高速公路电力智能管理系统设计研究

■黄见和

（福建高速福州管理分公司， 福州 350000）

2020 年初福建省高速公路通车总里程达到5500 km，实现了“县县通高速”的伟大成就。 未来高速公路的路网覆盖将更加密集，运营管理模式由传统人工转向智能化是发展的必然趋势。 机电维护部门是保障整个系统用电的重要部门， 负责管理维护辖区内所站、隧道和门架等系统，规范化、科学化、数据化管理保障供配电系统稳定是高速公路运营管理系统顺利运行的重要环节。 随着全国高速公路收费模式的重大改革，新增机电设备数量不断增加，加之高速公路供电线路及相关设备长期暴露容易老化腐蚀，机电维护部门需要投入大量的人力、物力和财力来保障电力安全，因此本文设计电力智能管理系统，为全面实现智能化低成本运营管理的高速公路电力系统提供参考。

1 福建省高速公路配电站房的现状与存在的问题

1.1 配电站房的现状

福建境内多为山地丘陵地貌，全省高速公路运营管理里程近6000 km， 人工管理任务十分繁重且难度极大。 实际运行维护中的安全隐患如：环境温湿度对现有设备性能和寿命影响较大（尤其是轴流风机房）， 导致设备使用寿命大幅度缩短甚至引起安全事故；因系统功能、地理位置和人员配置等原因，技术员难以及时准确掌控配电房主要设备的运行状态，严重影响故障的排查和修复及时率，极有可能因小故障引起大问题； 外场机房因无人值守，也存在设备被盗的可能。

1.2 配电站房存在的问题

1.2.1 运营维护效率低

各配电站房距离远、信息传递慢、响应时间滞后，导致运维效率比较低；维护人员少、维护里程长、设备超龄，目前人工巡检难以达到国家现行规范标准。

1.2.2 设备运行环境差

原有站房建设落后于国家规定的配电站房标准化建设相关要求，且未装设环境监控系统。 现场运行环境复杂，受雷击灾害、小动物攻击、高温粉尘等外因素影响严重，影响设备使用寿命及导致故障停电。

1.2.3 缺失相关电子档案

电力设备资产未及时形成电子档案，基础资料易丢失；设备改造、维修保养计划实施不到位，无法准确进行设备寿命周期管理。

1.2.4 无法采集分析电力数据

目前无法实时掌握用电情况，功率因数、谐波含量等用电数据无法采集；负荷率、负载率、设备使用效率、线损率无法统计。

2 高速公路电力智能管理系统

2.1 智能管理系统简介

该智能管理平台是为高速公路提供可靠性高、扩展性强、安全稳定、人工成本少的一款电力管理平台。 通过关联各所站、隧道配电房单元的相关设备以三维立体形式进行智能化监测，包括一套电能监控及能耗管理系统和若干套智能仪表、传感器和通讯管理机，实现一级配电(10 kV)的电参数监测、线路运行状态、输配电电能损耗等配电设备运行状态的监测、二级配电的车间动力用电、照明用电、消防应急用电等分区分类电能能耗的统计分析，进行电力监测的相关业务、信息报警、设备管理、实时监控和环境监测；收集设备告警的事件并及时安排处理、历史事件的回顾，具有报表、巡检和档案管理等功能；精确显示其所在的地理位置信息，可通过VR模拟可视技术实现远程查看或现场查看引导。

2.2 智能管理系统的实际运行中的作用

2.2.1 多样化智能巡检巡查

该系统可以实现集监测摄像巡检、采集数据巡检及人工指派巡检为一体的多样化智能巡检体系，通过电子巡检和人工巡检的协调配合，有效的降低漏检和错检等情况。不但实现了无纸化数据采集记录，同时能够有效监督和管理巡检情况，实现巡检电子化、信息化、智能化，从而最大程度提高巡检工作效率，保证各系统安全稳定运行[1]。

2.2.2 高清人脸抓拍识别

本系统采用的高清人脸识别设备， 拥有1200万像素摄像头，广角范围75°，即人员经过进行抓拍及数据比对，并在手机端和网页端同步提示巡检人员到位或非巡检人员告警，避免了设备电房遭到人为破坏。 巡检设备采用人脸识别技术落实了巡检人员的岗位责任，人脸识别分辨高达98.7%具有唯一性，有效提高供配电系统的安全可靠性，消除安全隐患。

2.2.3 降低运营维护成本

本系统不需要在供电线路和机电设备上安装其他设备，只是数据读写、统计和分析，大大降低了系统的构建和维护成本。

2.2.4 实现高效信息化管理

巡检设备采用智能化系统，可以通过各个站点站长在系统里进行分配任务，确保各班人员分工明确。采用无线网络和RFID 技术，实现电力设备巡检工作的真正高效信息化管理。

2.2.5 提供智能管理引导

本系统采取AR 技术增强现实，利用系统生成逼真的视听虚拟环境，通过各种传感设备使设备维护人员“沉浸”到现实环境中，便于高效识别故障位置。 同时配备智能管理助手，通过故障预判分析后提出多种解决办法可供技术人员选择，并实现了智能助手对于部分故障问题的自动调节修复功能。

3 系统模块设计

3.1 系统软件架构

该系统软件主要由基础硬件采集数据，通过系统平台实现运维和工单管理，故障预警及响应管理等，具体架构如图1 所示。

图1 电力智能管理系统软件总体架构

3.2 模块简介

系统采用分层、分布式结构设计，按间隔单元划分，模块化设计，整个系统分为3 层：系统管理层、网络通信层和现场测控层[2]。 系统支持云平台运营模式，可将配电智能终端或电力监控系统数据上传至云平台，实现大数据分析及处理，促进信息资源的共享，实现手机APP 终端等设备访问。 模块简介见表1。

表1 电力智能管理系统大体模块

4 设备应用

4.1 功能描述

使用者可以通过页面配置各单位下设备单元进行参数的设置和一次性系统的调整，方便对设备数据信息进行更新和修改，通过配置参数来改变设备运行时所使用的变量，触发相应参数配置下的功能的响应并返回所需的数据，智能助手可通过监测维护系统运行，自动调节相关变动参数来实现无人化智能管控。

因系统所涉及的功能模块繁多，在此引用设备的相关编码文件和该模块的分层思路功来对模块类图进行大体的描述介绍，如表2 所示。

表2 智能管理系统相关编码文件表

4.2 项目优势

本项目具有以下优势：（1） 兼容有线、 无线通信，支持混合模式，完美解决偏僻配电站房的通信难题；（2）支持多种智能运维设备的无缝接入，支持工业标准规约及定制规约的融合；（3） 采用线上加线下的整合与互动， 实现智能运维的端对端服务；（4）采用带数据采集、运维数据挖掘及云计算、智能感知等先进信息技术，确保该系统安全、可靠运行；（5）完善的预警机制及告警分析，能提供及时的告警推送及评估；（6）兼容移动端、网页端的应用，实现管理的快捷与便捷；（7）基于5G 通讯技术的硬件解决方案，应用边缘计算，广泛兼容，让数据安全可靠，光速传输速度更快更稳，智慧协同，系统感知，实现远程运维；（8）配备智能助手，通过简洁明了的操作引导实现快速上手。

5 实际应用案例

福州高速福银段电房率先试行电力系统智能化运营管理模式，该路段智能化电力系统改造建设至今运行平稳高效。 技术人员可通过PC 端/手机端实现对该路段配电设备、隧道配电箱电力参数及电房环境等数据的远程实时在线监测。 通过设备分布实景图实时了解供电系统的运行状态：

（1）数据体现。 系统采集相关电力参数并自动生成曲线图等形式体现，并比对历史数据进行智能化分析管理来降低能耗。 通过手机APP 端，随时对各种电力数据直观查看，如图2 所示。

图2 手机APP 端界面

（2）实时监测。 对设备周围进行环境监测，包含湿度、温度等气候数据的采集汇总。

（3）VR 体验。 通过VR 实景模式现场勘察故障问题、线路走向、设备布局等，实时动态显示各接线图上的运行参数和设备运行状况， 能够结合故障预判情况引导技术人员完成现场工作， 如图3所示。

（4）缩减成本。 实时监测用电量与电费分析，自动进行电能消耗的统计与分析，结合电力公司账单结构进行峰谷平统计与记录，从技术层面上降低用电成本、人力成本和管理成本。

（5）智能运维。 系统提供智能助手引导，支持通过平台的告警与线下的巡检、维修关联、进行维修任务分配、工单派送及跟进、并可实现定期巡检及维修、维护业务的信息化管理，如图4 所示。

图3 系统图与现实场景结合

图4 系统智能预判及派工

6 结语

本系统能够实现智能化运营管理高速公路电力系统，智能助手自动生成每日工作方案可供选择，使用者也可根据日常和特殊巡检工作实际需要及特点，具有可安排周期、可计划路线、可记录数据、可监督工作状态、可汇总报告数据等功能，并可与现有监控系统无缝连接，有效地了解、检查巡检工作状态，及时发现电力设备或线路上的事故隐患， 提升机电设备运行的安全性，降低生产运营成本，提高工作效率，具有低成本、轻便易操作，设备使用时间长等显著优点， 能够有效弥补当下高速公路电力管理中的难点和缺点， 同时也为未来实现高速公路智能化运营管理提供了可靠有效的先行经验[3]。 高速公路电力智能管理系统所具备的应用价值，以及低成本、高效率的显著优势， 结合当前高速公路迅速发展下的广阔市场需求， 可以得知电力智能管理系统有着必然的推广可行趋势。