線的交點獲取中點。

3.5? ?可視化技術

可視化技術可將供配電系統(tǒng)中的各種設備、電氣參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等信息直觀地顯示出來，以便管理人員及時了解供配電系統(tǒng)中設備的運行狀況，并通過提供不同的可視化界面，使用戶可以進行在線查詢、報警設置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等操作。該系統(tǒng)采用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術，將整個高速公路供電網絡中的各個監(jiān)控區(qū)域和設備信息進行整合，并以地圖的形式展現(xiàn)出來。在對供配電系統(tǒng)進行監(jiān)測與分析時，可通過 GIS技術將各個監(jiān)控區(qū)域和設備的相關信息進行整合，實現(xiàn)對整個高速公路供電網絡的可視化管理。

3.6? ?報警技術

報警系統(tǒng)通常用于模擬信號檢測、激發(fā)以及處理發(fā)出警報。報警系統(tǒng)也可用于監(jiān)測模擬或數(shù)字信號的變化，以達到控制警報，避免多余警報或未能發(fā)出警報的情況。報警技術基于報警功能相對獨立，可有效減少處理負荷量，提高了警報準確率及時效性。

監(jiān)測終端可獨立記錄歷史數(shù)據(jù)，設計有相應的接口實現(xiàn)二次集成，有利于與別的系統(tǒng)設備相連，并可與完整的監(jiān)控平臺集成。從報警系統(tǒng)劃分故障級別及類型，根據(jù)故障等級進行優(yōu)先上傳，輸出端設有AO、DO接口，與警鈴或警示燈相連。

4? ?結束語

高速公路智能化供配電監(jiān)控預警系統(tǒng)可以為高速公路的高效、安全、可靠運行提供有力支撐，同時也為企業(yè)節(jié)省了人力資源，提高了工作效率。通過相關試驗，所設計系統(tǒng)應用于高速公路項目中，實現(xiàn)了對其供電系統(tǒng)的集中監(jiān)控和管理，及時能發(fā)現(xiàn)故障，并且方便對故障進行及時處理，對故障設備進行維修，保障了高速公路供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

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