智慧供电系统在高速公路机电工程中的应用分析

高玲

（北京瑞拓电子技术发展有限公司，北京 100043）

0 引言

随着交通工具的发展，高速公路已经成为现代交通运输的重要组成部分。高速公路机电工程是高速公路建设中不可或缺的组成部分，安全高效的供电系统是高速公路各项设施正常运行的基本前提和必备条件。伴随“智慧公路”的不断发展，完成智慧供电系统建设的课题非常必要且十分迫切。

1 传统供配电方案

1.1 低压380V 直接供电方案

在低压380V 的供电系统中，外场设备一般由低压配电柜直接进行供电，一般情况下，该系统只有4km以内的供电距离。

低压380V 直接供电方案的核心是通过一个高压变频器将380V 直流电转换为交流电，然后通过一系列的开关柜进行变换和分配到不同的设备上。其中，高压变频器作为核心部件，它的工作原理是在一定频率下输出一定的电压和电流量，以达到控制目标的目的。同时，为了保证系统的稳定运行，还需要设置一些保护措施，如过载保护、短路保护等。

除了高压变频器外，还有其他关键部件参与整个系统的构成中。例如，开关柜用于转换交流电为直流电或反向交流电；逆变器用于将交流电转换成直流电；滤波器用于过滤掉谐波等干扰信号；隔离器件用于防止交流电与直流电之间的接触。这些组件的作用相互配合，共同确保系统的正常运转。380V 直流电源的直接供电方案能够有效解决传统电网存在的问题，并且具备较高的经济性和环保性[1]。

1.2 中压6kV/10kV 间接供电方案

针对距离在4km 以上的用电设备，一般采用6kV或10kV 的供电电压，在负载集中的位置安装电源，并在该位置安装6kV（10kV）/0.4kV 变压器，使其变压成380V/220V，并以此进行二次配电。

1.3 风光互补供电方案

风光互补供电系统的原理在于将风能转变成交流电，将太阳能转变为直流电，转变后的交流电在整流器的作用下向蓄电池充电，转变后的直流电则直接为蓄电池进行充电。在整个系统中，蓄电池的作用在于进行电能的储存和调节[2]。

2 智慧供电系统概述

智慧供电系统是现代电力供应的重要组成部分，其建设需要遵循一系列的原则。首先，智慧供电系统应该具备高效率和高可靠性的特点，以满足用户对电力需求的快速响应和稳定供给的要求。其次，智慧供电系统应具有较高程度的智能化功能，能够实现自动化控制和远程监测，提高管理效率和系统安全性能。再次，智慧供电系统还应注重环保性和可持续发展性，采用绿色能源技术，减少环境污染和资源浪费。最后，智慧供电系统需要考虑经济效益和社会效益之间的平衡，尽可能降低成本并增加收益，为社会创造更多的价值。为了确保智慧供电系统的建设质量和效果，需要建立完善的技术标准和监管机制。同时，还需要加强人才培养和科研投入，不断推进智慧供电系统的创新和发展。

3 智慧供电系统在高速公路机电工程中的应用分析

3.1 智能化管理的实施步骤

一是前期准备工作。在进行智能化管理之前，需要对相关设备和设施进行全面的调查和评估。二是数据采集与分析。智能化管理的基础是数据的收集和处理。为了实现智能化的管理目标，需要对各种数据源进行采集和整合，并将其转化为可用的数据形式。三是智能化管理系统的设计与搭建。智能化管理系统的设计和搭建是一个复杂过程，需要考虑到多种因素的影响。因此，在实际应用中要注重效果的评价和反馈机制的作用，及时发现问题并加以解决，不断优化和完善管理方案。

3.2 智能化管理的实现方式

随着信息技术的发展，智能化的管理已经成为现代企业管理的发展方向。对于高速公路电气设备而言，传统的机械式管理已经无法满足其高效率的要求，因此，采用智能化的管理方法成为必然选择。智能化管理的方法有很多种，其中最常见的是基于物联网技术的应用，通过将各种传感器和控制器连接到网络中，可以实时获取设备的状态数据，并进行远程监测和控制，能够更加准确地掌握设备的工作状态，及时发现故障点，从而提高系统的运行效率。还可以利用人工智能算法对设备的数据进行分析和预测，为设备维护提供更好的支持。除了物联网技术外，还有其他一些智能化的管理方法可供选择。例如，可以通过大数据技术对设备的历史数据进行挖掘和分析，找出规律性和趋势，以便更好地制订维修计划和优化方案；可以使用虚拟现实技术模拟设备的操作过程，以提高员工的专业技能和工作质量。这些方法各有优点，需要结合实际情况进行综合考虑。总之，智能化管理是一种先进的管理理念和实践方法，能够帮助高速公路电气设备实现更高效、更可靠的运营。在未来，智能化管理方法会不断提升设备的性能和服务水平。

4 智慧供电系统在高速公路机电工程中的应用案例分析

4.1 项目概况

传统的高速公路机电工程往往存在效率低和安全隐患等问题，不仅影响道路的使用效果，还造成能源浪费。智慧电源系统通过在高功率输入电路上配置发电机、电池、双线电源等方法，使现场电源和监控设备能够不间断地供电，从而最大限度地减少高功率输入时停电的影响。以某高速公路为例，该区域交通量较大且车速快，一旦出现故障将会给车辆和人员带来极大安全隐患。针对此问题，采用了基于物联网技术的智慧供电方案进行供电系统改造升级，通过安装智慧化设备实现对全线电力供应情况的实时监测与控制[3]。

4.2 项目分析

通过将大量分布均匀的无线传感器部署在道路沿线及各个重要节点上，可以实时监测车辆信息并及时反馈给监控中心或其他相关部门，从而提高交通安全水平和事故处理效率。此外，该高速公路所连接的变电站数量众多，且距离较长，因此需要确保各站点之间的电力供应充足稳定。由于高速公路上行驶的汽车数量庞大，对于电能质量的要求也非常严格，针对这一情况，选用了施耐德电气公司的UPS 不间断电源产品作为主要备选项，可有效应对断电故障，保障用电设备正常运行[4]。

与此同时，为了满足照明系统方面的需求，需要所有路段的照明效果良好，选择使用LED 灯具进行照明，并设置了自动控制装置，可根据季节变化和天气状况等因素自动调节灯光亮度和色温，使路面照度始终保持在适宜范围内，提升驾驶员的视觉舒适感。

4.3 总体设计

将全线各路段的收费站、隧道变电所等重要节点作为主要监测对象，利用物联网技术构建一套完整的智慧感知体系。通过前端传感器采集设备运行参数、环境温度湿度以及视频图像等多种信号，经过数据预处理后传输至数据采集与处理平台进行存储、分析和展示。此外，还设置了多个远程终端单元（RTU）用以扩展监测范围，确保对所有设备设施全面覆盖，该模块主要负责采集各个传感器节点所采集到的数据。

设计采用了Modbus-RTU 通信协议，实现对各类模拟量、数字量等参数的实时采集和上传。同时，为确保数据传输的可靠性与稳定性，还需进行一系列的数据处理与校验工作。具体而言，当某个节点发生故障时，会自动切换至备用节点继续完成数据的采集和上传任务。而在数据传输过程中，也需要进行多次校验以排除错误或异常值的干扰。基于上述功能需求，选用了研华公司生产的ADAM-5021 作为主控芯片，配合相应的电路设计和程序开发，成功地实现了对各类信号的采集、处理和控制。其中，硬件部分包括电源管理单元、信号调理单元以及模数转换单元等，这些设备均按照一定的规律分布在整个系统架构中，彼此之间通过总线进行连接，构成一个完整且独立的信号处理平台。主控芯片接收来自各个从站节点的数据后，经过初步处理后再发送至上位机进行进一步分析和处理。值得一提的是，由于该系统涉及多个学科领域的知识交叉应用，因此在软件设计方面还需充分考虑其实际使用环境和操作习惯，力求简单易用、易于维护。

4.4 方案优势

一是优化成本，减少电缆铺设。在传统供电方案中，需要在4km 隧道两侧设置变电站。全隧道照明设备和监控设备采用380V 直接供电，隧道入口380V 电源供电柜作为输出回路电源，现场照明设备、应急照明设备、监控设备采用多回路供电敷设电缆，并汇总至隧道照明配电柜，采用开关控制的形式进行开关。在智慧供电方案中，智慧供电上端电源柜只需在4km隧道单侧变电站设置，将380V 输出电源升至3300V 或1000V，然后通过单孔输出两个供电电路到下端电源柜，智慧供电下端电源柜将输入电源电压降至220V输出电路电源，为隧道内所有照明设备和监控设备供电。由于供电方式具有远程供电优势，只需采用单侧供电方式铺设电缆，有效减少电缆铺设工程量。

二是实用便捷，远程控制与操作。依托云计算、移动互联网等现代通信技术，将传统的现场操控模式转变为远程在线操控或无人值守操控模式，实现对各类设施设备的自动化启停、调节、检测、保护等功能，大幅度降低人员工作强度和安全风险[5]。

具体内容如下：第一，数据采集与存储测试。通过模拟各种异常情况下的工作场景，检验系统数据采集、传输、存储等环节是否正常运行。同时，还需检测系统在大数据量存储时的性能表现，经过多次测试，结果表明该系统各项指标均符合要求，且具有较好的可靠性和稳定性。第二，设备控制及监测测试。针对不同类型的设备，分别进行了远程控制和实时监控测试。例如，通过手机APP 可以实现对变电所内所有设备的开关机操作。而对于重要设备，如变压器、UPS等，则采用传感器进行实时监测，并将监测到的信息上传至后台服务器进行分析处理。此外，还可通过视频监控技术对现场作业过程进行全程记录和追溯，为管理部门提供有力支持。第三，故障诊断及应急响应测试。当系统出现故障或发生异常情况时，智慧供电系统会自动触发相应的报警机制，并及时向用户发送短信通知。同时，系统还会启动备用设备或采取其他措施保证系统连续正常运行。经反复测试，该系统具备快速准确地判断和解决各类问题的能力，能够有效提升运维效率和服务质量。

5 智慧供电系统在高速公路机电工程中的应用策略

5.1 实用性原则

智慧供电系统是现代电力供应的重要组成部分，其建设的目标是实现智能化和自动化的电力管理。智慧供电系统通过对电力网络进行监测和分析，可以提供更加准确的数据和预测，从而提高电网的可靠性和安全性。同时，智慧供电系统还可以为用户提供更好的服务体验，例如实时查询电费、远程控制设备等。因此，智慧供电系统的建设另一个重要的任务是需要充分考虑各种因素的影响，确保系统的高效性和稳定性。对于高速公路机电工程而言，其智慧化改造应该以其实际需求为出发点，确保所设计出来的方案能够切实可行、好用易用。

5.2 可靠性原则

高速公路机电设备数量庞大且分布范围较广，在进行智慧化改造时要保证其稳定运行和数据传输的可靠性，避免因为故障而导致整个项目停工。同时，智慧供电系统在高速公路机电工程应用过程中，应该充分利用先进技术来提升系统的性能和效率。此外，智慧供电系统的建设还需注重安全保障。为了避免系统故障带来的风险，需要加强设备监控和数据保护措施，及时发现问题并采取相应措施加以解决，也需要注意网络攻击等问题，建立完善的信息安全体系，防范各种可能的风险。

5.3 安全性原则

随着信息技术的不断发展以及物联网等新技术的广泛应用，越来越多的敏感信息需要被保护起来，这就要求在进行智慧化改造时应当充分考虑到网络安全问题，采取相应措施保障系统及人员的人身财产安全。

5.4 经济性原则

在进行高速公路机电工程智慧化改造过程中，应当注重节约成本，提高效益。一方面可以通过优化设计方案减少不必要的开支，另一方面则可采用先进的节能环保技术降低能源消耗，从而达到节省降耗的目的。

6 结语

综上所述，智慧供电系统不仅具有良好的实用价值和经济效益，还能够提高高速公路机电设施的智慧化水平，对高速公路向“智慧公路”方向发展有着深远的影响，智慧供电与“智慧公路”的协调发展是不可分割的。高速公路照明、应急照明、监控、交通安全管控等系统设备应充分利用智慧供电提供的技术资源和操作平台，推进优化智能化设计方案，集成高速公路综合性智能化平台，从而推进新时期新型智能化高速公路建设，赋予现代化高速公路以新的内涵。