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高速公路供配電監控系統
一、概述
高速公路，簡稱高速路，是指供汽車高速行駛的公路。近年來，我國的高速公路發展非常迅速，已形成遍布全國的高速公路網，它在對國家經濟發展作出突出貢獻的同時，也對高速公路管理及運營的自動化、智能化提出了嚴峻的考驗。高速公路自動化管理系統一般由通信、收費、監控和供配電4個子系統組成，而通信、收費和監控系統穩定運行的基礎是供配電系統的穩定運行。
高速公路供配電監控系統對高速公路沿線的變電站內的高低壓配電設備、發電機、變壓器 、UPS、EPS 、外場照明、隧道內的理地式變壓器與照明 、通風及排水等機電設備進行實時分布式監控和集中管理 , 實現無人值守 , 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 。
高速公路供配電監控系統包括隧道變電所、服務區變電所、收費站變電所、沿線箱式變電站、互通樞紐、路燈電源、風機控制箱等區域的電力綜合監控。
二、項目需求
高速公路供配電系統傳統維護的缺點有以下幾點：
● 巡檢工作量大：由于變電所分布在幾十至幾百公里的高速公路上，需要沿高速路逐一巡查；
● 設備發生故障后上報不及時、維修效率低；
●維護、維修狀態無法實時監控，維護、維修進度無法及時督查跟蹤；
● 缺乏信息化手段進行設備管理維護，導致隱患無法及時發現；
●由于缺乏統一的監管平臺，機電設施運行狀況無法及時、準確掌握。
●無法實現綜合查詢分析，提供輔助決策支持；
● 無法即時排查電氣隱患、隱蔽工程隱患檢查難；
針對高速公路傳統維護的缺點，為了保障高速公路供配電系統的穩定運行并減少維護人員的工作量，設計了一套高速公路供配電監控系統，該系統的主要功能如下：
● 對配電房內的變壓器、開關柜電氣參數進行監控；
● 對配電房內的UPS、EPS電氣參數進行監視，當監測到UPS和EPS的電池電壓過低時，及時進行維護，避免停電后無法操作斷路器；
● 對配電房內的發電機進行監控，并對發電機油箱的油位進行實時監控，避免油位過低影響發電機正常運行，以及柴油被盜后能及時發現并報警；
● 對配電房內饋線回路的漏電電流、線纜溫度進行監測和異常報警；
● 對隧道的照明回路進行遠程控制，對隧道的引道照明回路和加強照明回路進行手動和自動控制；
● 隧道內消防疏散通道、出口有明顯的指示燈具，并可以通過不同應急預案進行緊急控制；
●根據隧道配電房內可燃氣體濃度及煙霧啟停排風風機；
●監測隧道配電房內部環境溫濕度，煙霧、甲烷等可燃氣體監測、報警及聯動控制；
● 監控軟件采用B/S架構，接入以上監測數據，通過瀏覽器、手機APP或短信等方式提供數據監測和異常報警，并可通過系統發布維保、巡檢及搶修派工任務。
三、參考標準
本方案遵循的國家標準有：
GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》
GBT 14598.300-2008《微機變壓器保護裝置通用技術要求》
GB/T 2887-2011《計算機場地通用規范》
GB50052-2009 《供配電系統設計規范》
GB/T 20965-2013《控制網絡HBES技術規范 住宅和樓宇控制系統》
GB 50116-2013《火災自動報警系統設計規范》
GB 14287-2014《電氣火災監控系統》
GB25506-2010 《消防控制室通用技術要求》
GB50116-2013《火災自動報警系統設計規范》
GB28184-2011《消防設備電源監控系統》
GB29364-2012《防火門監控器》
GB51309-2018《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》
JB/T10736-2007《低壓電動機保護器》
GB/T15576-2008《低壓成套無功功率補償裝置》
四、方案設計
根據高速公路供配電監控系統要求，方案配置綜合監控系統和子系統解決方案。
● 變電所電力監控子系統
● 電氣火災監控子系統
● 消防設備電源監控子系統
●消防應急照明和疏散子系統
● 高速公路供配電運維管理云平臺方案建立基于云平臺的“監、控、維"一體化的綜合監控系統，從數據采集、通信網絡、系統架構、聯動控制和綜合數據服務等方面的設計，解決了高速公路監控系統中存在內部干擾性強、使用單位多及協調復雜的根本問題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了高速公路基礎設施、環境和設備的使用和恢復效率。
4.1 電力監控子系統
電力監控系統主要針對隧道變電所、箱式變電站、收費站和服務區變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表、UPS、EPS和發電機進行保護和監控，主要是服務對象為高速公路供配電系統的維護人員，對實時性要求較高。
4.1.1 電力監控子系統設備選型
變電所高低壓柜主要配置如下：
4.1.2 電力監控子系統功能
●實時監測
系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態，以及有關故障、告警等信號。
●詳細電參量查詢
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、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線。
● 運行報表
查詢各回路或設備指ding時間的運行參數，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、總無功功率、正向有功電能等。
● 實時報警
電力監控系統具有實時報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發出告警。電力監控系統具有實時語音報警功能，系統能夠對所有事件發出語音告警。
● 歷史事件查詢
電力監控系統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
●電能統計報表
電力監控系統以豐富的報表體支撐量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。
● 用戶權限管理
電力監控系統為保障系統安全穩定運行，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授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
●遙控操作
電力監控系統可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。例如配電系統維護人員可以通過監控系統的主界面點擊相應的斷路器遙信點調出遙控操作界面，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。
●網絡拓撲圖
電力監控系統支持實時監視接入系統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。
4.1.3 電能質量治理
ANAPF系列有源電力濾波器通過電流互感器采集系統諧波電流，經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產生諧波電流指令，通過功率執行器件產生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入電力系統中，從而抵消非線性負載所產生的諧波電流。
產品特點：
● 補償方式靈活：既可補諧波，又可兼補無功，可對2-51次諧波進行全補償或指ding特定次諧波進行補償；
● 可治理三相不平衡；
● 線性補償，響應時間≤5ms；
● 具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統和本體的實時電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也 可以本控；
● 采用進口 IGBT，功率密度大，可靠性高；
● 采用 DSP 高速檢測和運算的數字控制系統；
● 監控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過 PC 機實時監控；
● 標準模塊化設計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。
ANSVG靜止無功發生器是一種用于補償無功、諧波治理以及不平衡調節的新型電力電子裝置；智能控制系統主動根 據系統的線性動態需求，自動調節模塊的輸出；ANSVG整機主要是由ANSVG模塊組成；能完成更大容量的無功 功率的補償，整機通過一個7寸觸摸屏實現人機交互。觸摸屏通過RS485與ANSVG模塊進行通信。
功能特點：
● 補償方式靈活：補償負載無功，濾除 5、7、9、11、13 次以內的諧波；
● 可治理三相不平衡；
● 線性補償，響應時間≤5ms；
● 具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統和本體的實時電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也 可以本控；
● 采用進口 IGBT，功率密度大，可靠性高；
● 采用 DSP 高速檢測和運算的數字控制系統；
● 監控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過 PC 機實時監控；
● 標準模塊化設計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。
4.2 電氣火災監控子系統
電氣火災監控系統作為火災自動報警系統的預警子系統，由電氣火災監控主機、電氣火災監控單元、剩余電流式電氣火災探測器以及測溫式電氣火災探測器組成，通過現場總線構成一套完整的預防電氣火災的監控系統，數據可集成至管廊監控系統。
管廊電氣火災監控系統以防火分區為單位設置，采集數據后上傳至監控主機，實現對管廊電氣安全預警。現場設置的傳感器監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，異常時實時發出報警信號。
4.2.1 電氣火災監控子系統設備選型
注：地下管廊使用的動力箱/柜符合管廊相關標準，防護等級達IP65。
4.2.2 電氣火災監控子系統功能
● 監控報警功能
監控設備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報警時發出聲、光報警信號，同時設備上紅色“報警"指示燈亮，顯示屏指示報警部位及報警類型，記錄報警時間，聲光報警一直保持，直至按設備的“復位"按鈕或觸摸屏的“復位"按鍵遠程對探測器實現復位。對于聲音報警信號也可以使用觸摸屏“消聲"按鍵手動消除。
● 控制輸出功能
當被監測回路報警時，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護電路或其他設備，當報警消除后，控制輸出繼電器釋放。
● 故障報警功能
通訊故障報警：當監控設備與所接的任一臺探測器之間發生通訊故障或探測器本身發生故障時，監控畫面中相應的探測器顯示故障提示，同時設備上的黃色“故障"指示燈亮，并發出故障報警聲音。
電源故障報警：當主電源或備用電源發生故障時，監控設備也發出聲光報警信號并顯示故障信息，可進入相應的界面查看詳細信息并可解除報警聲響。
● 報警記錄存儲查詢功能
當發生剩余電流、超溫報警或通訊、電源故障時，將報警部位、故障信息、報警時間等信息存儲在數據庫中，當報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。歷史數據提供多種便捷、快速的查詢方法。
4.3 消防設備電源監控子系統
管廊電力電纜、燃氣管線比較多，火災風險高，消防設備比較多，消防設備電源監控系統主要功能就是用于監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。
消防設備電源監控監控系統采用消防二總線，以管廊防火分區設置區域分機采集消防設備電源狀態，區域分機通過二總線接收多臺傳感器的電壓、電流信息和開關狀態信息，以此實現對消防設備電源工作狀態的實時監視。
4.3.1 消防設備監控子系統設備選型
4.3.2 消防設備監控子系統功能
● 監控功能
監控器通過RS485總線接收多臺傳感器的電壓、電流信息和開關狀態信息，以此實現對消防設備電源工作狀態的實時監視。故障時發出聲光故障報警信號。
● 控制輸出功能
當被監測回路報警時，可控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護電路或其他設備，當故障消除后，控制輸出繼電器釋放。
● 報警功能
系統故障報警：程序不能正常運行時，監控設備發出聲光報警信號。
其它故障報警：主電源或備用電源出現異常，監控設備和傳感器回路發生短路、斷路等故障，或者傳感器發出被檢測電源的各種故障信號時，監控設備發出聲光報警信號。
● 記錄存儲查詢功能
當發生過壓、欠壓、錯相、過流故障報警或通訊、電源故障時，系統將故障報警部位、故障信息、故障報警時間等信息存儲在數據庫中，當故障報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。
● 主備電源切換功能
當主電源發生停電、欠壓等故障時，監控設備可自動切換到備用電源工作；當主電源恢復正常供電時，自動切回到主電源，切換過程中保證監控設備連續平穩運行。
4.4 消防應急照明和疏散指示系統
高速公路的隧道距離比較長，空間狹小，200米設置一個防火分區，一旦發生火災，通過消防應急照明和疏散指示燈具指引快速疏散。
每個防火分區燈具數量較少，但是距離比較長，在每個防火分區設置小功率集中電源，通過光纖和控制器通訊，由于高速公路特殊環境，燈具需要具備IP65以上防護等級。
4.4.1 消防應急照明和疏散指示系統設備選型
4.4.2 消防應急照明和疏散指示系統功能
● 消防聯動
本系統與火災自動報警系統無縫對接，當發生火災時，及時得到火災信息，系統自動生成逃生路線。同時也可以通過自動和手動兩種方式進入應急狀態。
● 故障報警
本系統采用消防二總線將具有通信功能的設備和燈具相互連接起來，當監控系統中的設備及燈具發生短路、斷路等故障時，控制器能發出故障報警信號，指示故障報警地點并保存故障報警信息，至大限度地保障了電氣安全的可靠性。
● 系統監控
控制器可對系統內部的所有組件工作狀態進行24小時監控，實時檢測其工作狀態是否正常，包括集中電源、分配電裝置、燈具，火災報警時，能迅速發出指令，控制燈具的顯示狀態。
● 系統自檢
自動檢查控制器中所有狀態指示燈、顯示屏、喇叭、打印機是否正常。自檢功能分為常規自檢、月檢和年檢，定期檢查電路故障，消除安全隱患。常規自檢方式為所有指示燈閃亮、顯示器、音響器件發聲；月檢方式為上電24H后，每隔30天應急工作30~180秒；年檢方式為每年應急工作時間不少于30min。
● 記錄查詢
當系統發生應急啟動、故障等事件時，控制器能自動記錄事件類型，事件發生時間，事件發生區域以及事件的詳細信息，可在日志記錄中自定義查詢日期及范圍，控制器能存儲事件記錄超過10000條。
● 導光流控制器可通過軟件界面設置燈具順序閃亮的頻率，2～32Hz可設。
五、高速公路供配電監控云平臺
高速公路監控中心主要任務為確保高速公路路的各個子系統及操控設備能正常運轉，并在發生事故時能迅速反應處理，因此高速公路監控中心就是整個高速公路安全管控系統的神經中樞，通過自動化監視與偵測設備，將高速公路上任一設備的狀況迅速傳遞收集于監控中心中，使管理人員可以隨時輕易的掌握所有情況。
系統采集高速公路供電系統內各個智能設備的信息，有異常時通過短信或APP推送報警信號，并且可以派發工單，并且進行跟蹤閉環處理。
5.1 平臺登錄
軟件采用B/S架構，用瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。
5.2 平臺導航
平臺主頁顯示用戶管理變配電站的概況，包括用能月報、選定的變配電站狀態、變壓器狀態、運維中心、看板。
● 變電站狀態
變電站狀態包括概況、運行狀態、當日事件記錄、當日逐時用電曲線、用電概況。
● 變壓器狀態
變壓器狀態支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態數據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。
● 運維中心
運維中心展示當前用戶管理的有關變電所在地圖上位置及總量信息。
5.3 電力監測
電力監測包括電力數據、變壓器監測、運行報表、配電圖、電力極值表、運行日報、平均功率因數監視和統計頁面。
5.4 用電分析
用電分析包括用能報表、同比分析、環比分析、電能集抄、計量及線路損耗。
● 用能報表
用能報表顯示各回路的用能數據，包括日報、月報、年報，日報顯示分時用能，月報顯示分日用能，年報顯示分月用能，報表可以導出。
5.5 事件記錄
事件記錄方便運維人員查看分析設備如斷路器合分、門開門關、電流電壓越限告警、煙霧報警、氣體濃度越限報警、浸水報警、故障告警、短信志、平臺運行日志等記錄。
5.6 安全用電
安全用電包括漏電監測和線纜溫度監測。
● 漏電監測
漏電監測展示選中變配電站的漏電流和線纜溫度及報警狀況。
● 線纜溫度監測
線纜溫度監測界面展示了選中變配電站的線纜溫度，選中需查看的監測點，點擊查詢可以查看線纜溫度的歷史數據
5.7 運行環境
運行環境包括環境監測、視頻監控、環境溫濕度、儀表通訊狀態、網關通信狀態、視頻監控、視頻設備狀態等。
● 環境監測
環境監測展示了變配電站內的環境狀態，包括環境溫濕度、水浸、煙霧、門狀態等信息。
● 視頻監控
視頻監控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。
● 環境溫濕度
環境溫濕度展示變電所內儀表記錄的環境溫濕度信息，并可導出為excel。
● 視頻設備狀態
視頻設備狀態展示了變電所內視頻設備的在線情況。
5.8 設備控制
設備控制包括遙控定義、照明控制以及控制操作日志。
● 照明控制
照明控制可以控制燈泡的亮滅，選擇“變配電站"，點擊勾選要控制的設備，點擊“控制"按鈕，在彈出層選擇設備狀態，點擊“確定"。
5.9 設備管理
設備管理包括設別定義、設備檔案和設備報表，在設備檔案中對變電所設備進行維護處理。
● 設備檔案
設備檔案中選擇變電所，對設備定義的模板進行導入 ，有新增、修改、刪除、復制等操作，對變電所設備進行維護管理。
● 設備報表
設備報表展示了各個變電所的設備狀況，并根據設備檔案中填寫的安裝時間和質保期得出建議更換時間，并在舉例建議更換時間7天內提示用戶更換設備。
5.10 運維管理
運維管理包括任務管理、巡檢記錄、缺陷記錄三部分，其中任務管理可以完成任務的創建、發布、任務完成情況查詢；巡檢記錄是巡檢任務的執行情況和執行明細，缺陷記錄是消缺任務創建、發布、完成狀態情況查詢。
● 任務管理
任務管理頁面可以發布巡檢或消缺任務，查看巡檢或消缺任務的狀態和完成情況，可以點擊查看任務查看具體的巡檢信息。
● 巡檢記錄
巡檢記錄顯示了巡檢任務的完成情況，以及巡檢詳情。
● 缺陷記錄
缺陷記錄記錄了各個變電所運維巡檢過程中上傳的缺陷信息。
5.11 APP支持
電力運維手機支持“監控系統"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"、“缺陷記錄"、“文檔管理"和“用戶報告"七大模塊，支持一次圖、需量、極值、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、用戶報告、文檔管理等。
六、典型案例
6.1 荔浦至玉林段高速公路配電工程
荔玉高速公路是《廣西高速公路網規劃》“四縱六橫三支線"布局中“縱二"荔浦至鐵山港高速公路的組成部分，也是國家高速公路網G59廣西境段重要組成部分。項目建成后，將成為桂林、梧州、玉林通往北海、湛江等沿海城市便捷的高速公路通道，對于加快區域一體化步伐、促進經濟社會發展具有重要意義。荔玉高速公路全長261.7公里，設計標準為雙向四車道，工程內容包括：橋梁198座，隧道14座，涵洞、通道1759道，互通式立交20處，服務區5對。
本次針對荔浦至玉林高速公路配電工程項目中不同保護對象配置不同微機保護裝置，10kV進線柜配置AM5-F線路保護裝置，共22只；10kV變壓器出線柜配置AM5-T變壓器保護裝置，共22只。0,4KV配電房，配置了PZ96L系列的多功能儀表800只；本工程10kV配電工程共有16個隧道變電所，為實時監視整個配電室的運行以及數據采集，該項目配置一套Acrel-2000Z電力監控系統，主要實現對荔浦至玉林高速公路各個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、無功補償、發電機控制屏、油箱液位儀、水泵運行狀態和水位、風機軟啟動器和照明控制器。本系統由用戶管理層、網絡通信層、現場設備層三部分組成，現場設置的電能表采用屏蔽雙絞線連接至各分區數據采集器，各分區數據采集器將數據分類處理后，通過網線連接至局域網交換機上傳至電力監控系統主機，實現電力設備集中監控功能。
6.2 廣西崇左至水口高速電力監控系統
廣西崇左到水口高速全線全長94.053公里，設置橋梁27座，隧道2座（其中特長隧道1座），互通式立交6處，服務區2處，停車區1處，管理分中心1處，主線收費站1處，匝道收費站3處。設置了變電所共8個變電站。監控儀表：微機保護裝置AM5-F：7臺、AM5-T：9臺，電力參數監控儀PZ96L-E4/HKC 23臺，電力參數監控儀PZ80L-E4/KC 172臺， EPS電源柜7臺，UPS電源柜2臺，柴油發電機組6臺。監控主機位于監控中心。
本系統由用戶管理層、網絡通信層、現場設備層三部分組成，現場設置的綜保、微機保護裝置、電能表、變壓器溫控儀、EPS、UPS、無功補償、發電機控制屏、油箱液位儀采用屏蔽雙絞線連接至各配電房的通訊管理機，各配電房的通訊管理機將數據分類處理后，通過網線連接至高速公路局域網交換機上傳至電力監控系統主機，實現電力設備集中監控功能。
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