高速公路智慧能源管理數(shù)字化解決方案分析

羅如意、張鵬、王衛(wèi)

（湖北交投科技發(fā)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(shù)字化控制過(guò)程中，我國(guó)需要完善現(xiàn)行的管理架構(gòu)，并且對(duì)當(dāng)前高速公路能源管理無(wú)序、無(wú)規(guī)律的局面進(jìn)行嚴(yán)格管理、嚴(yán)格控制，做到精細(xì)化監(jiān)管、精細(xì)化分析，提高高速公路智慧能源管理的數(shù)字化控制水平。

1 高速公路智慧能源管理數(shù)字化需求

在當(dāng)前碳達(dá)峰、碳中和的發(fā)展視域下，交通領(lǐng)域需要面向數(shù)字化、信息化、節(jié)能化方向得到進(jìn)一步優(yōu)化、完善。高速公路數(shù)字化發(fā)展是未來(lái)的必然趨勢(shì)，在高速公路能源管理的過(guò)程中需要嚴(yán)格參照以下的發(fā)展需求，進(jìn)行綜合規(guī)劃、綜合設(shè)計(jì)。

首先，高速公路供配電照明系統(tǒng)具有區(qū)域離散性布局的基本特征。在此過(guò)程中，規(guī)劃者、設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)具備跨專(zhuān)業(yè)的整合能力，在電力設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)管控過(guò)程中，完成頂層分析，考慮前期的施工建設(shè)，中期的運(yùn)行使用以及后期的運(yùn)維管理的實(shí)際需求，依托信息化技術(shù)，對(duì)能耗進(jìn)行全過(guò)程、全時(shí)段監(jiān)測(cè)，從而達(dá)成節(jié)能管理的指標(biāo)。

其次，在交通、建筑、工業(yè)多個(gè)領(lǐng)域，相關(guān)單位應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)綜合全面的能源管理，建立綜合體系化的能源管理系統(tǒng)，由國(guó)家行政主管部門(mén)采取統(tǒng)一監(jiān)管、統(tǒng)一控制，在技術(shù)、資金投入方面完成頂層規(guī)劃。利用數(shù)字化工具，結(jié)合各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路能耗問(wèn)題的有效管控，構(gòu)建監(jiān)管與控制一體化的管理體系。

再次，高速公路機(jī)電工程作為消耗的核心部件，對(duì)機(jī)電項(xiàng)目、機(jī)電設(shè)施的能源監(jiān)控、能源管理是必不可少的。在此期間可利用傳感器系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化的機(jī)電能耗數(shù)據(jù)信息的綜合收集、控制。

最后，現(xiàn)階段的數(shù)字化系統(tǒng)在能耗監(jiān)測(cè)計(jì)算、平衡管控、審計(jì)以及節(jié)能考核方面也存在機(jī)制不完善、不全面的情況。當(dāng)前，我國(guó)需要建立科學(xué)、完整、全面的能源管理體系，在推動(dòng)高速公路數(shù)字化能源管理的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程、全生命周期的節(jié)能控制，從而保障能源供給的安全、持續(xù)、可靠、穩(wěn)定。為此，我國(guó)需要搭建能源保障安全自動(dòng)化控制以及自動(dòng)化在線(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析等監(jiān)管體系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、系統(tǒng)測(cè)量、系統(tǒng)管控。在智能設(shè)備管理、能源調(diào)度控制以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)管理方面，提高自動(dòng)化水平，結(jié)合人工智能系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，降低高速公路的運(yùn)營(yíng)成本，從而提高高速公路能源系統(tǒng)的綜合運(yùn)作效率，進(jìn)而達(dá)成“雙碳”的管理目標(biāo)。

總體來(lái)說(shuō)，在高速公路智慧能源管理數(shù)字化發(fā)展過(guò)程中，需要明確頂層設(shè)計(jì)策略，參照需求分析、建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容以及研究對(duì)象，完成體系化、高效化控制，以數(shù)字化、信息化、智慧化為發(fā)展前提，從能源安全、能耗計(jì)量分析、電能監(jiān)測(cè)、智能控制、系統(tǒng)集成以及大數(shù)據(jù)應(yīng)用等多個(gè)方面，完成各細(xì)項(xiàng)規(guī)劃建設(shè)工作，滿(mǎn)足能量供給平衡，在能源消費(fèi)、傳輸、供給等多個(gè)領(lǐng)域，構(gòu)建閉環(huán)管理體系[1]。

2 高速公路智慧能源管理現(xiàn)狀

首先，雖然我國(guó)在高速公路能源管理過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)信息的有效采集、分析，但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息高質(zhì)量、高效率的使用管理，如無(wú)法對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合全面的提取控制，完成系統(tǒng)節(jié)能管理。現(xiàn)階段，在高速公路服務(wù)區(qū)的建設(shè)過(guò)程中，大部分施工單位也考慮到了后續(xù)的節(jié)能管理需求，在空調(diào)、照明等主要能耗設(shè)施的規(guī)劃管理方面，結(jié)合了更多光伏充電系統(tǒng)，但是沒(méi)有嚴(yán)格參照實(shí)際的服務(wù)區(qū)運(yùn)營(yíng)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)模的有效管控，從而無(wú)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(nèi)容，在能源控制過(guò)程中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)機(jī)電數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)管理控制，因此需要結(jié)合高質(zhì)量的監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，完成分項(xiàng)計(jì)量、智能診斷以及節(jié)能潛力的分析控制，最終達(dá)成良好的節(jié)能管理效果。但是，在高速公路能源管理過(guò)程中，缺少科學(xué)合理的能耗公示、審計(jì)，相關(guān)工作的數(shù)字化、智慧化水平相對(duì)較低，在能源管理方面的綜合水平也無(wú)法得到有效提升。具體來(lái)說(shuō)，在能源管理過(guò)程中，相關(guān)單位實(shí)施的管理措施缺少分類(lèi)項(xiàng)目，如還未實(shí)現(xiàn)分項(xiàng)、分戶(hù)的能耗數(shù)據(jù)提取、控制，整個(gè)能耗數(shù)據(jù)相對(duì)較為集中。

再次，在自動(dòng)化控制、節(jié)能診斷管理方面也存在考核欠缺的情況，整個(gè)節(jié)能降耗工作的開(kāi)展相對(duì)較為被動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的平衡控制，并且當(dāng)前采用的節(jié)能措施也不夠完善。在節(jié)能管理過(guò)程中，由于缺少全域監(jiān)管，對(duì)收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)等照明、辦公電力浪費(fèi)的管理控制很難有效實(shí)施。部分高速公路區(qū)域的能源控制工作受到功率因數(shù)、電壓合格率以及三相電流不平衡等相關(guān)問(wèn)題的影響，在能源管理過(guò)程中，未做到定性分析，導(dǎo)致用電設(shè)備的使用壽命在能源管理措施的負(fù)面影響下，出現(xiàn)下降的情況。

最后，高速公路能源能耗數(shù)字化管理、數(shù)字化控制由于缺少智能運(yùn)維管理系統(tǒng)，還無(wú)法在不同的時(shí)間完成模式切換響應(yīng)、控制。比如，在陰天、雨雪、霧霾、風(fēng)暴等不同天氣中的切換過(guò)程中，在亮度控制、開(kāi)關(guān)控制環(huán)節(jié)，由于缺少智慧控制，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，從而使得能耗提升，出現(xiàn)能源浪費(fèi)的情況，或者供電無(wú)法滿(mǎn)足在相關(guān)天氣氣候環(huán)境下的照明控制的使用需求。

總體來(lái)說(shuō)，高速公路能源管理的智慧化水平相對(duì)較低，對(duì)能源的分類(lèi)控制以及節(jié)能管理控制、自動(dòng)化控制以及電能質(zhì)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(shù)字化解決方案

現(xiàn)階段，在高速公路智慧能源管理數(shù)字化控制過(guò)程中，首先，完善智慧能源管理總體設(shè)計(jì)。對(duì)能源總體架構(gòu)進(jìn)行有效規(guī)劃、控制，建立數(shù)字化、一體化的管理模型，實(shí)現(xiàn)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(guò)程中，對(duì)其中的油水、燃?xì)狻㈦娏M(jìn)行有效把控，對(duì)子項(xiàng)目進(jìn)行合理提取、分析、使用。再次，自動(dòng)化監(jiān)控。在能源自動(dòng)化管理過(guò)程中，需要完善自動(dòng)化監(jiān)管、自動(dòng)化控制，完成遙測(cè)、遙感的綜合控制，實(shí)現(xiàn)全局監(jiān)控，在不同用電管理模式下，實(shí)現(xiàn)差異化的管理。最后，完善能源監(jiān)控調(diào)度方案。在此過(guò)程中，平衡光伏發(fā)電與市電接入，實(shí)現(xiàn)用電管理、用電統(tǒng)籌控制，進(jìn)而提高整個(gè)高速公路能源管理水平。

3.1 完善智慧能源管理總體設(shè)計(jì)

當(dāng)前，為了徹底解決高速公路智慧能源管理過(guò)程中存在的缺陷和不足，需要完善智慧能源管理總體設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中，需要構(gòu)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(tǒng)管理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源消耗問(wèn)題的全局、全域管理。在此過(guò)程中，設(shè)計(jì)師、規(guī)劃者應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)前在高速公路智慧能源管理中存在的實(shí)際問(wèn)題，完成差異化管理。比如，實(shí)時(shí)提取高速公路能耗數(shù)據(jù)信息，借助物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、云計(jì)算平臺(tái)、云計(jì)算技術(shù)完成一體化改造、一體化控制，提高能源管理的智能水平，實(shí)現(xiàn)高速公路節(jié)能降耗控制。針對(duì)以上的需求以及實(shí)際指標(biāo)，在綜合一體化管理過(guò)程中，對(duì)能源傳遞、供給消費(fèi)環(huán)節(jié)，實(shí)施循環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源供電系統(tǒng)的全方位、全區(qū)域管控。在該體系下，構(gòu)建能源安全、能源在線(xiàn)分析、計(jì)量控制、監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，由智慧系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用，使高速公路能源管理向數(shù)字化方面進(jìn)一步轉(zhuǎn)型、優(yōu)化。在總體架構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要以系統(tǒng)管理為核心，參照當(dāng)前的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以智慧計(jì)量裝置的布局為根本，完成智能網(wǎng)關(guān)、智能控制體系的分級(jí)布置、分級(jí)控制。在能源管理控制系統(tǒng)的統(tǒng)籌管理下，實(shí)現(xiàn)對(duì)路段管理系統(tǒng)的分項(xiàng)控制，在收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、停車(chē)場(chǎng)所、養(yǎng)護(hù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)的合理布局[2]。

另外，在現(xiàn)場(chǎng)需要制定一系列的傳感器控制機(jī)制，完善傳感器設(shè)備以及控制器單元的合理布局，完成智能節(jié)點(diǎn)、智能設(shè)備的有效規(guī)劃使用，力求在回路計(jì)量以及控制管理方面完成多功能控制。比如，實(shí)現(xiàn)分項(xiàng)計(jì)量，從而解決在各子站控制過(guò)程中，由于分項(xiàng)控制不足而出現(xiàn)能源浪費(fèi)、照明浪費(fèi)的情況。除此之外，在能源節(jié)能控制過(guò)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(huán)境下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)頻控制，以此來(lái)減少能源消耗。為了實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的有效連接互動(dòng)，需要依托全面的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)的支持，實(shí)現(xiàn)承上啟下的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)管理，利用光纖通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息的有效傳遞、流通管控。總體來(lái)說(shuō)，在整個(gè)一體化節(jié)能設(shè)計(jì)管理過(guò)程中，需要構(gòu)建信息化監(jiān)管平臺(tái)，對(duì)整個(gè)監(jiān)控界面實(shí)施高質(zhì)量、高效率的管理控制，在統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)測(cè)調(diào)度、管理使用等多個(gè)方面做到宏觀把控。

3.2 完善能源管理模型

對(duì)能源管理模型的控制是整個(gè)體系運(yùn)行的基本前提，能源管理模型主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化系統(tǒng)的有效采集、管理、控制，可通過(guò)搭建數(shù)字模擬系統(tǒng)，在管理控制過(guò)程中完成對(duì)能耗信息的有效傳遞、表達(dá)，以此來(lái)降低能耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗問(wèn)題的高效把控。整個(gè)能源管理模型劃分總能耗、油、電、水、燃?xì)獾认嚓P(guān)項(xiàng)目。在電力領(lǐng)域，以供電、發(fā)電機(jī)的能源輸送為根本，以市電以及發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電站電能接入為核心電力源泉，在辦公、公共、景觀、收費(fèi)站、互通、道路隧道、橋梁、水泵、電梯、空調(diào)、通風(fēng)除濕、監(jiān)控、通信、變電、商用等不同領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)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(yè)以及其他用水為管控根本，其中油氣資源的使用相對(duì)較少。之后，在整個(gè)能源管理模型中，需要明確其中的能耗大戶(hù)，如收費(fèi)站、停車(chē)服務(wù)區(qū)、管理控制中心、養(yǎng)護(hù)區(qū)、隧道、互通以及大型橋梁等核心部件，明確能源使用標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行分項(xiàng)能耗指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，并且參照分項(xiàng)管理需求，完成信息采集控制以及計(jì)算分析，以便在后續(xù)制訂更加科學(xué)合理的分項(xiàng)管理方案。

3.3 自動(dòng)化監(jiān)控

對(duì)高速公路能源管理問(wèn)題進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，需要從多個(gè)層面、多個(gè)維度進(jìn)行。在高速公路全線(xiàn)監(jiān)管過(guò)程中，其一，需要優(yōu)先從開(kāi)關(guān)母線(xiàn)領(lǐng)域出發(fā)，完成遙測(cè)、遙感、遙信控制，如實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組、ATS 開(kāi)關(guān)的全局、全域自動(dòng)化監(jiān)管控制；其二，需要對(duì)各環(huán)節(jié)、各領(lǐng)域、各支線(xiàn)干路的電流、電壓、功率、壓力、溫度等相關(guān)電能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，監(jiān)測(cè)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在此過(guò)程中，可通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)柜、發(fā)電機(jī)工作參數(shù)的調(diào)整控制，記錄各子設(shè)備的安全運(yùn)行情況；其三，需要實(shí)施防火防盜的監(jiān)管，如對(duì)變壓器以及相關(guān)機(jī)電設(shè)施的溫度等重要參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)異常故障進(jìn)行警報(bào)處理，做快速響應(yīng)、快速識(shí)別分析；其四，結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)管系統(tǒng)，通過(guò)提升整個(gè)能耗檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行水平，提高整個(gè)體系運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，可降低運(yùn)行成本，減小勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高效地處理事故，減少停電時(shí)間，保障高速公路供電安全，提升高速公路的運(yùn)行效率；其五，在不同的用電管理模式下，需要對(duì)主次用電進(jìn)行有效切換控制，減少無(wú)謂的浪費(fèi)，如在用電高峰期適當(dāng)?shù)乜刂茝V告照明亮度，停運(yùn)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(jiān)控調(diào)度方案

在通常情況下，高速公路的能源保障相對(duì)較為全面，但是這并不意味著能源使用無(wú)須節(jié)制。在能源管理過(guò)程中，需要實(shí)現(xiàn)全局、全域的監(jiān)管控制，做到細(xì)水長(zhǎng)流、開(kāi)源節(jié)流。首先，在光伏發(fā)電監(jiān)管過(guò)程中，需要對(duì)控制逆變器的運(yùn)行參數(shù)實(shí)施高效控制，對(duì)光伏發(fā)電量進(jìn)行有效記錄、控制，并且分析各電力參數(shù)以及各設(shè)備的能耗狀態(tài)，結(jié)合市電接入以及光伏發(fā)電的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)際使用需求，評(píng)估用電情況。其次，在當(dāng)前新能源領(lǐng)域，對(duì)充電樁的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控也是必不可少的。在高速公路智能充電樁管理過(guò)程中，可利用信息接口，借助智能設(shè)備、智能系統(tǒng)對(duì)充電樁的運(yùn)行狀況進(jìn)行有效監(jiān)管，并且建立多功能的電力監(jiān)測(cè)終端，完成高效率的開(kāi)關(guān)控制，以及實(shí)施高效的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)多維度、多方位管理控制，促使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定有效，從而制定更加科學(xué)高效的協(xié)同控制管理策略。因此，在新能源一體化監(jiān)管過(guò)程中，需要以雙向逆變器的監(jiān)管控制為發(fā)散點(diǎn)，連接能源管理系統(tǒng)，對(duì)ATS 切換、智能網(wǎng)關(guān)、光伏控制器、充電樁、照明空調(diào)、光伏組串等各項(xiàng)信息以及用電狀況進(jìn)行有效把控，及時(shí)平衡光伏發(fā)電與市電之間的切換關(guān)系以及相互彌補(bǔ)的狀態(tài)，從而制定更加科學(xué)、完整、全面的用電調(diào)控管理策略。

4 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，在當(dāng)前高速公路智慧能源管理數(shù)字化控制過(guò)程中，相關(guān)單位應(yīng)制訂科學(xué)有效的管理方案，完善管理架構(gòu)，構(gòu)建體系化的管理模式，有效控制和解決高速公路的能耗問(wèn)題。