高速公路隧道电力监控系统的研究与应用

邱国苏

（厦门兴南洋信息技术有限公司，福建 厦门 361008）

0 引 言

高速公路隧道的建设，缩短了交通路程，为人们的出行提供了便利。但是，高速公路隧道属于公路特殊路段，为保证交通的正常出行，需要具备供配电、照明、通风、监控、通信以及收费等多个设施，增加了大量的管理工作和运营成本。因此，为了实现对隧道的高效和节能管理，隧道电力监控系统应运而生。电力监控系统是一项复杂的系统工程，牵涉到许多专业的配合。为了协调好各方面工作，达到预定目标，需要深入研究电力系统的设计和建设。

1 高速公路隧道负载分析

高速公路隧道是高速公路施工、建设以及管理的重点控制对象。为保证公路的正常运营，需要满足其负载需求。负载需求主要包括3个方面。第一，照明负载。照明系统主要是避免驾驶者进入和离开隧道时产生黑洞和白洞效应。由于洞口两端的亮度较高，因此进口处应随着隧道的深入逐渐降低隧道内照度，而出口端应逐步提高照度。常用灯为LED灯，具有发光率高和功率低的特点。第二，通风负载。通风系统是确保隧道通行环境设置的负载，多采用30 kW的射流风机或100 kW以上的轴流风机。第三，监控、通信以及收费负载。监控系统主要包括闭路电视、视频监控、火灾报警、各类检测器、交通指示以及信号灯等，是隧道管理必不可少的系统。通信系统则是连接各个系统与管理单位的系统，主要设备为紧急电话、光纤以及通信模块等。收费系统主要包括收费车道设备、车道监控以及监视墙等组成。由于监控、通信以及收费系统属于弱电电系统，且24 h不能间断，因此要采用不间断电源供电[1]。

2 隧道电力监控需求分析

2.1 电力监控通用功能需求分析

对于监控硬件设备来说，电力监控应具备负载回路和状态遥信，实现电力参数可遥测、运行状态可遥控以及监控设备参数设置可遥调等控制功能，以便于全方位运行电力监控系统。

在实现硬件功能控制的基础上，监控后台软件要具备图形化功能、数据管理功能、报表功能以及实时监控和报警等。图形化功能的作用是便于了解监控对象的运行状态信息，并能对可控对象实施控制。数据管理功能包括记录和查询等。报表功能可以根据用户需求生成相关报表，并可自动打印存档。

2.2 个性化负载电力监控需求

电力监控系统既要满足通用需求，还要实现负载的专业性要求。首先，照明系统不仅需要有常规性负载回路，还要满足特殊性要求。例如，应急照明回路是常亮状态，因此可只监不控，即不需要具备遥控设置。此外，隧道外的亮度受天气的影响，因此不同时段应采用不用的照明控制方案。为便于管理，应采用命令组模式设置预置方案，并提供自动控制、人工确认以及手动控制3种模式。其次，通风系统负载大，冲击电流强，因此需采用变频器和软启动器等方式降低启动电流，以防止冲击电流引起电网跳闸。变频器和软启动器可安装于低压柜内，通过母排直接供电至风机。最后，监控、通信以及收费系统统要求24 h不间断供电，电力监控不实现“遥控”控制[2]。

2.3 电力监控系统联动控制

电力监控系统既要实现系统自身的功能控制，又要与隧道监控系统实现联动控制，才能保证隧道内各系统能够进行统一有序的控制，保证隧道的有序化管理。例如，隧道内发生火灾问题时，火警系统和环境检测系统等会将信息传送至隧道管理中心，中心监控软件进行报警，同时视频会显示图像，管理人员可以进行火情确认，然后联系相关部门进行现场处理、自身进行隧道口交通信号灯变成禁行状态、打开隧道内防火卷帘门以及交通逃生指挥等远程管理。这种联动控制实现了高效的救援[3]。

3 实例分析

3.1 工程概况

如图1所示，厦门至安溪城际快速路（云埔～田厝段）是国家高速公路网规划沈海线福建段复线的组成部分，是福建省“三纵四横”高速公路网布局中“三纵”的重要组成部分，也是泉州和厦门两市公路主骨架的重要组成部分。项目的建设有利于完善国家高速公路和福建省高速公路网，有利于路网交通量的合理分流，对提高福建省高速公路网的整体功能具有重要作用。为了实现隧道的高效管理，结合工程实际，设计了中央控制系统、闭路电视系统、紧急电话系统、交通控制系统以及通风控制系统等多项监控系统。

3.2 电力监控系统研究

3.2.1 电力监控系统的组成

电力监控系统主要由电力测控仪表、通信传输系统、管理单位监控中心以及后台软件4部分组成。系统结构可分为3层：第1层是监控管理层，主要监控计算机和数据库服务器等软、硬件设备；第2层是通信中间层，主要包括主干光纤通信网和交换机等设备，为监控系统提供通信传输和数据上传等功能；第3层是现场设备层，主要指各个变电所中所设置的变压器、无功补偿柜和双电源切换开关等现场测控装置[4]。

3.2.2 功能的实现

现场设备层DCS集散控制中的分散控制部分，主要监控电力回路的工作状态，同时在各个控制站点设置管理主机，负责对信息进行汇总和分发。现场通信管理主机与测控设备的连接有两种方式：一种是单个设备设置独立连接管理主机，具有通信速度快和控制效率高的特点，不足之处在于要求管理主机具备多个接口，对电力监控现场测控系统的规模有限制；另一种是设备串接后连接至通信管理主机，具有扩大电力监控现场测控系统规模的特点，不足之处在于对仪表数据解析较慢，数据和信号失真较为严重。

图1 隧道连接示意图

结合以上分析，该项工程采用了综合模式，即对一个柜体内的仪表并接进入通信管理主机，对变压器和UPS等设备采用单个设备直接连接主机。该模式既不限制现场测控系统规模，又降低了对设备的通信和数据采集等方面的影响。

3.3 电力监控系统的应用

3.3.1 照明系统

隧道照明是为了把必要的视觉信息传递给司机，防止视觉信息不足而出现交通事故。该项工程在保障安全性的基础上考虑了节能环保要求。例如，车行横洞内照明灯正常时处于熄灭状态，以节约能源；当发生火灾或检修隧道时，可由中央控制室远程控制开启或本地手动控制开启照明灯。它与车行横洞门处于互联状态，状态信息和控制命令经由本地控制器传到中央控制室。再如，LED光源采取产品隧道现场实挂测试方案来验证LED隧道灯的各项指标和性能，通过多个厂家LED隧道灯的实挂和测试，最终满足该隧道的LED隧道照明的技术要求。

3.3.2 通风控制系统

通风控制系统主要包括通风控制子系统、交通控制子系统、照明控制子系统以及CCTV子系统等通风辅助系统。这些子系统相辅相成，互相配合使用，最大限度地发挥各子系统的功能。第一，在正常情况下，定期巡检每一检测点处的CO值、VI值以及TW值，并能根据检测数据计算其变化率和平均值。根据TW值判断隧道内风流的方向，并计算隧道CO浓度的分布规律。以CO/VI检测值作为控制的主要参数，结合交通流量，通过通风控制模型对风机实施控制。第二，在监控工作站界面上能显示每一检测点的CO值、VI值和某条隧道CO值、VI值以及TW值的平均值。第三，单向行车时以测得CO值作为主要控制参数，同时检查VI值是否超标。第四，双向行车时以限制交通流为主，监视CO值、VI值以保证车流量不超过预定值。第五，隧道发生火灾时，一般通风排烟的方向为顺行车方向。当起火点靠近入口时，风向应转向入口。

3.3.3 监控、通信系统

为了更好地掌握交通状况，采集交通信息，设置了闭路电视系统。视频监控系统由监控管理光传输交换平台、增强型光交换设备、视频图像服务器、磁盘阵列、十六路本地解码设备、外场摄像机、远端视频接入设备、26寸液晶监视器、20寸主液晶显示器、多媒体管理工作站、电视墙上方LED显视屏以及传输通道组成。

所有图像经视频远端接入设备采用H.264格式压缩，采用数字传输方式上传到夏安监控管理所。一路经本地解码设备解码后由电视墙显示，一路进磁盘阵列存储。同时，夏安监控管理所通过通信系统上传8路数字压缩图像至厦门区域管理分中心。

本项目外场摄像机图像在监控管理所电视墙的显示方式采用收费站上传的8路图像进行一对一显示，道路及隧道监控图像在电视墙显示采用1:5轮询显示，共占用48台显示器。

该隧道还设置了紧急电话和广播系统，采用综合利用系统即隧道紧急电话系统与隧道有线广播共用主机和软件平台。紧急电话和有线广播系统应用软件安装在紧急电话和有线广播主机上。该主机通过以太网与通信系统主机相连，为其他子系统的数据请求提供支持。本项目在莲花隧道左右洞内每200 m设置一部紧急电话，共50部，采用壁挂式结构。在莲花隧道洞口分别设置一部紧急电话，共4部，采用立柱式结构。在凤溪隧道左右洞内每200 m设置一部紧急电话，共18部，采用壁挂式结构。在凤溪隧道洞口分别设置一部紧急电话，共4部，采用立柱式结构。

3.3.4 收费系统

南安（金淘）至厦门高速公路厦门段收费系统将加入福建省联网收费系统，并实施货车计重收费。收费设施包括厦安监控管理所、莲花、凤南、厦门北站匝道收费站以及田厝主线收费站。收费系统采用封闭式收费制式。南安（金淘）至厦门高速公路厦门段在莲花、凤南以及厦门北站互通设置匝道收费站，在田厝互通设置田厝主线收费站。土建收费车道数为入口收费车道16条，出口收费车道27条，总计43条收费车道，具体如表1所示。

表1 收费车道数表

收费系统网络采用开放式网络构架，由省收费中心、监控管理所局域网以及收费站局域网组成树型拓扑结构。各收费管理机构计算机系统局域网是一个以太网交换机为核心的星型结构以太网。收费站至监控管理所和监控管理所至省收费中心之间，通过通信系统提供的10M/100M通信接口进行连接，从而构成福建省联网收费广域网。

4 结 论

在高速公路机电系统尤其是隧道机电系统中存在多个子系统，如火灾报警子系统、紧急电话子系统以及交通控制子系统等。随着技术的发展，提高公路智能化管理尤为重要。因此，相关工作者应加大电力监控系统的研究力度，将电力监控系统积极融入隧道监控系统，充分发挥隧道电力监控系统的四遥功能，从而为我国高速公路的良性发展提供科学保障。