高速公路智能化供配電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡妙敏

摘要：高速公路智能化供配電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)可以為高速公路的高效、安全、可靠運(yùn)行提供有力支撐，具有較高的可靠性和實(shí)用性，能及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行預(yù)警，便于運(yùn)維人員及時(shí)開展故障排查和設(shè)備維修，且有利于降低能耗和保護(hù)環(huán)境。對(duì)高速公路智能化供配電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，對(duì)高速公路供配電系統(tǒng)組成進(jìn)行概述，并從系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面，對(duì)高速公路供配電系統(tǒng)中的智能化供配電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：高速公路；供配電；前端監(jiān)測(cè)；預(yù)警系統(tǒng)；維修

0? ?引言

目前我國高速公路供配電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，故障頻發(fā)，易發(fā)故障類型包括開關(guān)柜接地不良、變壓器進(jìn)出線電纜故障、斷路器跳合閘失敗等。鑒于傳統(tǒng)供配電監(jiān)控系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，也無法對(duì)供配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控[1-2]，因此研究一套智能化的供配電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)于保障高速公路供電系統(tǒng)安全、可靠、高效運(yùn)行具有重要意義。

1? ?高速公路智能化供配電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀

高速公路智能化供配電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，可以為高速公路的高效、安全、可靠運(yùn)行提供有力支撐，同時(shí)有利于企業(yè)節(jié)省人力資源，提高工作效率。目前在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中仍存在一些問題，具體包括：供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D不夠清晰，線路之間的拓?fù)潢P(guān)系不夠明確；通信網(wǎng)絡(luò)采用的是公網(wǎng)IP，無法滿足未來智慧高速的需求；供電網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)之間采用公網(wǎng)IP，無法滿足未來智慧高速的需求；各區(qū)域供電設(shè)備數(shù)量多且分布廣，運(yùn)維工作量大[3]。

針對(duì)上述問題，需進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完善通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，增加基于GIS的供電線路監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)要在高速公路內(nèi)增加通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等方面進(jìn)行探索，只有這樣才能進(jìn)一步提升高速公路供電設(shè)備監(jiān)控水平。

2? ?高速公路供配電系統(tǒng)組成

高速公路供配電系統(tǒng)由10kV線路、變壓器、低壓柜、母線槽、饋線、電力監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，其供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。10kV線路是從電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)組引入的高壓電源，采用架空線或電纜敷設(shè)。變壓器可將10kV 電壓降低到380V或220V，一般設(shè)置在每個(gè)服務(wù)區(qū)或收費(fèi)站[4]。低壓柜將變壓器輸出的低壓電源分配給各個(gè)負(fù)荷，包括總開關(guān)柜、饋線柜、照明柜、信號(hào)柜等。母線槽用于沿公路敷設(shè)低壓柜輸出的電源，它采用金屬封閉式或絕緣式結(jié)構(gòu)。饋線是從母線槽引出的電源，連接到各個(gè)負(fù)荷，如照明燈具、信號(hào)燈具、監(jiān)控?cái)z像頭等。

3? ?供配電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? ?系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

供配電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、應(yīng)用管理層和用戶交互層，構(gòu)建一個(gè)分布式的智能供配電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)[5-6]。

數(shù)據(jù)采集層通過傳感器實(shí)時(shí)采集供配電系統(tǒng)中的各種設(shè)備參數(shù)，并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)傳輸層，再通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)層。將采集層多個(gè)不同采集系統(tǒng)的告警信息集成到統(tǒng)一告警中心集中展示，便于運(yùn)行監(jiān)控人員、運(yùn)維人員查看系統(tǒng)告警信息。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層通過智能網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，并將其應(yīng)用到數(shù)據(jù)展示層，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)供配電設(shè)備的可視化監(jiān)控、故障預(yù)警和管理。應(yīng)用管理層主要完成供配電設(shè)備的展示、查詢、控制、報(bào)警等功能，用戶交互層主要完成對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能。

用戶交互層是系統(tǒng)與用戶之間的橋梁，用戶通過用戶交互界面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)供配電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和相關(guān)信息查詢功能。在用戶交互層，為每個(gè)信息系統(tǒng)繪制了業(yè)務(wù)視圖，視圖包括應(yīng)用服務(wù)、系統(tǒng)服務(wù)、物理平臺(tái)三層。通過可視化系統(tǒng)APP操作端，基層一線人員在現(xiàn)場(chǎng)巡視或者搶修過程中，可將現(xiàn)場(chǎng)視頻、圖片等信息通過APP直接上傳到可視化系統(tǒng)中，便于各級(jí)應(yīng)急管理人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)受災(zāi)情況和搶修復(fù)電情況。

3.2? ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件主要由系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、電力溫度監(jiān)控、LoRa網(wǎng)關(guān)等部分組成。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的特征、功能見表1。電力溫度監(jiān)控顯示見表2。前端監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的核心是監(jiān)測(cè)終端，它可采集各種生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，通過顯示屏直觀呈現(xiàn)。監(jiān)測(cè)終端還可與各 LoRa 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警，提高高速公路運(yùn)營(yíng)效率[7]。

3.3? ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.3.1? ?電力監(jiān)控系統(tǒng)遙測(cè)遙信遙控技術(shù)

一是遙測(cè)。通過監(jiān)測(cè)終端采集供配電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如溫度、電壓、電流、絕緣狀態(tài)等，并將其通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實(shí)時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的。遙測(cè)功能可以提高供配電系統(tǒng)的智能化水平，為運(yùn)行管理、故障處理提供數(shù)據(jù)支持。

二是遙信。基于監(jiān)測(cè)終端采集供配電設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，如斷路器、接觸器、繼電器等，并將其通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，及時(shí)反饋設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出警報(bào)。遙信功能可以提高供配電系統(tǒng)的安全性，為運(yùn)行管理、故障處理提供信號(hào)支持。

三是遙控。通過監(jiān)控中心下發(fā)控制命令，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)終端，遠(yuǎn)程操控供配電設(shè)備，如斷路器、接觸器、繼電器等。遙控功能可以提高供配電系統(tǒng)的運(yùn)行效率、節(jié)能效果。

3.3.2? ?電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)

電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是指連接監(jiān)測(cè)終端、監(jiān)控中心的通信網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控等功能，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了網(wǎng)絡(luò)的性能、可靠性，因此需根據(jù)供配電系統(tǒng)的特點(diǎn)、需求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、環(huán)型、總線型、樹型等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所有監(jiān)測(cè)終端均直接中心節(jié)點(diǎn)，如監(jiān)控中心或交換機(jī)，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、處理。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展，故障隔離性好，不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的通信，但其中心節(jié)點(diǎn)是單點(diǎn)故障，一旦出現(xiàn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將癱瘓，因此需提供中心節(jié)點(diǎn)冗余備份。

環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)全部監(jiān)測(cè)終端連接成閉合環(huán)形鏈路，數(shù)據(jù)沿著環(huán)形鏈路順時(shí)針或逆時(shí)針傳輸。環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無需中心節(jié)點(diǎn)，節(jié)省設(shè)備成本，傳輸效率高，具有一定的容錯(cuò)能力。環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是復(fù)雜、擴(kuò)展難，故障隔離性差，一旦出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致整個(gè)環(huán)路斷開或數(shù)據(jù)沖突。

總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)終端都連接到公共總線上，數(shù)據(jù)通過總線雙向傳輸。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省線纜成本，易于擴(kuò)展。總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是傳輸效率低，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，故障隔離性差，一旦出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致整條總線失效。

樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兼具星型、環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的傳輸效率，易于管理維護(hù)，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需較多設(shè)備及線纜，中心節(jié)點(diǎn)仍然是單點(diǎn)故障。

電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需綜合考慮供配電系統(tǒng)的規(guī)模、分布、可靠性要求等因素。規(guī)模較小、分布較集中、可靠性要求較高的供配電系統(tǒng)，可采用星型或樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；而高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)這類規(guī)模較大、設(shè)備分布較分散的供配電系統(tǒng)可采用環(huán)型或總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.3.3? ?視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)

通過采用特定關(guān)鍵幀相似度賦予不同關(guān)鍵幀優(yōu)先級(jí)，可確保視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)傳輸和動(dòng)態(tài)管理[8]。視頻傳輸如圖2所示。當(dāng)移動(dòng)終端設(shè)備采集到高速公路智能化供配電現(xiàn)場(chǎng)視頻信息后，首先壓縮視頻，并標(biāo)注相似幀關(guān)鍵幀優(yōu)先級(jí)。然后在視頻傳輸時(shí)，在發(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分包，并加入主動(dòng)丟幀策略，保證重要幀內(nèi)容成功發(fā)送到接收端。最后通過中心服務(wù)器進(jìn)行解析上傳到Web客戶端，即實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)傳輸。

3.4? ?目標(biāo)位置定位技術(shù)

采用前景檢測(cè)模塊功能對(duì)攝像機(jī)采集的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)二維圖像實(shí)時(shí)檢測(cè)后，采用目標(biāo)位置定位模塊獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置，即可得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維位置。詳細(xì)的運(yùn)算過程如下：對(duì)兩個(gè)攝像頭坐標(biāo)系內(nèi)的目標(biāo)點(diǎn)實(shí)施變換以及運(yùn)算操作，獲取目標(biāo)點(diǎn)位置后，將其變換到世界坐標(biāo)系內(nèi)；基于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)以及兩個(gè)攝像頭在坐標(biāo)系內(nèi)的位置，運(yùn)算出2條空間直線，通過攝像頭坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，利用平均中值法運(yùn)算獲取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)位置，使得2個(gè)標(biāo)定板內(nèi)被檢測(cè)點(diǎn)存在一定差異，出現(xiàn)異面直線；通過求解空間異面直線公垂線算法運(yùn)算出公垂線，基于該線同兩點(diǎn)直線的交點(diǎn)獲取中點(diǎn)。

3.5? ?可視化技術(shù)

可視化技術(shù)可將供配電系統(tǒng)中的各種設(shè)備、電氣參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等信息直觀地顯示出來，以便管理人員及時(shí)了解供配電系統(tǒng)中設(shè)備的運(yùn)行狀況，并通過提供不同的可視化界面，使用戶可以進(jìn)行在線查詢、報(bào)警設(shè)置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等操作。該系統(tǒng)采用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，將整個(gè)高速公路供電網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)監(jiān)控區(qū)域和設(shè)備信息進(jìn)行整合，并以地圖的形式展現(xiàn)出來。在對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析時(shí)，可通過 GIS技術(shù)將各個(gè)監(jiān)控區(qū)域和設(shè)備的相關(guān)信息進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)高速公路供電網(wǎng)絡(luò)的可視化管理。

3.6? ?報(bào)警技術(shù)

報(bào)警系統(tǒng)通常用于模擬信號(hào)檢測(cè)、激發(fā)以及處理發(fā)出警報(bào)。報(bào)警系統(tǒng)也可用于監(jiān)測(cè)模擬或數(shù)字信號(hào)的變化，以達(dá)到控制警報(bào)，避免多余警報(bào)或未能發(fā)出警報(bào)的情況。報(bào)警技術(shù)基于報(bào)警功能相對(duì)獨(dú)立，可有效減少處理負(fù)荷量，提高了警報(bào)準(zhǔn)確率及時(shí)效性。

監(jiān)測(cè)終端可獨(dú)立記錄歷史數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)有相應(yīng)的接口實(shí)現(xiàn)二次集成，有利于與別的系統(tǒng)設(shè)備相連，并可與完整的監(jiān)控平臺(tái)集成。從報(bào)警系統(tǒng)劃分故障級(jí)別及類型，根據(jù)故障等級(jí)進(jìn)行優(yōu)先上傳，輸出端設(shè)有AO、DO接口，與警鈴或警示燈相連。

4? ?結(jié)束語

高速公路智能化供配電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)可以為高速公路的高效、安全、可靠運(yùn)行提供有力支撐，同時(shí)也為企業(yè)節(jié)省了人力資源，提高了工作效率。通過相關(guān)試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用于高速公路項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其供電系統(tǒng)的集中監(jiān)控和管理，及時(shí)能發(fā)現(xiàn)故障，并且方便對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)處理，對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行維修，保障了高速公路供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 粘為凱，黃培庭．泉州高速供配電系統(tǒng)智能化電力監(jiān)控應(yīng)

用[J].中國交通信息化，2022（S1）：379-382．

[2] 黃宇新.電力監(jiān)控系統(tǒng)在供配電設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(jiān)控改造工程系統(tǒng)

施工要點(diǎn)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(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用淺談[J].中

國交通信息化，2020（4）：128-129．

[5] 楊志亮.電力監(jiān)控系統(tǒng)在供配電設(shè)計(jì)中應(yīng)用的探討[J].城

市建設(shè)理論研究（電子版），2020，（5）：4.DOI：10.19569/j.cnki.

cn119313/tu.202005001

[6] 丁強(qiáng).供配電系統(tǒng)電壓暫降在數(shù)據(jù)中心的監(jiān)測(cè)及治理研究

[C].中國通信學(xué)會(huì)通信電源委員會(huì).2020年中國通信能源

會(huì)議論文集，2020：463-465+469．

[7] 鄧博軒，徐峰.高速公路機(jī)電工程電力監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].工

程技術(shù)研究，2022（15）：98-100.

[8] 賈聰.基于灰色系統(tǒng)模型的變配電監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].集

成電路應(yīng)用，2020，37（5）：98-99.