高速公路智慧能源管理數字化解決方案分析

羅如意、張鵬、王衛

（湖北交投科技發展有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

在高速公路智慧能源管理數字化控制過程中，我國需要完善現行的管理架構，并且對當前高速公路能源管理無序、無規律的局面進行嚴格管理、嚴格控制，做到精細化監管、精細化分析，提高高速公路智慧能源管理的數字化控制水平。

1 高速公路智慧能源管理數字化需求

在當前碳達峰、碳中和的發展視域下，交通領域需要面向數字化、信息化、節能化方向得到進一步優化、完善。高速公路數字化發展是未來的必然趨勢，在高速公路能源管理的過程中需要嚴格參照以下的發展需求，進行綜合規劃、綜合設計。

首先，高速公路供配電照明系統具有區域離散性布局的基本特征。在此過程中，規劃者、設計者應當具備跨專業的整合能力，在電力設計、系統設計、系統管控過程中，完成頂層分析，考慮前期的施工建設，中期的運行使用以及后期的運維管理的實際需求，依托信息化技術，對能耗進行全過程、全時段監測，從而達成節能管理的指標。

其次，在交通、建筑、工業多個領域，相關單位應當實現綜合全面的能源管理，建立綜合體系化的能源管理系統，由國家行政主管部門采取統一監管、統一控制，在技術、資金投入方面完成頂層規劃。利用數字化工具，結合各類物聯網系統以及傳感器系統，實現對高速公路能耗問題的有效管控，構建監管與控制一體化的管理體系。

再次，高速公路機電工程作為消耗的核心部件，對機電項目、機電設施的能源監控、能源管理是必不可少的。在此期間可利用傳感器系統，完成數據采集，從而實現對各類非結構化、半結構化的機電能耗數據信息的綜合收集、控制。

最后，現階段的數字化系統在能耗監測計算、平衡管控、審計以及節能考核方面也存在機制不完善、不全面的情況。當前，我國需要建立科學、完整、全面的能源管理體系，在推動高速公路數字化能源管理的過程中，實現全過程、全生命周期的節能控制，從而保障能源供給的安全、持續、可靠、穩定。為此，我國需要搭建能源保障安全自動化控制以及自動化在線統計分析等監管體系，實現系統調節、系統測量、系統管控。在智能設備管理、能源調度控制以及動態響應管理方面，提高自動化水平，結合人工智能系統、大數據系統，降低高速公路的運營成本，從而提高高速公路能源系統的綜合運作效率，進而達成“雙碳”的管理目標。

總體來說，在高速公路智慧能源管理數字化發展過程中，需要明確頂層設計策略，參照需求分析、建設目標、建設內容以及研究對象，完成體系化、高效化控制，以數字化、信息化、智慧化為發展前提，從能源安全、能耗計量分析、電能監測、智能控制、系統集成以及大數據應用等多個方面，完成各細項規劃建設工作，滿足能量供給平衡，在能源消費、傳輸、供給等多個領域，構建閉環管理體系[1]。

2 高速公路智慧能源管理現狀

首先，雖然我國在高速公路能源管理過程中，實現了對數據信息的有效采集、分析，但是沒有實現對相關數據信息高質量、高效率的使用管理，如無法對相關數據信息進行綜合全面的提取控制，完成系統節能管理?，F階段，在高速公路服務區的建設過程中，大部分施工單位也考慮到了后續的節能管理需求，在空調、照明等主要能耗設施的規劃管理方面，結合了更多光伏充電系統，但是沒有嚴格參照實際的服務區運營需求，實現對規模的有效管控，從而無法完成高效率的能源管理能源控制。

其次，高速公路能源管理工作涉及較多的內容，在能源控制過程中，需要實現對各項機電數據、能耗數據的實時管理控制，因此需要結合高質量的監測管理系統，完成分項計量、智能診斷以及節能潛力的分析控制，最終達成良好的節能管理效果。但是，在高速公路能源管理過程中，缺少科學合理的能耗公示、審計，相關工作的數字化、智慧化水平相對較低，在能源管理方面的綜合水平也無法得到有效提升。具體來說，在能源管理過程中，相關單位實施的管理措施缺少分類項目，如還未實現分項、分戶的能耗數據提取、控制，整個能耗數據相對較為集中。

再次，在自動化控制、節能診斷管理方面也存在考核欠缺的情況，整個節能降耗工作的開展相對較為被動，無法實現有效的平衡控制，并且當前采用的節能措施也不夠完善。在節能管理過程中，由于缺少全域監管，對收費站、服務區等照明、辦公電力浪費的管理控制很難有效實施。部分高速公路區域的能源控制工作受到功率因數、電壓合格率以及三相電流不平衡等相關問題的影響，在能源管理過程中，未做到定性分析，導致用電設備的使用壽命在能源管理措施的負面影響下，出現下降的情況。

最后，高速公路能源能耗數字化管理、數字化控制由于缺少智能運維管理系統，還無法在不同的時間完成模式切換響應、控制。比如，在陰天、雨雪、霧霾、風暴等不同天氣中的切換過程中，在亮度控制、開關控制環節，由于缺少智慧控制，還無法實現自動切換，從而使得能耗提升，出現能源浪費的情況，或者供電無法滿足在相關天氣氣候環境下的照明控制的使用需求。

總體來說，高速公路能源管理的智慧化水平相對較低，對能源的分類控制以及節能管理控制、自動化控制以及電能質量控制還存在一定的欠缺和不足，使得高速公路能源管理流于表面形式。

3 高速公路智慧能源管理數字化解決方案

現階段，在高速公路智慧能源管理數字化控制過程中，首先，完善智慧能源管理總體設計。對能源總體架構進行有效規劃、控制，建立數字化、一體化的管理模型，實現能源管理切換、控制切換。其次，完善能源管理模型。在能源控制過程中，對其中的油水、燃氣、電力進行有效把控，對子項目進行合理提取、分析、使用。再次，自動化監控。在能源自動化管理過程中，需要完善自動化監管、自動化控制，完成遙測、遙感的綜合控制，實現全局監控，在不同用電管理模式下，實現差異化的管理。最后，完善能源監控調度方案。在此過程中，平衡光伏發電與市電接入，實現用電管理、用電統籌控制，進而提高整個高速公路能源管理水平。

3.1 完善智慧能源管理總體設計

當前，為了徹底解決高速公路智慧能源管理過程中存在的缺陷和不足，需要完善智慧能源管理總體設計。在此過程中，需要構建綜合一體化的能源控制體系，以及綜合一體化的能源系統管理架構，實現對能源消耗問題的全局、全域管理。在此過程中，設計師、規劃者應當根據當前在高速公路智慧能源管理中存在的實際問題，完成差異化管理。比如，實時提取高速公路能耗數據信息，借助物聯網系統、云計算平臺、云計算技術完成一體化改造、一體化控制，提高能源管理的智能水平，實現高速公路節能降耗控制。針對以上的需求以及實際指標，在綜合一體化管理過程中，對能源傳遞、供給消費環節，實施循環控制，實現對能源供電系統的全方位、全區域管控。在該體系下，構建能源安全、能源在線分析、計量控制、監測管理系統，由智慧系統進行集中控制，實現對大數據的有效應用，使高速公路能源管理向數字化方面進一步轉型、優化。在總體架構設計過程中，需要以系統管理為核心，參照當前的通信網絡系統以及現場控制網絡系統，以智慧計量裝置的布局為根本，完成智能網關、智能控制體系的分級布置、分級控制。在能源管理控制系統的統籌管理下，實現對路段管理系統的分項控制，在收費站、服務區、停車場所、養護區域實現對子系統的合理布局[2]。

另外，在現場需要制定一系列的傳感器控制機制，完善傳感器設備以及控制器單元的合理布局，完成智能節點、智能設備的有效規劃使用，力求在回路計量以及控制管理方面完成多功能控制。比如，實現分項計量，從而解決在各子站控制過程中，由于分項控制不足而出現能源浪費、照明浪費的情況。除此之外，在能源節能控制過程中，需要配套使用智能變頻器，在不同天氣、不同氣候、不同環境下實現自動調頻控制，以此來減少能源消耗。為了實現各子系統之間的有效連接互動，需要依托全面的聯網設備系統的支持，實現承上啟下的數據傳輸、數據控制、數據管理，利用光纖通信網絡，實現現場信息的有效傳遞、流通管控?？傮w來說，在整個一體化節能設計管理過程中，需要構建信息化監管平臺，對整個監控界面實施高質量、高效率的管理控制，在統計分析、預測調度、管理使用等多個方面做到宏觀把控。

3.2 完善能源管理模型

對能源管理模型的控制是整個體系運行的基本前提，能源管理模型主要是實現對數字化系統的有效采集、管理、控制，可通過搭建數字模擬系統，在管理控制過程中完成對能耗信息的有效傳遞、表達，以此來降低能耗，實現對能耗問題的高效把控。整個能源管理模型劃分總能耗、油、電、水、燃氣等相關項目。在電力領域，以供電、發電機的能源輸送為根本，以市電以及發電機、光伏發電站電能接入為核心電力源泉，在辦公、公共、景觀、收費站、互通、道路隧道、橋梁、水泵、電梯、空調、通風除濕、監控、通信、變電、商用等不同領域，實現體系化用電控制；而在水資源的控制方面，主要以生活消防、商業以及其他用水為管控根本，其中油氣資源的使用相對較少。之后，在整個能源管理模型中，需要明確其中的能耗大戶，如收費站、停車服務區、管理控制中心、養護區、隧道、互通以及大型橋梁等核心部件，明確能源使用標準，進行分項能耗指標的統計，并且參照分項管理需求，完成信息采集控制以及計算分析，以便在后續制訂更加科學合理的分項管理方案。

3.3 自動化監控

對高速公路能源管理問題進行自動化監控，需要從多個層面、多個維度進行。在高速公路全線監管過程中，其一，需要優先從開關母線領域出發，完成遙測、遙感、遙信控制，如實現對發電機組、ATS 開關的全局、全域自動化監管控制；其二，需要對各環節、各領域、各支線干路的電流、電壓、功率、壓力、溫度等相關電能參數進行實時采集，監測相關設備的運行狀態，在此過程中，可通過對開關柜、發電機工作參數的調整控制，記錄各子設備的安全運行情況；其三，需要實施防火防盜的監管，如對變壓器以及相關機電設施的溫度等重要參數信息進行實時監測，及時對異常故障進行警報處理，做快速響應、快速識別分析；其四，結合自動化監管系統，通過提升整個能耗檢測系統的自動化運行水平，提高整個體系運行的可靠性和穩定性，可降低運行成本，減小勞動強度，實現實時高效地處理事故，減少停電時間，保障高速公路供電安全，提升高速公路的運行效率；其五，在不同的用電管理模式下，需要對主次用電進行有效切換控制，減少無謂的浪費，如在用電高峰期適當地控制廣告照明亮度，停運不必要的用電回路，從而提高用電管理控制水平。

3.4 完善能源監控調度方案

在通常情況下，高速公路的能源保障相對較為全面，但是這并不意味著能源使用無須節制。在能源管理過程中，需要實現全局、全域的監管控制，做到細水長流、開源節流。首先，在光伏發電監管過程中，需要對控制逆變器的運行參數實施高效控制，對光伏發電量進行有效記錄、控制，并且分析各電力參數以及各設備的能耗狀態，結合市電接入以及光伏發電的實際標準、實際使用需求，評估用電情況。其次，在當前新能源領域，對充電樁的監測、監控也是必不可少的。在高速公路智能充電樁管理過程中，可利用信息接口，借助智能設備、智能系統對充電樁的運行狀況進行有效監管，并且建立多功能的電力監測終端，完成高效率的開關控制，以及實施高效的數據監測。根據監測得到的數據信息，實現多維度、多方位管理控制，促使整個系統的運行更加穩定有效，從而制定更加科學高效的協同控制管理策略。因此，在新能源一體化監管過程中，需要以雙向逆變器的監管控制為發散點，連接能源管理系統，對ATS 切換、智能網關、光伏控制器、充電樁、照明空調、光伏組串等各項信息以及用電狀況進行有效把控，及時平衡光伏發電與市電之間的切換關系以及相互彌補的狀態，從而制定更加科學、完整、全面的用電調控管理策略。

4 結語

總體來說，在當前高速公路智慧能源管理數字化控制過程中，相關單位應制訂科學有效的管理方案，完善管理架構，構建體系化的管理模式，有效控制和解決高速公路的能耗問題。