高速公路智慧能源管理数字化解决方案分析

罗如意、张鹏、王卫

（湖北交投科技发展有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

在高速公路智慧能源管理数字化控制过程中，我国需要完善现行的管理架构，并且对当前高速公路能源管理无序、无规律的局面进行严格管理、严格控制，做到精细化监管、精细化分析，提高高速公路智慧能源管理的数字化控制水平。

1 高速公路智慧能源管理数字化需求

在当前碳达峰、碳中和的发展视域下，交通领域需要面向数字化、信息化、节能化方向得到进一步优化、完善。高速公路数字化发展是未来的必然趋势，在高速公路能源管理的过程中需要严格参照以下的发展需求，进行综合规划、综合设计。

首先，高速公路供配电照明系统具有区域离散性布局的基本特征。在此过程中，规划者、设计者应当具备跨专业的整合能力，在电力设计、系统设计、系统管控过程中，完成顶层分析，考虑前期的施工建设，中期的运行使用以及后期的运维管理的实际需求，依托信息化技术，对能耗进行全过程、全时段监测，从而达成节能管理的指标。

其次，在交通、建筑、工业多个领域，相关单位应当实现综合全面的能源管理，建立综合体系化的能源管理系统，由国家行政主管部门采取统一监管、统一控制，在技术、资金投入方面完成顶层规划。利用数字化工具，结合各类物联网系统以及传感器系统，实现对高速公路能耗问题的有效管控，构建监管与控制一体化的管理体系。

再次，高速公路机电工程作为消耗的核心部件，对机电项目、机电设施的能源监控、能源管理是必不可少的。在此期间可利用传感器系统，完成数据采集，从而实现对各类非结构化、半结构化的机电能耗数据信息的综合收集、控制。

最后，现阶段的数字化系统在能耗监测计算、平衡管控、审计以及节能考核方面也存在机制不完善、不全面的情况。当前，我国需要建立科学、完整、全面的能源管理体系，在推动高速公路数字化能源管理的过程中，实现全过程、全生命周期的节能控制，从而保障能源供给的安全、持续、可靠、稳定。为此，我国需要搭建能源保障安全自动化控制以及自动化在线统计分析等监管体系，实现系统调节、系统测量、系统管控。在智能设备管理、能源调度控制以及动态响应管理方面，提高自动化水平，结合人工智能系统、大数据系统，降低高速公路的运营成本，从而提高高速公路能源系统的综合运作效率，进而达成“双碳”的管理目标。

总体来说，在高速公路智慧能源管理数字化发展过程中，需要明确顶层设计策略，参照需求分析、建设目标、建设内容以及研究对象，完成体系化、高效化控制，以数字化、信息化、智慧化为发展前提，从能源安全、能耗计量分析、电能监测、智能控制、系统集成以及大数据应用等多个方面，完成各细项规划建设工作，满足能量供给平衡，在能源消费、传输、供给等多个领域，构建闭环管理体系[1]。

2 高速公路智慧能源管理现状

首先，虽然我国在高速公路能源管理过程中，实现了对数据信息的有效采集、分析，但是没有实现对相关数据信息高质量、高效率的使用管理，如无法对相关数据信息进行综合全面的提取控制，完成系统节能管理。现阶段，在高速公路服务区的建设过程中，大部分施工单位也考虑到了后续的节能管理需求，在空调、照明等主要能耗设施的规划管理方面，结合了更多光伏充电系统，但是没有严格参照实际的服务区运营需求，实现对规模的有效管控，从而无法完成高效率的能源管理能源控制。

其次，高速公路能源管理工作涉及较多的内容，在能源控制过程中，需要实现对各项机电数据、能耗数据的实时管理控制，因此需要结合高质量的监测管理系统，完成分项计量、智能诊断以及节能潜力的分析控制，最终达成良好的节能管理效果。但是，在高速公路能源管理过程中，缺少科学合理的能耗公示、审计，相关工作的数字化、智慧化水平相对较低，在能源管理方面的综合水平也无法得到有效提升。具体来说，在能源管理过程中，相关单位实施的管理措施缺少分类项目，如还未实现分项、分户的能耗数据提取、控制，整个能耗数据相对较为集中。

再次，在自动化控制、节能诊断管理方面也存在考核欠缺的情况，整个节能降耗工作的开展相对较为被动，无法实现有效的平衡控制，并且当前采用的节能措施也不够完善。在节能管理过程中，由于缺少全域监管，对收费站、服务区等照明、办公电力浪费的管理控制很难有效实施。部分高速公路区域的能源控制工作受到功率因数、电压合格率以及三相电流不平衡等相关问题的影响，在能源管理过程中，未做到定性分析，导致用电设备的使用寿命在能源管理措施的负面影响下，出现下降的情况。

最后，高速公路能源能耗数字化管理、数字化控制由于缺少智能运维管理系统，还无法在不同的时间完成模式切换响应、控制。比如，在阴天、雨雪、雾霾、风暴等不同天气中的切换过程中，在亮度控制、开关控制环节，由于缺少智慧控制，还无法实现自动切换，从而使得能耗提升，出现能源浪费的情况，或者供电无法满足在相关天气气候环境下的照明控制的使用需求。

总体来说，高速公路能源管理的智慧化水平相对较低，对能源的分类控制以及节能管理控制、自动化控制以及电能质量控制还存在一定的欠缺和不足，使得高速公路能源管理流于表面形式。

3 高速公路智慧能源管理数字化解决方案

现阶段，在高速公路智慧能源管理数字化控制过程中，首先，完善智慧能源管理总体设计。对能源总体架构进行有效规划、控制，建立数字化、一体化的管理模型，实现能源管理切换、控制切换。其次，完善能源管理模型。在能源控制过程中，对其中的油水、燃气、电力进行有效把控，对子项目进行合理提取、分析、使用。再次，自动化监控。在能源自动化管理过程中，需要完善自动化监管、自动化控制，完成遥测、遥感的综合控制，实现全局监控，在不同用电管理模式下，实现差异化的管理。最后，完善能源监控调度方案。在此过程中，平衡光伏发电与市电接入，实现用电管理、用电统筹控制，进而提高整个高速公路能源管理水平。

3.1 完善智慧能源管理总体设计

当前，为了彻底解决高速公路智慧能源管理过程中存在的缺陷和不足，需要完善智慧能源管理总体设计。在此过程中，需要构建综合一体化的能源控制体系，以及综合一体化的能源系统管理架构，实现对能源消耗问题的全局、全域管理。在此过程中，设计师、规划者应当根据当前在高速公路智慧能源管理中存在的实际问题，完成差异化管理。比如，实时提取高速公路能耗数据信息，借助物联网系统、云计算平台、云计算技术完成一体化改造、一体化控制，提高能源管理的智能水平，实现高速公路节能降耗控制。针对以上的需求以及实际指标，在综合一体化管理过程中，对能源传递、供给消费环节，实施循环控制，实现对能源供电系统的全方位、全区域管控。在该体系下，构建能源安全、能源在线分析、计量控制、监测管理系统，由智慧系统进行集中控制，实现对大数据的有效应用，使高速公路能源管理向数字化方面进一步转型、优化。在总体架构设计过程中，需要以系统管理为核心，参照当前的通信网络系统以及现场控制网络系统，以智慧计量装置的布局为根本，完成智能网关、智能控制体系的分级布置、分级控制。在能源管理控制系统的统筹管理下，实现对路段管理系统的分项控制，在收费站、服务区、停车场所、养护区域实现对子系统的合理布局[2]。

另外，在现场需要制定一系列的传感器控制机制，完善传感器设备以及控制器单元的合理布局，完成智能节点、智能设备的有效规划使用，力求在回路计量以及控制管理方面完成多功能控制。比如，实现分项计量，从而解决在各子站控制过程中，由于分项控制不足而出现能源浪费、照明浪费的情况。除此之外，在能源节能控制过程中，需要配套使用智能变频器，在不同天气、不同气候、不同环境下实现自动调频控制，以此来减少能源消耗。为了实现各子系统之间的有效连接互动，需要依托全面的联网设备系统的支持，实现承上启下的数据传输、数据控制、数据管理，利用光纤通信网络，实现现场信息的有效传递、流通管控。总体来说，在整个一体化节能设计管理过程中，需要构建信息化监管平台，对整个监控界面实施高质量、高效率的管理控制，在统计分析、预测调度、管理使用等多个方面做到宏观把控。

3.2 完善能源管理模型

对能源管理模型的控制是整个体系运行的基本前提，能源管理模型主要是实现对数字化系统的有效采集、管理、控制，可通过搭建数字模拟系统，在管理控制过程中完成对能耗信息的有效传递、表达，以此来降低能耗，实现对能耗问题的高效把控。整个能源管理模型划分总能耗、油、电、水、燃气等相关项目。在电力领域，以供电、发电机的能源输送为根本，以市电以及发电机、光伏发电站电能接入为核心电力源泉，在办公、公共、景观、收费站、互通、道路隧道、桥梁、水泵、电梯、空调、通风除湿、监控、通信、变电、商用等不同领域，实现体系化用电控制；而在水资源的控制方面，主要以生活消防、商业以及其他用水为管控根本，其中油气资源的使用相对较少。之后，在整个能源管理模型中，需要明确其中的能耗大户，如收费站、停车服务区、管理控制中心、养护区、隧道、互通以及大型桥梁等核心部件，明确能源使用标准，进行分项能耗指标的统计，并且参照分项管理需求，完成信息采集控制以及计算分析，以便在后续制订更加科学合理的分项管理方案。

3.3 自动化监控

对高速公路能源管理问题进行自动化监控，需要从多个层面、多个维度进行。在高速公路全线监管过程中，其一，需要优先从开关母线领域出发，完成遥测、遥感、遥信控制，如实现对发电机组、ATS 开关的全局、全域自动化监管控制；其二，需要对各环节、各领域、各支线干路的电流、电压、功率、压力、温度等相关电能参数进行实时采集，监测相关设备的运行状态，在此过程中，可通过对开关柜、发电机工作参数的调整控制，记录各子设备的安全运行情况；其三，需要实施防火防盗的监管，如对变压器以及相关机电设施的温度等重要参数信息进行实时监测，及时对异常故障进行警报处理，做快速响应、快速识别分析；其四，结合自动化监管系统，通过提升整个能耗检测系统的自动化运行水平，提高整个体系运行的可靠性和稳定性，可降低运行成本，减小劳动强度，实现实时高效地处理事故，减少停电时间，保障高速公路供电安全，提升高速公路的运行效率；其五，在不同的用电管理模式下，需要对主次用电进行有效切换控制，减少无谓的浪费，如在用电高峰期适当地控制广告照明亮度，停运不必要的用电回路，从而提高用电管理控制水平。

3.4 完善能源监控调度方案

在通常情况下，高速公路的能源保障相对较为全面，但是这并不意味着能源使用无须节制。在能源管理过程中，需要实现全局、全域的监管控制，做到细水长流、开源节流。首先，在光伏发电监管过程中，需要对控制逆变器的运行参数实施高效控制，对光伏发电量进行有效记录、控制，并且分析各电力参数以及各设备的能耗状态，结合市电接入以及光伏发电的实际标准、实际使用需求，评估用电情况。其次，在当前新能源领域，对充电桩的监测、监控也是必不可少的。在高速公路智能充电桩管理过程中，可利用信息接口，借助智能设备、智能系统对充电桩的运行状况进行有效监管，并且建立多功能的电力监测终端，完成高效率的开关控制，以及实施高效的数据监测。根据监测得到的数据信息，实现多维度、多方位管理控制，促使整个系统的运行更加稳定有效，从而制定更加科学高效的协同控制管理策略。因此，在新能源一体化监管过程中，需要以双向逆变器的监管控制为发散点，连接能源管理系统，对ATS 切换、智能网关、光伏控制器、充电桩、照明空调、光伏组串等各项信息以及用电状况进行有效把控，及时平衡光伏发电与市电之间的切换关系以及相互弥补的状态，从而制定更加科学、完整、全面的用电调控管理策略。

4 结语

总体来说，在当前高速公路智慧能源管理数字化控制过程中，相关单位应制订科学有效的管理方案，完善管理架构，构建体系化的管理模式，有效控制和解决高速公路的能耗问题。