高速公路智能化配電監控系統的設計與應用

修樹斌徐春滔/.浙江省交通投資集團有限公司申嘉湖杭分公司 .杭州海康威視數字技術股份有限公司

高速公路智能化配電監控系統的設計與應用

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電力系統是高速公路營運單位機電系統正常運行的動力與基礎，電氣安全問題已成為路公司安全運營重要一環，智能化配電監控系統由此產生，它為高速公路營運單位對電力系統管理提供了一種很好的管理模式。

電氣安全；智能化；動力環境監控

配電系統是高速公路機電系統的動力來源，一旦出現問題，后果不堪設想；高速公路的收費站、服務區、隧道站均配有相應的配電站，僅僅依靠人工方式進行巡視與運維，不僅成本高、不能及時發現問題，效率差，而且體現路公司管理落后，必將影響電力保障成效。因此，構建一套智能化配電監控平臺成為高速公路機電管理的必要選擇。配電監控主要涉及電力和環境安全，包括：高低壓電力指標（電壓、電流、頻率、功率、電能等）、配電站環境要素（溫濕度、漏水狀態、視頻安防、紅外入侵、消防煙感等）。

一、系統總構成

高速公路智能化配電監控系統主要由電力監控子系統、環境監控子系統、漏水監測子系統、消防報警子系統、紅外報警子系統、安防監控子系統、監控軟件子系統、計算機網絡子系統等組成。各子系統能夠在配電站進行本地采集層，實現本地集成，并通過高速公路計算機網絡系統進行組網上傳，最終在高速公路路公司電力管理的軟件平臺上實現數據實時監控、預警發布和統計分析的可視化工作。

二、系統設計方案

（一）系統架構圖

圖1 系統架構圖

智能化配電監控系統采用分布式架構，由采集層、傳輸層、管理層、應用層四個層次組成。其中采集層為前端智能設備，包括智能電量儀、溫濕度儀、漏水檢測儀、煙感探測器、紅外探測器、數據采集網關；傳輸層為采集層與后臺的網絡鏈路，此處由高速公路內部業務網絡結構；管理層為服務器、監控主機以及數據庫等；應用層為配電安全智能化監控平臺軟件，主要實現數據展示、報警發布、查詢統計、報表管理、控制策略等綜合業務性應用。

（二）系統軟件架構

圖2 系統軟件架構

監控軟件平臺采用面向SOA的分布式架構，其運行支撐平臺為Windows系統，開發平臺為Microsoft Framework .Net，數據庫支持SQL Server/MySQL/Oracle/Sybase等系統；業務應用層為用戶提供各類應用入口，包括：數據展示、報警管理、查詢檢索、報表統計、事件日志等，中間分布層負責處理核心業務邏輯，包括：業務規則、合法性校驗、數據訪問、計算引擎、對象調度等，協議接口層負責與第三方系統或設備的數據通信，協議支持OPC、SNMP、TCP、Modbus等，客戶端提供基于C/S的后臺支持系統和基于B/S的瀏覽入口，以及基于移動終端的APP應用和微信公眾號關注；SOA架構的應用架構使軟件能充分利用計算平臺資源，讓業務應用層從復雜的體系架構中徹底分離出來，更易于軟件未來的維護擴充，保護已有的投資，形成協調一致、高效可靠的機房動力環境監控管理平臺。

三、系統子系統

（一）電力監控子系統

1.監控內容

供電質量參數為電壓、功率、能耗等。其供電好壞將直接影響用電設備的安全，故此系統是檢測重點。方案設計中在低壓配電箱的配電輸入回路處分別安裝配電安全監測模塊，實現對配電進線進行各項供電參數監測。

供電質量主要涉及監測以下指標：

電 壓：V1，V2，V3，Vlnavg

電 流：I1,I2,I3,In,Iavg

有功功率：P1,P2,P3,Psum

無功功率：Q1,Q2,Q3,Qsum

視在功率：S1,S2,S3,Ssum

功率因數：PF1,PF2,PF3,PF

有功電度：EP_imp,EP_exp,EP_total,EP_net

無功電度：Eq_imp,Eq_exp,Eq_total,Eq_net

圖3 電力監控子系統

2.實現方式

通過安裝在配電柜內的配電安全監測模塊對配電實現監測，通過總線方式將信號接入嵌入式采集控制一體化智能網關串口，通過網絡由后臺監控軟件進行饋電的實時監測。

3.實現功能

實時監測配電房進線電壓V、（三相相電壓、線電壓及其平均值）、電流 I（三相相電流及其平均值、中線電流）、有功功率P（四象限各相有功功率和系統有功功率）、無功功率 Q(四象限各相無功功率和系統無功功率)、視在功率 S（各相視在功率和系統視在功率）、功率因素RF（各相功率因數和系統功率因數）、頻率 F等。

（二）環境監控子系統

1.監控內容

對于配發電房，其正常運行對環境溫濕度有較高的要求。因此設計在重要部位安裝溫濕度傳感器（帶液晶顯示），一旦發現異常立即啟動報警。

圖4 環境監控子系統

2.實現方式

通過在配電房重要部位安裝帶液晶顯示的溫、濕度傳感器實現環境監測，既可在溫濕度傳感器儀面實時觀察到當前的溫度和濕度數值，亦可通過溫、濕度傳感器的RS485智能接口和通訊協議，以總線方式將信號接入嵌入式采集控制一體化智能網關串口，并由后臺監控軟件平臺進行實時監測。

3.實現功能

實時監測區域內的溫度和濕度值，同時支持與其它子系統的聯動控制，如當溫度過高時自動聯動啟動空調進行制冷。

此方案一經批準，便得到了緊鑼密鼓的推進。1990年7月下旬，宣布了金橋、外高橋、陸家嘴三大公司領導班子，開始公司籌備工作，9月成立了三大公司，而后開始了三管齊下找資本金的工作。

（三）漏水監測子系統

1.監控內容

配電房電纜溝如果浸水會造成不可預知的嚴重后果，這就要求及早發現及時處理，因此設計在電纜溝安裝浸水感應檢測繩,發現有浸水現象時立刻報警，保證配電房設備的穩定運行。

2.實現方式

在配電房關鍵位置安裝水浸式浸水檢測系統，然后通過其485總線接入嵌入式采集控制一體化網關，并由后臺監控軟件平臺進行實時監測。

圖5 漏水監測子系統

3.實現功能

實時監測漏水情況，發生漏水時系統自動切換到進水監控界面，（并顯示具體的進水區域，同時產生報警事件進行記錄存儲及有相應的處理提示，并第一時間發出多媒體語音、電話語音撥號、手機短信、E-Mail等對外報警。

1.監控內容

主要監控配電房內煙感、溫的報警狀態，通過煙、溫感輸出與開關量采集模塊對接向數據網關進行集成，完成對煙、溫感報警狀態、位置信息的發布。

圖6 消防報警子系統

2.實現方式

在關鍵位置的布設煙感應點接入開關量輸入模塊，通過開關量模塊的RS485端口以總線方式將信號接入嵌入式網關的串口，通過與后臺軟件的交互實現消防的運維管理功能。

3.實現功能

如果發生火警時，除消防報警系統的報警顯示外，在集成系統工作站上自動以動畫方式顯示出該防火分區的報警信息，包括火警位置以及相關聯動設備的狀態。相關的聯動還包括：發生火災報警時，消防系統根據報警點的位置信息，查找到附近攝像機編號；通過網絡，向集成系統發送聯動申請。系統可對監測到的各項設備狀態，一旦出現變位，系統將自動切換到相應的監控界面，且發生報警的該項狀態或參數會變紅色并閃爍顯示。

（五）紅外報警子系統

1.監控內容

監測紅外感應點的狀態，一旦發現布防后又入侵，立刻報警。

圖7 紅外報警子系統

2.實現方式

將各個布局在關鍵出入口的紅外感應點接入開關量輸入模塊，通過開關量模塊的RS485端口以總線方式將信號接入嵌入式網關的串口，通過與后臺軟件的交互實現紅外入侵的運維管理功能。

3.實現功能

實時監控紅外檢測器的狀態，一旦發生報警，系統將自動切換到相應的監控界面，同時產生報警事件進行記錄存儲并有相應的處理提示。

（六）監控軟件子系統

監控軟件子系統是整個配電智能化監控系統的總平臺，它負責與采集層的數據通信及數據庫交互，并部署相應的業務功能。

圖8 監控軟件子系統

通過該應用平臺軟件為管理者提供強大的技術支持，主要功能包括：

1.圖形化數據展示功能：支持電子地圖、界面設計、仿真儀表、三維動畫等視圖。

2.預警發布功能：支持界面、短信、語音、郵件、聲光報警，支持報警級別管理、支持報警升級。

3.統計分析功能：支持組態查詢功能、支持各類統計圖表分析（趨勢圖、柱形圖、餅圖、散點圖、甘特圖等）、支持電子表格設計。

4.報表管理功能：支持自定義報表設計功能、支持SQL語言、VB腳本嵌入，形成強大的報表組態能力。

5.日志管理功能：支持系統日志和用戶操作的跟蹤和分析。

6.控制策略管理：支持算術表達式、邏輯表達式、定時器等功能，支持控制策略和方案自定義。

7.移動App功能：支持基于Android、iOS移動App功能，可以遠程在線觀測數據、推送報警。

8.HMI人機交互功能：支持現場HMI觸摸屏交互顯示功能，并支持參數配置、報警、日志管理等功能。

在獲得各子系統相關參數后，監控軟件子系統進行記錄存儲并有相應的處理提示，并第一時間發出多媒體語音、電話語音撥號、手機短信、E-Mail等對外報警。并提供曲線記錄，直觀顯示實時及歷史曲線，可查詢一年內相應參數的歷史曲線及具體時間的參數值（包括最大值、最小值），并可將歷史曲線導出為EXCEL格式，方便電力管理員全面了解各子系統運行狀況。

四、結束語

該系統已根據方案設計并成功在高速公路進行應用。智能化配電監控系統的投入使用，提高了業務管理效率，有效降低了成本，使得以往需要人工往返巡視的耗時、耗人、耗物維護工作變得輕松自如；其次，配電智能化監控系統能夠做到全時段、全覆蓋安全監控，比人工的監控頻率高出數倍；另外，該系統有別于一般的電力監控，該項目納入環境、安防、消防方面的動力環境監控，不僅針對高速公路機電系統的監控，以后可以延伸到隧道機電、外場設備、涵洞、通信機房、監控大廳等，形成一個全方位智能化高速公路機電運維系統，而且還可以選配支持3D動畫、GIS導航等。通過開放式接口平臺方便接入，使用方便，具有廣泛的應用前景。