高速公路配电系统中配电监控装置的应用研究

李先洲

（山东高速股份有限公司泰安运管中心泰安信息分中心，山东泰安271000）

0 引言

配电系统是高速公路系统中的重要组成部分，配电系统出现故障将导致供电中断，造成高速公路收费系统、隧道照明系统等出现混乱，会严重影响高速公路的正常运行，并且有可能带来严重的安全隐患。因此，采用适宜的配电监测装置，对高速公路系统中的配电系统，尤其是收费站、服务区、隧道等重要区域的配电系统进行严密的配电监控，确保高速公路基本运营的安全性与经济性就显得十分重要[1]。

1 高速公路配电监控装置的特点及其作用

1.1 配电监控装置的特点

高速公路配电监控装置在运行过程中具有很明显的特点：第一，实时性。高速公路配电监控装置具有实时性监控的特点，该装置可通过对安全数据的采集，对配电系统的安全性进行实时监督。当高速公路配电系统发生故障时，该装置可立即发出警报并自动采取相关措施处理故障，确保配电系统安全运行。第二，可靠性。可靠性是指该装置具备无故障运行的能力。该监控装置可以利用计算机对自身出现的一些故障进行纠错和记录，可有效提高自身的可靠性。第三，智能化。该配电监控装置具有自动采集与处理数据、自主运行等功能，在数据的收集与处理方面，能进行记录、自动生成数据报表等，有很强的智能化特点。

1.2 配电监控装置的作用

高速公路配电监控装置主要有以下作用：

第一，保证高速公路配电系统的安全运行。高速公路配电监控装置中设有微机保护装置，此装置在发现及解决配电系统故障方面发挥着重要作用，能够有效提高配电系统运行的安全性，能保证高速公路系统中用电设备（如监控等）的正常运行，还能延长这些设备的使用寿命。第二，提升高速公路配电系统的管理水平。高速公路配电监控装置具备很强的自动化工作能力，许多工作如监视、测量等都可通过计算机自主完成，这能大大提高高速公路配电系统的运营管理水平。第三，解放劳动力。因该装置的自动化程度较高，可以快速定位配电系统中的故障，能够有效缩短故障维修时间，解放部分劳动力。

2 高速公路配电监控装置及其基本组成

高速公路配电监控装置是依靠现代计算机和互联网技术建立起来的对高速公路配电系统进行安全监控的一种电力安全监控装置[2]。其主要功能包括收集配电系统安全数据、安全数据整理与传输、生成安全数据报表、配电系统基本安全参数监测、配电系统基本运行控制、安全事故报警、继电保护等。这些功能基本上可以实现对高速公路配电系统的远程控制、远程监测、远程信息采集、远程调整，能够达到有效的用电保护效果[3]。

2.1 监控管理层

监控管理层主要由装置用户（管理者、技术人员、操作人员等）、工作站（监控主机）、数据服务器、信息处理系统、打印机等部分组成。其中，打印机与监控主机相连，负责输出各种纸面数据，其余设备均与各个路段监控中心的数据交换设备连接，能够实现整个监控系统内的数据互通。这种模式可以充分发挥互联网的优势，实现数据共享，提升装置的安全监测效果。此外，工作站一般设置双主机，可充分保证配电监控装置运行的稳定性与可维护性[4]。

2.2 通信中间层

通信中间层是连接监控管理层与现场控制层的中介，其主要包括两部分内容，即现场总线通信网络与以太网通信网络。现场总线通信网络主要负责现场控制层的设备与智能通信管理设备、监控设备之间的通信，比较常见的总线是RS485通信接口、符合Modbus-RTU协议的总线。以太网通信网络主要负责现场总线与监控计算机之间的数据传输，其主要传输设备有智能通信管理机和以太网交换机等。在通信中间层，按以上规则进行拓扑之后，各个以太交换机通过光纤进行连接，现场控制层通过通信中间层向监控管理层传输数据也通过光纤连接[5]。

通信中间层的基本传输设备有智能通信管理机、工业以太网交换机、数字光端机和通信线路。基本工作原理如下：在收费站、服务区等位置的配电室设置一台智能通信管理机和工业以太网交换机，智能通信管理机所获取的现场控制层数据会通过工业以太网交换机，经过光纤输送至路段监控中心的工业以太网交换机。工业以太网交换机RJ45接口上接的光端机，会通过一根多模2芯光纤连接至监控分中心的光端机，并将所获得的监控数据传输给分中心的中心交换机[6]。路段监控分中心的中心交换机会将采集来的数据输送至电力监控服务器，经过服务器处理与技术人员的操作后，再将数据输送到现场控制层，从而实现配电监控装置对配电系统的远程监测与控制。

2.3 现场控制层

通过对高速公路配电系统需监控路段的考察与分析，在路段内收费站、服务区、隧道等地分别合理安装配电监控装置。安装监控装置时，要根据安装现场的具体情况选择合理的安装方案，合理安装现场监控装置、10kV微机测控保护综合装置、电容无功补偿装置、变压器温控器等。

微机测控保护综合装置是现场控制层设备的核心装置，该装置主要由以下几个模块构成：第一，数据输入输出模块。该模块的主要任务是实现该装置与外部设备之间的数据互动，收集外部设备的数据并输出对外部设备的控制信号。第二，中央处理器。通过事先编订好的程序，对设备收集到的数据进行分析处理并向外发出。第三，数据通信模块。主要任务是将收集到的设备数据进行整理，再以表格等方式输送给上位机并接收上位机发来的数据、决策、控制信号等，实现上位机对现场控制层的远程控制。第四，其他扩展模块。根据装置所处监控地的具体情况或技术人员的特殊要求，有针对地开发新功能，具有比较大的灵活性。

3 高速公路配电监控装置软件设计

3.1 配电监控装置软件设计功能结构图

高速公路配电监控装置的主要功能有配电系统数据监控与数据查看、监控装置控制、工作人员日常管理等几个方面，由此可以将整个配电监控装置软件功能设计成一个整体的运行框架，见图1。

图1 配电监控装置功能结构图

操作员：软件使用者，主要是监控装置的管理员，也包含一部分普通用户。下位机：配电监控装置中现场控制层的数据采集和控制设备。系统数据监控：包括对配电监控装置数据通信和数据的基本管理。系统控制：包括对配电监控装置的运行控制和参数修改两个部分。信息查看：查看装置中的实时数据、故障信息数据等。用户管理：包括添加和删除用户等功能。数据通信：配电监控装置中上、下位机之间对设备运行实时数据的传输，上位机对数据进行接收并进行相应的处理、输送和保存。除上述框架外，为提升该装置软件运行的有效性和安全性，提高装置及时处理配电系统故障的能力，还可以在监控装置软件设计中增设备份功能，备份监控装置的每一次操作，为后续开展故障维修提供数据支持。

3.2 配电监控装置软件运行原理

3.2.1 装置软件登录过程

监控装置软件登录流程见图2。

图2 监控装置软件登录流程图

根据登录流程，操作员在输入用户名和密码后，装置软件会进行用户信息核对，核对成功后用户则可登录，并具有一定的使用权限，然后登录页面会跳转至装置软件首页；若用户名或密码信息有误，用户则无法登录，软件会弹出错误选项框，提醒操作员重新进行登录。

3.2.2 下位机数据处理过程

在高速公路配电监控装置中，下位机是处于现场控制层的智能仪表和数据采集设备。下位机采集到的数据经简单处理后传输给上位机并显示出来。下位机数据处理过程见图3。

图3 下位机数据处理过程

现场控制层的智能仪表和数据采集设备会对现场的配电设备的基本运行数据进行采集然后传输给上位机，其采集的数据可以划分为实时数据和历史数据两类。实时数据经配电监控装置的分析处理后会直接显示在控制中心的设备上，不进行历史保存与备份。若下位机收集到的数据与数据系统预设的数据范围存在差异，配电监控装置就会发出警报信号，提示操作员对相应问题进行处理，该报警信号也会被计入历史数据库，为操作员后续的相关操作提供参考。对于收集到的历史数据，需要进行相应的保存，也需要进行判断，其判断过程与实时数据判断相似。

3.2.3 实时数据显示流程

高速公路配电监控装置软件的实时数据显示流程包括实时数据收集、分析、显示和存储等，它们之间的关系见图4。

图4 实时数据库工作图

磁盘数据库的主要作用是存储实时数据；实时数据库的主要作用是暂存数据；通信控件用来接收下位机传来的数据；视图工具主要用来显示接收到的实时数据；图形控件对接收到的数据进行绘图处理并得出显示数据的曲线；特殊数据自成一个独立画面，用来显示实时报表与历史报表等；打印操作则是便于用户根据需要打印相关报表等；一般实时数据主要指设备运行状态下的相关数据，如电流与电压值等。

3.2.4 故障处理流程

高速公路配电监控装置软件发现配电系统故障时，基本处理流程见图5。

图5 故障处理流程图

现场控制层数据采集设备在检测到故障信息后，会通过监控装置的信息中间层将故障信息传输到上位机，上位机会对接收到的故障信息数据进行解读并发出报警信号，同时，上位机会通过监测画面显示故障信息，通过图像和声音的共同作用提醒工作人员处理故障。相关技术人员会根据装置提供的故障信息制定适宜的故障解决办法，对故障现场进行远程遥控处理，如果远程无法解决，技术人员就要亲自到达故障现场进行故障处理。此外，监控装置软件在发出故障警报时，还会将故障信息按照故障类型存入不同的历史数据库，供相关人员后续查阅、总结经验等，以有效预防同类故障再次发生。

4 结语

综上所述，高速公路配电系统的安全运行是保证高速公路系统正常运行的关键，对高速公路配电监控装置的工作原理进行有效分析、对相关软件进行合理设计，可明显提升配电监控装置在维护高速公路配电系统安全运行方面的作用，有助于高速公路系统的高效、安全运行。