摘 要：隨著高速公路數(shù)量和高速公路沿線的機電設(shè)備的增加，傳統(tǒng)的人工管理高速公路沿線機電設(shè)備的方式已遠遠不能滿足高速公路交通安全暢通的要求。高速公路向著智能化和電力化發(fā)展的今天，電力控制智能化技術(shù)逐漸得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，不僅促進了高速公路運輸能力的增強，實現(xiàn)高速公路使用壽命的延長。同時新能源的發(fā)展，分布式光伏在高速公路的鋪設(shè)，增加了高速供電的多樣性，也加劇了高速供電可靠的壓力。因此本文設(shè)計提供一套包括光伏監(jiān)測、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(shù)服務(wù)的一體化能源管理系統(tǒng)，以保障高速公路沿線的安全性、合理性用電和可靠性。

關(guān)鍵詞：高速公路；智能化；分布式光伏；供電可靠

1 概述

濟南至濰坊高速公路項目，項目全長162公里，設(shè)計速度120公里/小時，雙向六車道，路基寬34.5米。設(shè)隧道10座，特大橋11座，大橋30座，互通立交20 處、服務(wù)區(qū)3處、養(yǎng)護工區(qū)4處、監(jiān)控通信分中心3處、匝道收費站15 處、互通立交連接線4處。濰坊至青島連接線項目，項目全長47公里，設(shè)計速度120公里/小時，雙向六車道，設(shè)特大橋2座、大橋14座、互通立交7處、服務(wù)區(qū)1處、養(yǎng)護工區(qū)1處、監(jiān)控通信分中心61處、匝道收費站4處。上述兩個項目合稱濟青中線項目。

本項目中包含智慧供電的主要光伏棚洞上設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電交流并網(wǎng)為隧道照明系統(tǒng)提供電力能源，節(jié)省隧道后期運營費用。馬家峪隧道進一步提高光伏發(fā)電利用效率，設(shè)置為光伏直流電源直供隧道照明燈具，更大限度的利用光伏綠色能源。

另一方面，部分隧道變電所萬昌溜隧道出口、雙子山隧道出口、馬鞍山隧道出口采用模塊化預(yù)裝式變電站，包含變電站綜合能源管控系統(tǒng)，為隧道的智慧供配電保駕護航；同時預(yù)制模塊化縮短施工工期，保證施工質(zhì)量，節(jié)約洞口占地面積，適用于洞口空間狹小的隧道。

2 項目方案

2.1項目需求

監(jiān)控系統(tǒng)功能要求

數(shù)據(jù)采集功能：采集監(jiān)測線路的電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率；采集變壓器溫度等；采集監(jiān)測斷路器狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)信號。

屏幕顯示功能：畫面美觀、清晰、色彩鮮明柔和，窗口界面風(fēng)格統(tǒng)一；顯示畫面可以多窗口顯示；顯示一次結(jié)線圖實時工況，遙測參數(shù)表（帶限值），曲線（負荷曲線、電壓曲線等），具有歷史數(shù)據(jù)的圖表顯示功能。

報表打印功能：系統(tǒng)具有簡單、方便、靈活的報表生成子程序，可以打印多種類型的日、月、年報表，日報表可以保存一月，月報表可以保存一年，年報表可以保存十年。

事件記錄和追憶功能：系統(tǒng)對開關(guān)跳、合閘可以記錄打印，相應(yīng)顯示畫面變色、閃光、報警，屏幕顯示事件信息；系統(tǒng)對模擬量產(chǎn)生越限值時，可以打印記錄并報警；系統(tǒng)具有事件追憶功能；系統(tǒng)自動記錄所發(fā)生的各類事件，便于操作人員了解供配電系統(tǒng)歷史情況；系統(tǒng)應(yīng)具備潮流分析表。

人機會話功能：操作界面非常友好，菜單操作，重要操作有口令要求；操作界面全漢化；語音報警。

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(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。變電所通過本路段高速公路主干通信網(wǎng)絡(luò)，把電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?yīng)的路段監(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(shù)要求：

在各變電所/箱變設(shè)置一臺智能通訊管理機，負責(zé)實現(xiàn)變電所/箱變內(nèi)各監(jiān)控設(shè)備的通訊管理、信號傳輸?shù)裙δ堋Ｆ渲饕δ苋缦隆?/p>

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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(yù)先埋設(shè)的溫度傳感器和相應(yīng)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)進行監(jiān)測。

高壓 PT：設(shè)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(yīng)的開關(guān)量輸入。至少5路開關(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RS485通信接口。

3）ARD低壓馬達保護

對電動機運行過程中出現(xiàn)的起動超時、過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、阻塞、短路、外部故障等多種情況進行保護，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護人員查找故障原因。保護器需具有RS485遠程通訊接口，DC4～20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實現(xiàn)電動機運行的遠程監(jiān)控。

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(luò)開關(guān)柜等，對相應(yīng)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(guān)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(guān)（低壓斷路器含電操等自動機構(gòu)）進行遠程分合閘控制。

出線回路：對 0.4KV 低壓開關(guān)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(dāng)?shù)仫@示，隨時了解供電回路的負荷情況；并監(jiān)視開關(guān)位置信號、回路分合閘狀態(tài)等。

2.3產(chǎn)品上圖方案

本工程10kV/0.4kV配電工程共有18個變電所，以馬家峪隧道1#變電所為例，上圖方案如下：

圖1馬家峪隧道1#變電所10kV上圖方案

圖2馬家峪隧道1#變電所0.4kV上圖方案

2.4產(chǎn)品明細

整個高速公路項目共有18個變電所，各變電所所設(shè)產(chǎn)品類型及數(shù)量如下：

上述所有變電所共計71臺微機保護裝置AM4，272臺電力儀表AMC96L，666臺電力儀表AMC72L，324臺馬達保護ARD2M，18個ANET網(wǎng)關(guān)，1套電力監(jiān)控系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)組網(wǎng)

項目通過AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效系統(tǒng)，主要實現(xiàn)實現(xiàn)實時大屏顯示各個配電場景情況，對濟南至濰坊高速公路沿線的變電站內(nèi)的高低壓配電設(shè)備、微機保護裝置、電能表、馬達保護、變壓器、EPS、UPS、柴發(fā)、紅外測溫和光伏發(fā)電等進行實時分布式監(jiān)控和集中管理。本系統(tǒng)由用戶管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層、現(xiàn)場設(shè)備層三部分組成，現(xiàn)場設(shè)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)交換機上傳至高速公路綜合能效系統(tǒng)主機，實現(xiàn)綜合能效管理功能。

圖3 系統(tǒng)拓撲圖

4 系統(tǒng)功能

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(dāng)前的總功率和當(dāng)日的總用電，也可監(jiān)測網(wǎng)關(guān)、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(dāng)日發(fā)電量；還有運維任務(wù)的情況，代辦、在辦、辦畢的個數(shù)，統(tǒng)計出任務(wù)完成率；報警情況統(tǒng)計，統(tǒng)計出報警程度的分布情況，報警滾動顯示，平臺當(dāng)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(guān)配電圖畫面顯示，使整條高速公路的配電系統(tǒng)一圖掌握。

3)光伏監(jiān)測：以配電圖的形式直觀顯示光伏電站的運行狀態(tài)， 實時監(jiān)測各逆變器的電壓、電流、輸出功率等電參量。展示當(dāng)前光伏電站發(fā)電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數(shù)。統(tǒng)計當(dāng)前光伏電站的日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

圖4 發(fā)電效率監(jiān)測圖

逆變器狀態(tài)：日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益顯示。顯示逆變器功率、環(huán)境輻照度曲線。直流側(cè)電壓電流查詢。逆變器曲線分析：展示交、直流側(cè)電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

圖5 逆變器狀態(tài)監(jiān)測圖

4)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(guān)、地刀等合、分閘狀態(tài)。
5)環(huán)境監(jiān)測：氣體、煙感、水浸、紅外雙鑒、視頻、氣候、視頻監(jiān)測風(fēng)機/空調(diào)/水泵控制、聲光報警。

圖6 環(huán)境監(jiān)測圖

6)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。
7)運行報表：查詢各回路或設(shè)備時間的運行參數(shù)，報表中顯示電參量信息應(yīng)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

8)實時告警：能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x開關(guān)、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。

圖8 事件告警界面

9)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(guān)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(chǔ)。

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(quán)限管理：設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能，通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)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(quán)限的權(quán)限組（如管理員組、工程師組、操作員組等），在每個權(quán)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)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(shè)備進行遠程遙控操作。

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

5 結(jié)語

高速公路隧道的供配電系統(tǒng)在整個高速公路的正常運行中具有十分重要的地位和重要的價值，因此保障高速公路隧道供配電系統(tǒng)的正常運行是高速公路建設(shè)的重中之重。AcrelEMS-HIM高速公路綜合能效管理系統(tǒng)除對高速公路沿線變電所內(nèi)的配電設(shè)備、發(fā)電機、變壓器、UPS、EPS等進行實時分布式監(jiān)控和集中管理外，還對高速公路上的分布式光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和逆變器狀態(tài)等實時監(jiān)測，并結(jié)合環(huán)境進行光功率預(yù)測，使高速公路子在保證供電多樣性和節(jié)能的前提下，高速公路沿線供電可靠穩(wěn)定，確保高速公路安全暢通, 提高自動化管理水平, 降低機電設(shè)備的運行維護成本。