安科瑞 陳聰

摘 要：公路作為我國交通基礎設施重要的組成部分，仍然在中國的綜合交通運輸體系中占據(jù)主要地位，高速公路行業(yè)呈現(xiàn)出穩(wěn)步發(fā)展的態(tài)勢。高速公路產(chǎn)業(yè)正加速向智慧化、綠色化轉(zhuǎn)型，通過大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術提升運營效率和服務質(zhì)量。盡管高速公路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。各類配電房和機電設備的增加，使供電可靠要求更高，設計一套包括電力監(jiān)控、電能計量、電能質(zhì)量治理、能耗分析、電氣安全、運維巡檢管理等技術服務的一體化能源管理系統(tǒng)，能有效降低工作人員勞動強度、提供工作效率、避免人為事故發(fā)生、有序保證高速公路可靠運行的供配電系統(tǒng)遠程控制及運維管理平臺尤為重要。

關鍵詞：高速公路；信息化；電力監(jiān)控；電氣安全

1 概述

  巴馬至憑祥高速公路大新經(jīng)龍州至憑祥段，起點位于天等縣小山鄉(xiāng)賀屯村附近，順接巴馬至憑祥公路田東經(jīng)天等至大新段終點，路線全長 146.129km。全線采用設計速度100公里/小時的高速公路標準，路基寬度26米（雙向四車道）。橋梁總長度15233.5m/50座：其中特大橋4069m/4 座，大中橋10369m/34 座，小橋794.4m/12座。隧道共設置27157.5m/40 座：其中長隧道12316m/9 座，中隧道10383.5m/16 座，短隧道4458m/15座，橋隧比占路線總里程長度的29.01%。設置互通式立體交叉 8 處（樞紐互通 3 處、一般互通 5 處），服務區(qū) 3 處，養(yǎng)護工區(qū) 2 處，監(jiān)控分中心 2 處，隧道管理所 1 處。

2 項目方案

2.1項目需求

電力監(jiān)控功能要求

數(shù)據(jù)采集功能:能夠通過智能設備進行通信對所有的模擬量、開關量、脈沖量進行實時和定時數(shù)據(jù)采集，所有的電量均采用交流直接采樣，保證測量的高精度和同時性。定時數(shù)據(jù)可根據(jù)設定的時間間隔自動轉(zhuǎn)存于硬盤，作為歷史記錄存檔。

數(shù)據(jù)處理功能:能對模擬量進行合理性校驗、上下限比較等。對開關量進行實時掃描，分滑率≤1ms，對開關變位作事件記錄輸出并告警，對重要歷史數(shù)據(jù)進行處理并存盤。

事件記錄與報警功能:當出現(xiàn)開關事故變位，透測越限、保護動作和其它報警信號時，系統(tǒng)能發(fā)出音響提示，并自動推出報警面面。報警需經(jīng)操作員確認后方能手動復位，報警音響能根據(jù)報警等級發(fā)出不同的音響提示。報警事件記錄入籃控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

圖形顯示功能:能通過導航縮放功能顯示本廠所有供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡圖，動態(tài)刷新顯示配電系統(tǒng)和各變電所主接線圖、系統(tǒng)和保護測控裝置配置圖，主接線圖上能實時顯示各開關運行狀志、在線運行參數(shù)等，并且能顯示各種曲線、棒圖等功能。

2.2產(chǎn)品需求

1）ANet通訊管理機

監(jiān)控系統(tǒng)的通信層由光纖通訊網(wǎng)絡、各變電所/箱變的智能通訊管理機和光纖冗余工業(yè)以太網(wǎng)交換機組成。變電所通過本路段高速公路主干通信網(wǎng)絡，把電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄穆范伪O(jiān)控分中心監(jiān)控分中心電力監(jiān)控主機。

通信管理機技術要求：

在各變電所/箱變設置一臺智能通訊管理機，負責實現(xiàn)變電所/箱變內(nèi)各監(jiān)控設備的通訊管理、信號傳輸?shù)裙δ?。其主要功能如下?/span>

采用高性能的嵌入式 CPU，具有高速運算、通信及數(shù)據(jù)處理能力。

具有 2 個 10/100M 網(wǎng)口、8 個高速串行口（包括 RS232、 RS485）

具有多種通信規(guī)約，包括 MQTT規(guī)約、IEC103\104 協(xié)議、IEC 61850協(xié)議、MODBUS協(xié)議等。

2）AM4保護裝置

高壓系統(tǒng)設置微機綜合保護測控裝置，對 10kV 進出線、母線分段、變壓器組等回路進行繼電保護和運行測控。電力監(jiān)控系統(tǒng)與微機保護測控裝置進行通信實時監(jiān)測各進線、出線的運行狀態(tài)。

10kV 進線出線：設置微機保護測控裝置，可實現(xiàn)就地、遠動的保護、測控功能。

10kV 母線分段：設置帶 BZT 功能的微機保護測控裝置，可實現(xiàn)就地、遠動的保護、測控功能。

變壓器：設置微機變壓器保護測控裝置，可實現(xiàn)就地、遠動的保護、測控功能，電力監(jiān)控通過干變內(nèi)部預先埋設的溫度傳感器和相應的智能溫控儀對干變的溫度信號、超溫報警、變壓器風機工作狀態(tài)等變壓器運行狀態(tài)進行監(jiān)測。

高壓 PT：設置微機綜合 PT 測控裝置，實現(xiàn) PT 的電壓監(jiān)測等功能。

至少具有8路模擬量通道，至少12路交直流兩用、110V/220V自適應的開關量輸入。至少5路開關量輸出；所有接口資源均支持圖形化可編程、任意配置。至少具有1個RS485通信接口。

2）補償/濾波控制器

電容補償：無功補償+濾波柜控制器接入智能通信管理機，通過電力監(jiān)控主機顯示其運行狀態(tài)，各種參數(shù)在當?shù)仫@示。

4）AMC多功能數(shù)字式電表

進線回路：0.4KV 配電柜進線單元和發(fā)電機進線柜、聯(lián)絡開關柜等，對相應回路均配置一臺智能多功能電力監(jiān)控儀表，監(jiān)測其有功 P、無功 Q、三相電壓 U、三相電流 I、功率因數(shù) COSΦ；監(jiān)視開關位置信號、回路分合閘狀態(tài)、故障脫扣信號等；并對進線開關（低壓斷路器含電操等自動機構）進行遠程分合閘控制。

出線回路：對 0.4KV 低壓開關柜的每一回出線回路，均配置一臺智能三相電力監(jiān)控儀表，監(jiān)測該回路的電壓、電流、有功、無功、電度并在當?shù)仫@示，隨時了解供電回路的負荷情況；并監(jiān)視開關位置信號、回路分合閘狀態(tài)等。

5）電氣火災監(jiān)控裝置

電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠探測電氣線路中的剩余電流、異常溫升、故障電弧、過流和過壓等電氣故障異常狀態(tài)，當超過限定值時發(fā)出報警信號，顯示并記錄其故障狀態(tài)。

電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)應具備與圖形顯示裝置接入功能，實時傳送監(jiān)控信息，顯示監(jiān)控數(shù)值和報警部位。

電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)應具備方便的區(qū)域化管理，集中管理，操作及維護。

電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)不應斷開主回路而影響供電的連續(xù)性。

2.3產(chǎn)品上圖方案

本工程10kV/0.4kV配電工程共有92個變電所，以大憑隧道變電所為例，上圖方案如下：

圖1大屏隧道10kV上圖方案

圖2大屏隧道0.4kV上圖方案

2.4產(chǎn)品明細

整個高速公路項目共有92個變電所，其中大新至憑祥段38個變電所，天等至大新段54個變電所，變電所所設產(chǎn)品類型及數(shù)量如下：

3 系統(tǒng)需求

為實時監(jiān)視整個配電室的運行以及數(shù)據(jù)采集，該項目配置一套AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對新晉高速公路各個變電所的用電監(jiān)控與管理。監(jiān)控范圍為變電所的微機保護裝置、電能表、變壓器溫控儀、EPS、UPS、無功補償、發(fā)電機控制屏、智能照明和電氣火災監(jiān)控等。本系統(tǒng)由用戶管理層、網(wǎng)絡通信層、現(xiàn)場設備層三部分組成，現(xiàn)場設置的電能表采用屏蔽雙絞線連接至各分區(qū)數(shù)據(jù)采集器，各分區(qū)數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)分類處理后，通過網(wǎng)線連接至局域網(wǎng)交換機上傳至電力監(jiān)控系統(tǒng)主機，實現(xiàn)電力監(jiān)控功能。

圖3 系統(tǒng)架構圖

AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能如下：

1）電力綜合看板：可查看整個平臺的一個概況，包括變電站數(shù)量、變電站分布位置；變壓器數(shù)量、總裝機容量，統(tǒng)計出的整個系統(tǒng)當前的總功率和當日的總用電，也可監(jiān)測網(wǎng)關、儀表的運行狀態(tài)；展示了接入的光伏站點的信息，包括發(fā)電功率和當日發(fā)電量；還有運維任務的情況，代*在辦、辦畢的個數(shù)，統(tǒng)計出任務完成率；報警情況統(tǒng)計，統(tǒng)計出報警程度的分布情況，新報警滾動顯示，平臺當月每天的報警數(shù)量統(tǒng)計。

2）全路段監(jiān)控：沿途數(shù)十幾個配電房繪制在一張K線圖里面，點擊每個站跳轉(zhuǎn)相關配電圖畫面顯示，使整條高速公路的配電系統(tǒng)一圖掌握。

圖4  K線圖界面

3）實時監(jiān)測：以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，可以實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態(tài)。

圖5 隧道10kV配電監(jiān)測界面

圖6 隧道.0.4kV配電監(jiān)測界面

4）電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能等。

5）運行報表： 查詢各回路或設備時間的運行參數(shù)，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等，報表格式有日報表、月報表、年報表等。

圖7 運行報表界面

6）實時告警：能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

7）歷史事件查詢：能夠?qū)b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警信息進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

10）事故追憶：能夠自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息，包括開關位置、 保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數(shù)據(jù)基礎。

11）曲線查詢：能夠查詢實時曲線和歷史曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等所有遙測量。

12）用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）。系統(tǒng)可以定義不同操作權限的權限組（如管理員組、工程師組、操作員組等），在每個權限組里分配不同用戶，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

13）電氣火災監(jiān)測：針對低壓用電環(huán)節(jié)各回路中的剩余電流、溫度和故障電弧等進行實施監(jiān)測；為低壓用電環(huán)節(jié)的安全性，當剩余電流越*時報警輸出，以提醒維護人員進行安全檢查，防止因漏電引起的火災發(fā)生，實現(xiàn)對高速公路電氣安全預警。

圖8 電氣火災監(jiān)測界面圖

14）智能照明控制：可按季節(jié)對相應回路設定定時合閘定時分閘操作，實現(xiàn)自動化控制。

圖9 智能照明控制界面圖

15）遙控功能：根據(jù)電力規(guī)程要求，可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設備進行遠程遙控操作。

16）通信管理：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設備通信情況進行管理、控制、數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

5 現(xiàn)場安裝圖片

本項目微機保護就地分散安裝在各個高壓開關柜上，保護裝置、電氣火災監(jiān)測裝置以及電能表現(xiàn)場安裝如下圖所示。

圖10 微機保護、儀表、電氣火災裝置在大憑高速公路配電工程現(xiàn)場安裝圖片

6 結語

AcrelEMS-HIM高速公路綜合能效管理系統(tǒng)對高速公路沿線隧道、服務區(qū)、收費站和箱變等變電所的配電設備、發(fā)電機、變壓器 、UPS、EPS 、照明、通風及排水等機電設備進行實時分布式監(jiān)控和集中管理 , 確保高速公路安全暢通, 提高自動化管理水平, 降低機電設備的運行維護成本。運營維護人員能通過系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)電氣安全隱患及電氣故障，并能夠?qū)鰠^(qū)用電數(shù)據(jù)進行報表及統(tǒng)計。有效降低工作人員勞動強度、提高工作效率、避免人為事故發(fā)生、有序保證高速公路可靠運行。

參考文獻

[1] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.6月版

[2] 安科瑞35KV以及下變電所智能配電系統(tǒng)設計與產(chǎn)品二次原理圖集.2020.10月版

[3] 安科瑞用戶變電站綜合自動化與運維解決方案.2020.5月版