高速公路机电系统电力监控前端监测预警系统探讨

2023-06-30

交通科技与管理 2023年11期

摘要电力监控系统是高速公路机电项目的重要组成部分，其主要功能是实时监控高速公路全线供配电系统的运行，以确保处于正常供电状态，从而维系公路整体运营的平稳性。文章通过分析高速公路供配电系统的特点，构建了一种智能化的供配电系统前端监测预警系统，总结了其重要性及各项功能，能监测配电设备的温度、电流、电压及绝缘性的变化情况，实现对系统故障的预报。该系统具有较高的可靠性和实用性，且有利于降低能耗和保护环境，可广泛推广应用。

关键词高速公路项目；电力监控；前端监测；预警系统

中图分类号 U495文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）11-0023-03

0 引言

高速公路供配电系统的负荷量较大，各类设备分布较广，且较为复杂，用电端的智能化程度要求较高，需进行远距离供电，所用线材及路由设备种类繁多。该文通过论述高速公路供配电系统的具体特点，分析供配电系统的故障原因、类型、危害以及系统维保人员的前端监控需求等内容，总结了高速公路运营的各项功能需求，构建了高速公路供配电系统电力监控前端监测预警系统，从而实现高质量的高速公路运维工作，全面提升整个产业的信息化和智能化水平。

1 高速公路供配电系统

高速公路沿线建有监控、通信、收费及通风照明等服务设施，其供配电系统主要是为上述用电设备提供电能，通过安全又稳定的供配电，提升高速公路的安全性和通畅性，降低电能消耗，全面提升高速公路运营的经济价值与社会效益。该系统包含电线电缆、配电设备、变压设备、电源设备、风力/光伏发电设备等供配电设施，同时还配有电力监控、充电站等设施。图1表示供配电系统结构[1]。

2 高速公路电力监控系统重要性及功能

2.1 高速公路電力监控系统重要性

电力监控系统设备主要包含管理中心的主站系统、场外测控保护设施及通信设备三部分，实行分层布局。该系统具备各种功能，例如收集并显示数据信息、继电保护、测量数据、控制系统运行、事件记录、故障报送等，从而实现远距离管控公路通行、数据监测以及通信交流等。为提高系统传输数据的准确度和系统控制的稳定性，需要采取有效措施养护电力监控系统，确保各类设备平稳运行，并有效降低能耗[2]。

电力监控系统的主要功能是实时监控高速公路全线供配电系统的运行，以确保处于正常供电状态，从而维系公路整体运营的平稳性。现阶段，高速公路电力监控系统的管理不到位，缺少必要的维护。电力监控系统是高速公路机电工程的重要组成部分，与道路收费系统及监控系统一样，都属于高速公路配套服务设施。高速公路收费系统的稳定运行，是社会各界高度重视的问题，稳定运行的供配电系统，是收费系统高效运转的重要保障，这就要求电力系统具有较高的安全性与可靠性[3]。为了应对可能出现的停电故障，则需要在供配电系统中设置UPS电源，其主要作用是确保供停电后配电系统可持续供电一段时间。构建高效、全面的电力监控系统，能快速确定机电设施的故障，并提出问题解决措施，确保电力监控系统稳定运行，有利于提升供配电系统的管理水平[4]。

2.2 电力监控遥测遥信遥控功能

（1）10 kV：主要是遥测其电压、电流、功率及频率等参数，并遥信控制其进出线开关的位置状态，发现故障问题后及时报警。

（2）开关装置状态、接触器、断路器：遥测低压总开关的各项参数，例如三相电压、电流、功率及用电量等；遥信0.4 kV转换开关和接触器的运行状态，发现故障问题后及时报警。

（3）变压器：遥测其温度及配电柜内部温度等数据；遥信变压器总开关状态、熔丝熔断信号、变压器温度等。

（4）馈线：遥测0.4 kV馈线电流。

（5）UPS和EPS：遥测UPS和EPS的输入/输出电压、输入/输出电流、输出频率、蓄电池电压等参数；同时遥信其交流/逆变供电，当放电结束后，电压明显下降，逆变器出现故障问题[5]。

（6）发电机：遥测其电压、电流及频率等。

（7）无功补偿：遥信无功补偿状态、刀熔开关和断路器接通信号。

（8）遥控功能：对母线分合闸进行遥控，还可遥控无功补偿装置投切以及照明柜、风机柜等的分合闸。

2.3 电力监控网络拓扑描述

设置电力监控系统，实行中控级、站控级、间隔级三级配置原则。

（1）电力监控系统的中控级设备，被安装于高速公路隧道管理所内，属于成套的总级监控系统；站控级设备被安装在隧道配变电所中，属于成套的站级监控系统；间隔级设备的设置比较分散，主要设置在高低压开关柜内，其划分依据为电压等级及电气单元。

（2）高速公路电力监控系统的中心主站系统可采用多机专用网系统结构，用于设置各类机电设备，例如交换机、服务器、维护站及打印机等。通信主干网与监测点内部通信网络是电力监控系统的主要构成，其中前者的信息传递主要依靠光纤以太网，而后者是通过星形网络实现信息传递[6]。

（3）内部电力监测工作流程：①电力监控系统中安装有主机设备，根据具体工况配置相应的传感及传输设备，准确测控直流交流、温度变换及漏电保护等；②当测量出的数据与标准值存在差异时，需要将异常信息上报给管理中心；③工作人员依照设定好的故障提报流程，在系统内提报信息，自动实现数据报送，还可以采取人工报送的方式。

（4）电力设备工作流程：①收集高低压配电柜的各项数据，传输线路及配电柜交流、直流、开关、温度等信息，并进行处理；②借助于通信设备远程分析并处理设备异常情况；③通过联动机制，共享供配电设备的故障信息到管理部门，实现对供电设备的多层监控，实现供电设备的平稳运行；④运用以太网端口、485端口等，全面收集供配电系统终端的各项运行数据。

3 供配电系统电力监控前端监测预警系统组成

3.1 电力监控前端监测预警系统的主要设备

表1所示为电力监控前端监测预警系统的监测设备，表2所示为电力温度监控显示。该系统包含低压柜状态监测设备、光纤测温设备、监测终端以及LoRa网关等各类功能设备。监测终端属于前端监测预警系统的主要设备，借助于间隔层单元收集并分析配供电环节产生的模拟量、数字量以及温度值等数据，所得数据在系统屏幕上显示，工作人员可观察屏幕进行监测。监测终端持续收集设备的运行状态数据，将其传输至管理中心，并借助串口及网管实现组网，由通信设备将数据传送到系统后台[7]。

3.2 母线槽状态监测

监测点设置于路段各处，对配电房母线槽状态进行持续监测，及时发现潜在的故障问题。设备采用无线通信，结合LoRa网关成为自组网，运行中频率为433 MHz，具有极强的穿透力，可穿透多层墙壁实现通信。

3.3 低压柜状态监测

路段配电房中广泛设置监测点，对低压配电柜进行连续性监测，及时发现其故障问题，同样采用LoRa无线通信方式，高效传递信息。

3.4 光纤测温

高速公路路段中，远距离设置各种监测设备，对电线电缆及桥架进行监测，及时发现其潜在的故障问题。设备系统中安装DTS模块，能长时间、远距离、快速监测温度[8]。

3.5 监测终端

监测终端作为主要的电力监控设备，融合了故障监测、电能质量监测、火灾探测以及无线传输等多种功能。通过运用边缘计算方式，分解切割服务内容，将原来属于中心节点处理的服务，传输至边缘节点，实现更高效的处理，降低管理难度。相对于中心节点，边缘节点与终端装置的距离更近，可实现快速处理，并缩短传输时间，避免出现延迟问题。

收集到的数据被传输至电力监控前端监测预警系统，该系统对其对实施数字滤波、判断有效性、分析故障、消除信号抖动并计算刻度等。上述工序完成后，会输出各项数据，主要有电流、电压、功率、电度等，更新系统后台数据。根据实际需要，设计分布式数据库结构，处理完毕的各项数据保存于前端监控终端中。系统运转时，需要越限监视电流、电压及频率等数值，一旦确定出现越限问题，必须立即发出警报，并详细记录越限数值及时间。此外，需要对保护装置进行实时监视，分析系统装置能否稳定运行。

电力监控前端监测预警系统对后台服务器并不存在依赖，其报警功能相对独立，可有效减少处理负荷量，提高了警报准确率及时效性。监测终端可独立记录历史数据，设计有相应的接口实现二次集成，有利于与别的系统设备相连，并可与完整的监控平台集成。从报警系统划分故障级别及类型，根据故障等级进行优先上传，输出端设有AO、DO接口，与警铃或警示灯相连。系统显示内容主要有用电信息、测量值及警报信息等，实行多重管理模式[9]。该系统还开发了手机App，用户手机上安装使用终端进行监测，有利于提高监测质量及监测效率，减少了人工监测量，实现了科学规范化的监测，有利于降低监测费用[10]。图2所示为远程操作方式。

4 结论

综上所述，该文针对高速公路供配电系统存在的各类问题，构建了电力监控前端监测预警系统，其主要功能如下：

（1）及时发现供配电系统中潜在的各种故障问题，采取相应措施消除隐患，保障电气设备稳定运行。

（2）扩大配电设备的服务覆盖范围，提升高速公路运营管理效率，减轻工作人员劳动量。

（3）快速收集各项数据，最大限度地减少临时停电时长，降低各种电气设备的用电量，節约供配电系统的维保费用，从整体上降低高速公路运营成本。

参考文献

[1]粘为凯，黄培庭. 泉州高速供配电系统智能化电力监控应用[J]. 中国交通信息化， 2022（S1）： 379-382.

[2]黄宇新. 电力监控系统在供配电设计中的应用分析[J]. 电子世界， 2021（19）： 49-50.

[3]甘韶安. 广深高速公路沿线变电所电力监控改造工程系统施工要点分析[J]. 黑龙江交通科技， 2021（8）： 218-219+221.

[4]丘灿灿，魏序康. 河惠莞高速电力监控系统应用浅谈[J]. 中国交通信息化， 2020（4）： 128-129.

[5]杨志亮. 电力监控系统在供配电设计中应用的探讨[J]. 城市建设理论研究（电子版）， 2020（5）： 4.

[6]丁强. 供配电系统电压暂降在数据中心的监测及治理研究[C]. 中国通信学会通信电源委员会. 2020年中国通信能源会议论文集， 2020： 463-465+469.