高速公路電力監控前端監測預警系統的應用

鐘仕興

（廣東飛達交通工程有限公司，廣東廣州 510663）

高速公路供配電系統具有負荷規模大、分布分散、復雜度高及用電端智能要求多、設備供電距離長、供電線材及路由復雜等特點。為了提升高速公路運維工作的質量和安全，支撐產業技術向數字化、智能化、人性化方向發展，基于高速公路供配電系統運行的特點，從故障的發生原因、特征類型及危害程度、現場維護人員前端測控需求等方面進行分析，對高速公路營運單位的功能需求進行提煉，進而有目的地得到高速公路供配電系統電力監控前端監測預警系統的研究方向。

1 高速公路供配電系統

高速公路供配電系統包括電力電纜、中壓配電設備、電力變壓器、低壓配電設備、電源設備、風/光供電設施、電力監控系統、電動汽車充電系統等各種為用電設備服務的供配電及輔助設施。供配電系統為公路沿線設施服務，如：監控、通信、收費、隧道通風照明等，目的在于確保其用電的安全、合理和可靠性，確保公路安全、暢通、經濟、舒適等綜合效益最大限度地發揮。供配電系統結構如圖1所示。

圖1 供配電系統結構

2 高速公路電力監控

2.1 高速公路電力監控

電力監控主要設備包括管理中心的主站系統和外場的各種測控保護設施以及數據通信設備，采用分層分布式結構，通過數據采集、信息顯示、繼電保護、參數監測、運行控制、事件記錄、事故報警、數據報表等功能使公路管理實現遙控、遙測、遙調、遙信。對電力監控進行養護的目的是保證其數據檢測傳輸精度準確、控制保護更可靠，確保高速公路機電設施安全、經濟、暢通地運行。

2.2 電力監控遙測遙信遙控功能

（1）10 kV：遙測10 kV回路三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率等參數；遙信10 kV進線、出線開關位置狀態與故障報警。

（2）低壓總開關、開關狀態、接觸器、斷路器：遙測低壓總開關回路三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、用電量等參數；遙信0.4 kV出線手/自動轉換開關狀態、接觸器、斷路器運行狀態及故障報警。

（3）變壓器：遙測變壓器溫度、配電柜內溫度等參數；遙信變壓器出現總開關狀態，熔絲熔斷信號，接地狀態，變壓器溫度，風機啟動信號。

（4）饋線：遙測0.4 kV饋線電流。

（5）UPS和EPS：遙測UPS和EPS的輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流、輸出頻率、充電電流、蓄電池電壓等參數；遙信UPS和EPS交流/逆變供電，過載，蓄電池放電后電壓過低，逆變器或變換器故障。

（6）發電機：遙測發電機電壓、電流和頻率等參數。

（7）無功補償：遙信無功補償狀態信號及刀熔開關和斷路器接通信號。

（8）遙控功能：可遙控高、低壓母線的分合閘；可遙控無功補償裝置投切；可遙控照明柜、風機柜等的分合閘；可遙控市電/發電機供電轉換、機組開機、機組關機。

2.3 電力監控網絡拓撲描述

常用的電力監控系統按中控級、站控級、間隔級三級配置原則進行設置。通常中控級設備包括一套總級監控系統，設置在管理中心或隧道管理所；站控級設備包括一套站級監控系統，設置在收費站或隧道配變電所；間隔級設備按不同電壓等級和電氣單元劃分，分散設置在各高低壓開關柜和其他電氣設備內。

電力監控自動化系統中心主站系統可以選擇多機專用網系統結構，設置網絡交換機、數據服務器、工作站、維護站、數據通信機，并配有打印機等。電力監控自動化系統分為通信主干網與監測點內部通信，通信主干網采用光纖以太網傳輸，監測點內部由星形網絡傳輸。

（1）內部電力監測工作流程。內部的電力監控主機，通過設置不同工況的傳感器和傳輸器，實現直流、交流采集、溫變、壓降、漏電保護測控，實時工況監視、實時顯示圖表工況、對運行信息自動分析、采集。與設定值有偏差的實時進行報告，由監控人員根據設置的故障報送流程，自動發送到相應處理人員或人工直接匯報。

（2）主要電力設備工作流程。高低壓配電柜數據采集：實現供電線路及配電柜交流、直流數字量化、開關、頻率、溫度、漏電、缺相的實時處理與傳輸；遠程可對異常情況進行簡單的控制和處理。設置聯動機制，相關的異常情況可以共享給相關的供電部門，保障設備的多重監護和穩定性。通過以太網絡端口，485端口、232端口實現對各終端運行信息采集，采集信息經內部骨干網絡把信息傳輸到路段監控中心。

3 供配電系統電力監控前端監測預警系統組成

系統監測設備如表1所示，電力溫度監控顯示如表2所示。

表1 系統監測設備

表2 電力溫度監控顯示

供配電系統電力監控前端監測預警系統主要包括母線槽和低壓柜狀態監測、光纖測溫、監測終端和LoRa網關等功能設備。作為前端核心設備的監測終端，通過間隔層單元采集來自生產過程的模擬量、數字量、脈沖量及溫度量等，現場維護人員可通過顯示屏進行可視監測；監測終端根據設備工作狀態定時采集并發送數據，可以用自身串口與網關進行匹配組網，LoRa網關接收來自終端采集的相關數據，并通過通信接口上傳數據至后臺服務器。

（1）母線槽狀態監測。路段內任意布置監測點，有效檢測變電所母線槽早期隱患；工作頻率433 MHz，可與LoRa網關形成自組網；通訊信穿透力強，單組30層。

（2）低壓柜狀態監測。可大范圍布置在路段變電所內，實行多點監測，有效監測低壓配電柜早期隱患，工作頻率433 MHz，可與LoRa網關實現雙工通信，單組監測500點，抗屏蔽能力強。

（3）光纖測溫。覆蓋路段范圍內長距離管線及罐狀設備，有效檢測輸電線纜、橋架的早期隱患；內置DTS模塊，可實現快速、連續、長距離測溫功能。

（4）監測終端。電弧和短路是電氣火災的重要成因，監測終端可提供三相電弧探測能力，并具有短路黑匣子監測記錄功能，讓短路故障無處遁形，可有效預防事故發生。

監測終端是一種集成化電力監控設備，可以實現電力多功能表、故障監測裝置、電能質量監測儀、電氣火災探測器、電弧探測器和無線傳輸裝置的功能。監測終端功能如圖2所示。

圖2 監測終端功能

監測終端采用邊緣運算設計理念，將原本完全由中心節點處理的大型服務加以分解，切割成更小、更容易管理的部分，分散到邊緣節點去處理。邊緣節點更接近于終端裝置，可以加快處理與傳送速度，減少延遲。

電力監控前端監測預警系統對所采集的輸入量進行數字濾波、有效性檢查、工程值轉換、故障判斷、信號接點抖動消除、刻度計算等加工程序，從而產生可供應用的電流、電壓、有功功率、無功功率、電度、功率因數等各種實時數據，供后臺服務器數據庫更新；必要時，形成分布式的數據庫結構，在前端監控終端中保留本地處理的各種實時數據。在運行過程中，對采集到的電流、電壓、主變壓器溫度、頻率等測量值要不斷進行越限監視，如發現越限，應立刻發出告警信號，同時記錄顯示測量值的越限時間和越限值，另外，還要監視保護裝置是否失電，自控裝置工作是否正常等。

電力監控前端監測預警系統具備獨立的報警功能，不依賴后臺管理服務器，解決了由于計算集中模式下服務器處理負荷過重，造成報警延遲、誤報的問題；監測終端還具有對獨立的歷史事件、歷史數據的存儲功能，集成提供了豐富的二次集成接口，可后續拓展接入其他智能型設備，方便集成到路段一體化平臺監控系統。

電力監控前端監測預警系統報警功能采用故障分級分類原則實現故障優先上傳機制；故障輸出帶有故障輸出AO、DO接口，可用于接入警鈴、警示燈或直接用于切除故障回路；監控顯示采用多重判據，多重管理權限，顯示內容主要包括用電信息、測量值的實時數據、告警信息等。

此外，電力監控前端監測預警系統中還附帶ALOT空調節能技術，采用手機APP監測，實現數字化、可視化、智能化、標準化管理；運用AI代替人工巡檢、開關機等大量重復性工作；AIoT數據可驅動中央空調精細化管理，增效降本。遠程操作方式如圖3所示。

圖3 遠程操作方式

4 結語

采用電力監控前端監測預警系統，不僅可有效發現高速公路供配電系統故障隱患，提前抑制機械、電氣故障形成，降低故障發生概率；且可使配電設備覆蓋面更廣，有利于提升高速公路營運單位的管理工作效率，降低工作人員的勞動強度，優化現場信息收集方式，縮短非計劃停電時間，降低維護保養費用和電費，進而節省路段運營的成本。