胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

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主要地位，高速公路行業(yè)呈現出穩步發(fā)展的態(tài)勢。高速公路產(chǎn)業(yè)正加速向智慧化、綠色化轉型，通過(guò)大數據、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)提升運營(yíng)效率和服務(wù)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。各類(lèi)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(shù)服務(wù)的一體化能源管理系統，能有效降低工作人員勞動(dòng)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遠程控制及運維管理平臺尤為重要。

關(guān)鍵詞：高速公路；信息化；電力監控；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(diǎn)位于天等縣小山鄉賀屯村附近，順接巴馬至憑祥公路田東經(jīng)天等至大新段終點(diǎn)，路線(xiàn)全長(cháng) 146.129km。全線(xiàn)采用設計速度100公里/小時(shí)的高速公路標準，路基寬度26米（雙向四車(chē)道）。橋梁總長(cháng)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(cháng)隧道12316m/9 座，中隧道10383.5m/16 座，短隧道4458m/15座，橋隧比占路線(xiàn)總里程長(cháng)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(wù)區 3 處，養護工區 2 處，監控分中心 2 處，隧道管理所 1 處。

2 項目方案

2.1項目需求

電力監控功能要求

數據采集功能:能夠通過(guò)智能設備進(jìn)行通信對所有的模擬量、開(kāi)關(guān)量、脈沖量進(jìn)行實(shí)時(shí)和定時(shí)數據采集，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(shí)性。定時(shí)數據可根據設定的時(shí)間間隔自動(dòng)轉存于硬盤(pán)，作為歷史記錄存檔。

數據處理功能:能對模擬量進(jìn)行合理性校驗、上下限比較等。對開(kāi)關(guān)量進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，分滑率≤1ms，對開(kāi)關(guān)變位作事件記錄輸出并告警，對重要歷史數據進(jìn)行處理并存盤(pán)。

事件記錄與報警功能:當出現開(kāi)關(guān)事故變位，透測越限、保護動(dòng)作和其它報警信號時(shí)，系統能發(fā)出音響提示，并自動(dòng)推出報警面面。報警需經(jīng)操作員確認后方能手動(dòng)復位，報警音響能根據報警等級發(fā)出不同的音響提示。報警事件記錄入籃控系統數據庫。

圖形顯示功能:能通過(guò)導航縮放功能顯示本廠(chǎng)所有供電系統的網(wǎng)絡(luò )圖，動(dòng)態(tài)刷新顯示配電系統和各變電所主接線(xiàn)圖、系統和保護測控裝置配置圖，主接線(xiàn)圖上能實(shí)時(shí)顯示各開(kāi)關(guān)運行狀志、在線(xiàn)運行參數等，并且能顯示各種曲線(xiàn)、棒圖等功能。

2.2產(chǎn)品需求

1）ANet通訊管理機

監控系統的通信層由光纖通訊網(wǎng)絡(luò )、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(guò)本路段高速公路主干通信網(wǎng)絡(luò )，把電力監控數據傳輸到對應的路段監控分中心監控分中心電力監控主機。

通信管理機技術(shù)要求：

在各變電所/箱變設置一臺智能通訊管理機，負責實(shí)現變電所/箱變內各監控設備的通訊管理、信號傳輸等功能。其主要功能如下。

采用高性能的嵌入式 CPU，具有高速運算、通信及數據處理能力。

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

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

2）AM4保護裝置

高壓系統設置微機綜合保護測控裝置，對 10kV 進(jìn)出線(xiàn)、母線(xiàn)分段、變壓器組等回路進(jìn)行繼電保護和運行測控。電力監控系統與微機保護測控裝置進(jìn)行通信實(shí)時(shí)監測各進(jìn)線(xiàn)、出線(xiàn)的運行狀態(tài)。

10kV 進(jìn)線(xiàn)出線(xiàn)：設置微機保護測控裝置，可實(shí)現就地、遠動(dòng)的保護、測控功能。

10kV 母線(xiàn)分段：設置帶 BZT 功能的微機保護測控裝置，可實(shí)現就地、遠動(dòng)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(shí)現就地、遠動(dòng)的保護、測控功能，電力監控通過(guò)干變內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(fēng)機工作狀態(tài)等變壓器運行狀態(tài)進(jìn)行監測。

高壓 PT：設置微機綜合 PT 測控裝置，實(shí)現 PT 的電壓監測等功能。

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(kāi)關(guān)量輸入。至少5路開(kāi)關(guān)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(gè)RS485通信接口。

2）補償/濾波控制器

電容補償：無(wú)功補償+濾波柜控制器接入智能通信管理機，通過(guò)電力監控主機顯示其運行狀態(tài)，各種參數在當地顯示。

4）AMC多功能數字式電表

進(jìn)線(xiàn)回路：0.4KV 配電柜進(jìn)線(xiàn)單元和發(fā)電機進(jìn)線(xiàn)柜、聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)柜等，對相應回路均配置一臺智能多功能電力監控儀表，監測其有功 P、無(wú)功 Q、三相電壓 U、三相電流 I、功率因數 COSΦ；監視開(kāi)關(guān)位置信號、回路分合閘狀態(tài)、故障脫扣信號等；并對進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)（低壓斷路器含電操等自動(dòng)機構）進(jìn)行遠程分合閘控制。

出線(xiàn)回路：對 0.4KV 低壓開(kāi)關(guān)柜的每一回出線(xiàn)回路，均配置一臺智能三相電力監控儀表，監測該回路的電壓、電流、有功、無(wú)功、電度并在當地顯示，隨時(shí)了解供電回路的負荷情況；并監視開(kāi)關(guān)位置信號、回路分合閘狀態(tài)等。

5）電氣火災監控裝置

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

電氣火災監控系統應具備與圖形顯示裝置接入功能，實(shí)時(shí)傳送監控信息，顯示監控數值和報警部位。

電氣火災監控系統應具備方便的區域化管理，集中管理，操作及維護。

電氣火災監控系統不應斷開(kāi)主回路而影響供電的連續性。

2.3產(chǎn)品上圖方案

本工程10kV/0.4kV配電工程共有92個(gè)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(gè)高速公路項目共有92個(gè)變電所，其中大新至憑祥段38個(gè)變電所，天等至大新段54個(gè)變電所，變電所所設產(chǎn)品類(lèi)型及數量如下：

3 系統需求

為實(shí)時(shí)監視整個(gè)配電室的運行以及數據采集，該項目配置一套AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效系統，主要實(shí)現對新晉高速公路各個(gè)變電所的用電監控與管理。監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(wú)功補償、發(fā)電機控制屏、智能照明和電氣火災監控等。本系統由用戶(hù)管理層、網(wǎng)絡(luò )通信層、現場(chǎng)設備層三部分組成，現場(chǎng)設置的電能表采用屏蔽雙絞線(xiàn)連接至各分區數據采集器，各分區數據采集器將數據分類(lèi)處理后，通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接至局域網(wǎng)交換機上傳至電力監控系統主機，實(shí)現電力監控功能。

圖3 系統架構圖

AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效系統可實(shí)現的功能如下：

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

2）全路段監控：沿途數十幾個(gè)配電房繪制在一張K線(xiàn)圖里面，點(diǎn)擊每個(gè)站跳轉相關(guān)配電圖畫(huà)面顯示，使整條高速公路的配電系統一圖掌握。

圖4  K線(xiàn)圖界面

3）實(shí)時(shí)監測：以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示配電線(xiàn)路的運行狀態(tài)，可以實(shí)時(shí)監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀等合、分閘狀態(tài)。

圖5 隧道10kV配電監測界面

圖6 隧道.0.4kV配電監測界面

4）電參量查詢(xún)：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(wú)功功率、總功率因數、正向有功電能等。

5）運行報表： 查詢(xún)各回路或設備時(shí)間的運行參數，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、總有功功率、總無(wú)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(shí)時(shí)告警：能夠對配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

7）歷史事件查詢(xún)：能夠對遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警信息進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

10）事故追憶：能夠自動(dòng)記錄事故時(shí)刻前后一段時(shí)間的所有實(shí)時(shí)穩態(tài)信息，包括開(kāi)關(guān)位置、 保護動(dòng)作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

11）曲線(xiàn)查詢(xún)：能夠查詢(xún)實(shí)時(shí)曲線(xiàn)和歷史曲線(xiàn)，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數等所有遙測量。

12）用戶(hù)權限管理：設置了用戶(hù)權限管理功能，通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。系統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(gè)權限組里分配不同用戶(hù)，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

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

圖8 電氣火災監測界面圖

14）智能照明控制：可按季節對相應回路設定定時(shí)合閘定時(shí)分閘操作，實(shí)現自動(dòng)化控制。

圖9 智能照明控制界面圖

15）遙控功能：根據電力規程要求，可以對整個(gè)配電系統范圍內的設備進(jìn)行遠程遙控操作。

16）通信管理：可以對整個(gè)配電系統范圍內的設備通信情況進(jìn)行管理、控制、數據的實(shí)時(shí)監測。

5 現場(chǎng)安裝圖片

本項目微機保護就地分散安裝在各個(gè)高壓開(kāi)關(guān)柜上，保護裝置、電氣火災監測裝置以及電能表現場(chǎng)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場(chǎng)安裝圖片

6 結語(yǔ)

AcrelEMS-HIM高速公路綜合能效管理系統對高速公路沿線(xiàn)隧道、服務(wù)區、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(fēng)及排水等機電設備進(jìn)行實(shí)時(shí)分布式監控和集中管理 , 確保高速公路安全暢通, 提高自動(dòng)化管理水平, 降低機電設備的運行維護成本。運營(yíng)維護人員能通過(guò)系統及時(shí)發(fā)現電氣安全隱患及電氣故障，并能夠對場(chǎng)區用電數據進(jìn)行報表及統計。有效降低工作人員勞動(dòng)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設計與產(chǎn)品二次原理圖集.2020.10月版

[3] 安科瑞用戶(hù)變電站綜合自動(dòng)化與運維解決方案.2020.5月版