高速公路电力监控前端监测预警系统的应用

钟仕兴

（广东飞达交通工程有限公司，广东广州 510663）

高速公路供配电系统具有负荷规模大、分布分散、复杂度高及用电端智能要求多、设备供电距离长、供电线材及路由复杂等特点。为了提升高速公路运维工作的质量和安全，支撑产业技术向数字化、智能化、人性化方向发展，基于高速公路供配电系统运行的特点，从故障的发生原因、特征类型及危害程度、现场维护人员前端测控需求等方面进行分析，对高速公路营运单位的功能需求进行提炼，进而有目的地得到高速公路供配电系统电力监控前端监测预警系统的研究方向。

1 高速公路供配电系统

高速公路供配电系统包括电力电缆、中压配电设备、电力变压器、低压配电设备、电源设备、风/光供电设施、电力监控系统、电动汽车充电系统等各种为用电设备服务的供配电及辅助设施。供配电系统为公路沿线设施服务，如：监控、通信、收费、隧道通风照明等，目的在于确保其用电的安全、合理和可靠性，确保公路安全、畅通、经济、舒适等综合效益最大限度地发挥。供配电系统结构如图1所示。

图1 供配电系统结构

2 高速公路电力监控

2.1 高速公路电力监控

电力监控主要设备包括管理中心的主站系统和外场的各种测控保护设施以及数据通信设备，采用分层分布式结构，通过数据采集、信息显示、继电保护、参数监测、运行控制、事件记录、事故报警、数据报表等功能使公路管理实现遥控、遥测、遥调、遥信。对电力监控进行养护的目的是保证其数据检测传输精度准确、控制保护更可靠，确保高速公路机电设施安全、经济、畅通地运行。

2.2 电力监控遥测遥信遥控功能

（1）10 kV：遥测10 kV回路三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等参数；遥信10 kV进线、出线开关位置状态与故障报警。

（2）低压总开关、开关状态、接触器、断路器：遥测低压总开关回路三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、用电量等参数；遥信0.4 kV出线手/自动转换开关状态、接触器、断路器运行状态及故障报警。

（3）变压器：遥测变压器温度、配电柜内温度等参数；遥信变压器出现总开关状态，熔丝熔断信号，接地状态，变压器温度，风机启动信号。

（4）馈线：遥测0.4 kV馈线电流。

（5）UPS和EPS：遥测UPS和EPS的输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、输出频率、充电电流、蓄电池电压等参数；遥信UPS和EPS交流/逆变供电，过载，蓄电池放电后电压过低，逆变器或变换器故障。

（6）发电机：遥测发电机电压、电流和频率等参数。

（7）无功补偿：遥信无功补偿状态信号及刀熔开关和断路器接通信号。

（8）遥控功能：可遥控高、低压母线的分合闸；可遥控无功补偿装置投切；可遥控照明柜、风机柜等的分合闸；可遥控市电/发电机供电转换、机组开机、机组关机。

2.3 电力监控网络拓扑描述

常用的电力监控系统按中控级、站控级、间隔级三级配置原则进行设置。通常中控级设备包括一套总级监控系统，设置在管理中心或隧道管理所；站控级设备包括一套站级监控系统，设置在收费站或隧道配变电所；间隔级设备按不同电压等级和电气单元划分，分散设置在各高低压开关柜和其他电气设备内。

电力监控自动化系统中心主站系统可以选择多机专用网系统结构，设置网络交换机、数据服务器、工作站、维护站、数据通信机，并配有打印机等。电力监控自动化系统分为通信主干网与监测点内部通信，通信主干网采用光纤以太网传输，监测点内部由星形网络传输。

（1）内部电力监测工作流程。内部的电力监控主机，通过设置不同工况的传感器和传输器，实现直流、交流采集、温变、压降、漏电保护测控，实时工况监视、实时显示图表工况、对运行信息自动分析、采集。与设定值有偏差的实时进行报告，由监控人员根据设置的故障报送流程，自动发送到相应处理人员或人工直接汇报。

（2）主要电力设备工作流程。高低压配电柜数据采集：实现供电线路及配电柜交流、直流数字量化、开关、频率、温度、漏电、缺相的实时处理与传输；远程可对异常情况进行简单的控制和处理。设置联动机制，相关的异常情况可以共享给相关的供电部门，保障设备的多重监护和稳定性。通过以太网络端口，485端口、232端口实现对各终端运行信息采集，采集信息经内部骨干网络把信息传输到路段监控中心。

3 供配电系统电力监控前端监测预警系统组成

系统监测设备如表1所示，电力温度监控显示如表2所示。

表1 系统监测设备

表2 电力温度监控显示

供配电系统电力监控前端监测预警系统主要包括母线槽和低压柜状态监测、光纤测温、监测终端和LoRa网关等功能设备。作为前端核心设备的监测终端，通过间隔层单元采集来自生产过程的模拟量、数字量、脉冲量及温度量等，现场维护人员可通过显示屏进行可视监测；监测终端根据设备工作状态定时采集并发送数据，可以用自身串口与网关进行匹配组网，LoRa网关接收来自终端采集的相关数据，并通过通信接口上传数据至后台服务器。

（1）母线槽状态监测。路段内任意布置监测点，有效检测变电所母线槽早期隐患；工作频率433 MHz，可与LoRa网关形成自组网；通讯信穿透力强，单组30层。

（2）低压柜状态监测。可大范围布置在路段变电所内，实行多点监测，有效监测低压配电柜早期隐患，工作频率433 MHz，可与LoRa网关实现双工通信，单组监测500点，抗屏蔽能力强。

（3）光纤测温。覆盖路段范围内长距离管线及罐状设备，有效检测输电线缆、桥架的早期隐患；内置DTS模块，可实现快速、连续、长距离测温功能。

（4）监测终端。电弧和短路是电气火灾的重要成因，监测终端可提供三相电弧探测能力，并具有短路黑匣子监测记录功能，让短路故障无处遁形，可有效预防事故发生。

监测终端是一种集成化电力监控设备，可以实现电力多功能表、故障监测装置、电能质量监测仪、电气火灾探测器、电弧探测器和无线传输装置的功能。监测终端功能如图2所示。

图2 监测终端功能

监测终端采用边缘运算设计理念，将原本完全由中心节点处理的大型服务加以分解，切割成更小、更容易管理的部分，分散到边缘节点去处理。边缘节点更接近于终端装置，可以加快处理与传送速度，减少延迟。

电力监控前端监测预警系统对所采集的输入量进行数字滤波、有效性检查、工程值转换、故障判断、信号接点抖动消除、刻度计算等加工程序，从而产生可供应用的电流、电压、有功功率、无功功率、电度、功率因数等各种实时数据，供后台服务器数据库更新；必要时，形成分布式的数据库结构，在前端监控终端中保留本地处理的各种实时数据。在运行过程中，对采集到的电流、电压、主变压器温度、频率等测量值要不断进行越限监视，如发现越限，应立刻发出告警信号，同时记录显示测量值的越限时间和越限值，另外，还要监视保护装置是否失电，自控装置工作是否正常等。

电力监控前端监测预警系统具备独立的报警功能，不依赖后台管理服务器，解决了由于计算集中模式下服务器处理负荷过重，造成报警延迟、误报的问题；监测终端还具有对独立的历史事件、历史数据的存储功能，集成提供了丰富的二次集成接口，可后续拓展接入其他智能型设备，方便集成到路段一体化平台监控系统。

电力监控前端监测预警系统报警功能采用故障分级分类原则实现故障优先上传机制；故障输出带有故障输出AO、DO接口，可用于接入警铃、警示灯或直接用于切除故障回路；监控显示采用多重判据，多重管理权限，显示内容主要包括用电信息、测量值的实时数据、告警信息等。

此外，电力监控前端监测预警系统中还附带ALOT空调节能技术，采用手机APP监测，实现数字化、可视化、智能化、标准化管理；运用AI代替人工巡检、开关机等大量重复性工作；AIoT数据可驱动中央空调精细化管理，增效降本。远程操作方式如图3所示。

图3 远程操作方式

4 结语

采用电力监控前端监测预警系统，不仅可有效发现高速公路供配电系统故障隐患，提前抑制机械、电气故障形成，降低故障发生概率；且可使配电设备覆盖面更广，有利于提升高速公路营运单位的管理工作效率，降低工作人员的劳动强度，优化现场信息收集方式，缩短非计划停电时间，降低维护保养费用和电费，进而节省路段运营的成本。