高速公路機電系統電力監控前端監測預警系統探討

摘要 電力監控系統是高速公路機電項目的重要組成部分，其主要功能是實時監控高速公路全線供配電系統的運行，以確保處于正常供電狀態，從而維系公路整體運營的平穩性。文章通過分析高速公路供配電系統的特點，構建了一種智能化的供配電系統前端監測預警系統，總結了其重要性及各項功能，能監測配電設備的溫度、電流、電壓及絕緣性的變化情況，實現對系統故障的預報。該系統具有較高的可靠性和實用性，且有利于降低能耗和保護環境，可廣泛推廣應用。

關鍵詞 高速公路項目；電力監控；前端監測；預警系統

中圖分類號 U495文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）11-0023-03

0 引言

高速公路供配電系統的負荷量較大，各類設備分布較廣，且較為復雜，用電端的智能化程度要求較高，需進行遠距離供電，所用線材及路由設備種類繁多。該文通過論述高速公路供配電系統的具體特點，分析供配電系統的故障原因、類型、危害以及系統維保人員的前端監控需求等內容，總結了高速公路運營的各項功能需求，構建了高速公路供配電系統電力監控前端監測預警系統，從而實現高質量的高速公路運維工作，全面提升整個產業的信息化和智能化水平。

1 高速公路供配電系統

高速公路沿線建有監控、通信、收費及通風照明等服務設施，其供配電系統主要是為上述用電設備提供電能，通過安全又穩定的供配電，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營的經濟價值與社會效益。該系統包含電線電纜、配電設備、變壓設備、電源設備、風力/光伏發電設備等供配電設施，同時還配有電力監控、充電站等設施。圖1表示供配電系統結構[1]。

2 高速公路電力監控系統重要性及功能

2.1 高速公路電力監控系統重要性

電力監控系統設備主要包含管理中心的主站系統、場外測控保護設施及通信設備三部分，實行分層布局。該系統具備各種功能，例如收集并顯示數據信息、繼電保護、測量數據、控制系統運行、事件記錄、故障報送等，從而實現遠距離管控公路通行、數據監測以及通信交流等。為提高系統傳輸數據的準確度和系統控制的穩定性，需要采取有效措施養護電力監控系統，確保各類設備平穩運行，并有效降低能耗[2]。

電力監控系統的主要功能是實時監控高速公路全線供配電系統的運行，以確保處于正常供電狀態，從而維系公路整體運營的平穩性。現階段，高速公路電力監控系統的管理不到位，缺少必要的維護。電力監控系統是高速公路機電工程的重要組成部分，與道路收費系統及監控系統一樣，都屬于高速公路配套服務設施。高速公路收費系統的穩定運行，是社會各界高度重視的問題，穩定運行的供配電系統，是收費系統高效運轉的重要保障，這就要求電力系統具有較高的安全性與可靠性[3]。為了應對可能出現的停電故障，則需要在供配電系統中設置UPS電源，其主要作用是確保供停電后配電系統可持續供電一段時間。構建高效、全面的電力監控系統，能快速確定機電設施的故障，并提出問題解決措施，確保電力監控系統穩定運行，有利于提升供配電系統的管理水平[4]。

2.2 電力監控遙測遙信遙控功能

（1）10 kV：主要是遙測其電壓、電流、功率及頻率等參數，并遙信控制其進出線開關的位置狀態，發現故障問題后及時報警。

（2）開關裝置狀態、接觸器、斷路器：遙測低壓總開關的各項參數，例如三相電壓、電流、功率及用電量等；遙信0.4 kV轉換開關和接觸器的運行狀態，發現故障問題后及時報警。

（3）變壓器：遙測其溫度及配電柜內部溫度等數據；遙信變壓器總開關狀態、熔絲熔斷信號、變壓器溫度等。

（4）饋線：遙測0.4 kV饋線電流。

（5）UPS和EPS：遙測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；同時遙信其交流/逆變供電，當放電結束后，電壓明顯下降，逆變器出現故障問題[5]。

（6）發電機：遙測其電壓、電流及頻率等。

（7）無功補償：遙信無功補償狀態、刀熔開關和斷路器接通信號。

（8）遙控功能：對母線分合閘進行遙控，還可遙控無功補償裝置投切以及照明柜、風機柜等的分合閘。

2.3 電力監控網絡拓撲描述

設置電力監控系統，實行中控級、站控級、間隔級三級配置原則。

（1）電力監控系統的中控級設備，被安裝于高速公路隧道管理所內，屬于成套的總級監控系統；站控級設備被安裝在隧道配變電所中，屬于成套的站級監控系統；間隔級設備的設置比較分散，主要設置在高低壓開關柜內，其劃分依據為電壓等級及電氣單元。

（2）高速公路電力監控系統的中心主站系統可采用多機專用網系統結構，用于設置各類機電設備，例如交換機、服務器、維護站及打印機等。通信主干網與監測點內部通信網絡是電力監控系統的主要構成，其中前者的信息傳遞主要依靠光纖以太網，而后者是通過星形網絡實現信息傳遞[6]。

（3）內部電力監測工作流程：①電力監控系統中安裝有主機設備，根據具體工況配置相應的傳感及傳輸設備，準確測控直流交流、溫度變換及漏電保護等；②當測量出的數據與標準值存在差異時，需要將異常信息上報給管理中心；③工作人員依照設定好的故障提報流程，在系統內提報信息，自動實現數據報送，還可以采取人工報送的方式。

（4）電力設備工作流程：①收集高低壓配電柜的各項數據，傳輸線路及配電柜交流、直流、開關、溫度等信息，并進行處理；②借助于通信設備遠程分析并處理設備異常情況；③通過聯動機制，共享供配電設備的故障信息到管理部門，實現對供電設備的多層監控，實現供電設備的平穩運行；④運用以太網端口、485端口等，全面收集供配電系統終端的各項運行數據。

3 供配電系統電力監控前端監測預警系統組成

3.1 電力監控前端監測預警系統的主要設備

表1所示為電力監控前端監測預警系統的監測設備，表2所示為電力溫度監控顯示。該系統包含低壓柜狀態監測設備、光纖測溫設備、監測終端以及LoRa網關等各類功能設備。監測終端屬于前端監測預警系統的主要設備，借助于間隔層單元收集并分析配供電環節產生的模擬量、數字量以及溫度值等數據，所得數據在系統屏幕上顯示，工作人員可觀察屏幕進行監測。監測終端持續收集設備的運行狀態數據，將其傳輸至管理中心，并借助串口及網管實現組網，由通信設備將數據傳送到系統后臺[7]。

3.2 母線槽狀態監測

監測點設置于路段各處，對配電房母線槽狀態進行持續監測，及時發現潛在的故障問題。設備采用無線通信，結合LoRa網關成為自組網，運行中頻率為433 MHz，具有極強的穿透力，可穿透多層墻壁實現通信。

3.3 低壓柜狀態監測

路段配電房中廣泛設置監測點，對低壓配電柜進行連續性監測，及時發現其故障問題，同樣采用LoRa無線通信方式，高效傳遞信息。

3.4 光纖測溫

高速公路路段中，遠距離設置各種監測設備，對電線電纜及橋架進行監測，及時發現其潛在的故障問題。設備系統中安裝DTS模塊，能長時間、遠距離、快速監測溫度[8]。

3.5 監測終端

監測終端作為主要的電力監控設備，融合了故障監測、電能質量監測、火災探測以及無線傳輸等多種功能。通過運用邊緣計算方式，分解切割服務內容，將原來屬于中心節點處理的服務，傳輸至邊緣節點，實現更高效的處理，降低管理難度。相對于中心節點，邊緣節點與終端裝置的距離更近，可實現快速處理，并縮短傳輸時間，避免出現延遲問題。

收集到的數據被傳輸至電力監控前端監測預警系統，該系統對其對實施數字濾波、判斷有效性、分析故障、消除信號抖動并計算刻度等。上述工序完成后，會輸出各項數據，主要有電流、電壓、功率、電度等，更新系統后臺數據。根據實際需要，設計分布式數據庫結構，處理完畢的各項數據保存于前端監控終端中。系統運轉時，需要越限監視電流、電壓及頻率等數值，一旦確定出現越限問題，必須立即發出警報，并詳細記錄越限數值及時間。此外，需要對保護裝置進行實時監視，分析系統裝置能否穩定運行。

電力監控前端監測預警系統對后臺服務器并不存在依賴，其報警功能相對獨立，可有效減少處理負荷量，提高了警報準確率及時效性。監測終端可獨立記錄歷史數據，設計有相應的接口實現二次集成，有利于與別的系統設備相連，并可與完整的監控平臺集成。從報警系統劃分故障級別及類型，根據故障等級進行優先上傳，輸出端設有AO、DO接口，與警鈴或警示燈相連。系統顯示內容主要有用電信息、測量值及警報信息等，實行多重管理模式[9]。該系統還開發了手機App，用戶手機上安裝使用終端進行監測，有利于提高監測質量及監測效率，減少了人工監測量，實現了科學規范化的監測，有利于降低監測費用[10]。圖2所示為遠程操作方式。

4 結論

綜上所述，該文針對高速公路供配電系統存在的各類問題，構建了電力監控前端監測預警系統，其主要功能如下：

（1）及時發現供配電系統中潛在的各種故障問題，采取相應措施消除隱患，保障電氣設備穩定運行。

（2）擴大配電設備的服務覆蓋范圍，提升高速公路運營管理效率，減輕工作人員勞動量。

（3）快速收集各項數據，最大限度地減少臨時停電時長，降低各種電氣設備的用電量，節約供配電系統的維保費用，從整體上降低高速公路運營成本。

參考文獻

[1]粘為凱， 黃培庭. 泉州高速供配電系統智能化電力監控應用[J]. 中國交通信息化， 2022（S1）： 379-382.

[2]黃宇新. 電力監控系統在供配電設計中的應用分析[J]. 電子世界， 2021（19）： 49-50.

[3]甘韶安. 廣深高速公路沿線變電所電力監控改造工程系統施工要點分析[J]. 黑龍江交通科技， 2021（8）： 218-219+221.

[4]丘燦燦， 魏序康. 河惠莞高速電力監控系統應用淺談[J]. 中國交通信息化， 2020（4）： 128-129.

[5]楊志亮. 電力監控系統在供配電設計中應用的探討[J]. 城市建設理論研究（電子版）， 2020（5）： 4.

[6]丁強. 供配電系統電壓暫降在數據中心的監測及治理研究[C]. 中國通信學會通信電源委員會. 2020年中國通信能源會議論文集， 2020： 463-465+469.

[7]鄧博軒， 徐峰. 高速公路機電工程電力監控系統研究[J]. 工程技術研究， 2022（15）： 98-100.

[8]王誠. 高速公路電力監控智能化創新管理技術研究[J]. 科技與創新， 2022（13）： 120-122+126.

[9]付玉強. 高速公路電力監控智能化管理技術[J]. 中國設備工程， 2020（24）： 26-27.

[10]王衛民. 雙機備份UPS在高速公路收費站供配電系統中的應用[C]. 《建筑科技與管理》組委會. 2020年5月建筑科技與管理學術交流會論文集， 2020： 88-89.