【产品知识】公路项目的电气设备的选型

 

未晓妃

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

1 高速公路机电系统设备特点及现状

1.1高速公路机电系统设备特点

（1）系统技术集成度高：高速公路机电系统具有较高的集成度，交叉运用了电子、自动控制、通信、电路以及交通机械等多学科技术，从而为该系统的稳定运行奠定了基础。

（2）设备分布范围广，涉及面较大：机电设备广泛分布于高速公路的收费站、沿线隧道及管理场所等地，正因为分布范围广，才对信息传递的时效性、准确性有很高的要求。

（3）设备故障率高，更新速度快：设计该管理系统，采用了多项技术，及时进行技术的更新换代，才能保证机电设备正常稳定运行，为高速公路的畅通运行提供坚实的保障。

1.2高速公路机电设备管理系统的现状

  近年来，高速公路通车总里程不断攀升，配套机电设备的使用量也与日俱增，得益于科学技术的不断发展，各种新设备也层出不穷，并得到广泛的应用。针对不同类型的机电设备，其维修方式也存在一定的差异，可将其划分为如下3种模式：

（1）事后维修模式：该模式的维修难度低且成本低，但时效性较差，在判断机电设备出现问题后，才开始维修，无法及时维修机电设备，影响设备的正常使用。

（2）预防维修模式：该模式是通过制定例行巡检划，运用相关技术制定并实施有效的预防措施，避免电设备出现故障。其优点在于采取预防措施，消除故障隐患，将机电设备出现故障的概率降到*低，其缺点是需要定期巡检，消耗较高的人力物力。

（3）生产维修模式：①该模式在机电设备管理系统中已得到广泛应用，涵盖了预防、事后维修模式，同时还对维修模式进行了创新发展，在机电设备的设计阶段，就已将其稳定性内容综合考虑在内，立足于常规保养，实现统筹维修，兼具各种维修模式的优点。②机电设备的管理具有一定的周期，可据此将设备生产维修划为设置阶段和维持阶段，前一阶段的主要内容侧重于设备的规划、设计以及交付运行方面的内容，主要是在施工环节的主要性能实现，后一阶段的内容包含设备交付后的使用、运维以及报废等内容，主要是在使用环节开展维保工作。

2 高速公路机电设备存在的问题

  高速公路机电设备管理主要有日常维护、定期巡检、问题排查以及系统升级等，管理内容较多，且具有较高的难度。机电设备管理方面，因为维修规范制度内容不合理、专*度较低等问题，导致设备管理标准不一致、内容不规范，管理手段不*面，各类机电设备不能发挥*大效率。

（1）机电设备管理具有较高的专*度，各类网络、电力、自动化及通信设备属于其管理范围，设备的维护保养，要提升工作效果，配备具有一定专*技能的工作人员。现阶段，还未建立起科学完整的机电设备管理系统，管理工作水平较低，工作人员专*技能参差不齐，且人员配备不足，严重影响公路机电设备的正常维修保养。为解决上述问题，要求规范维修作业标准，组建专*的人员队伍，配备充足的人员数量。此外，因为公路机电设备使用量越来越多，道路汽车通行量快速增加，需要进行大规模的系统升级，但机电系统扩容、技术升级等方面，缺乏统一、规范的标准。公路机电设备投入使用几年后，其设计能力就已无法满足现实需求，开展系统扩容与升级

（2）设备管理系统的智能化、信息化程度较低，由于未搭建完备的数据库，设备入库信息不完整，无法有效管控各类数据信息，信息资源的价值不能充分体现出来。

（3）机电设备运转过程中，自动检测系统有时未开启，致使无法准确及时检测公路交通状况，安全隐患较大，予以解决。

（4）未实现对机电设备的全生命周期过程管理，因为没有运用现代化信息技术，无法快速获取机电设备的使用年限、故障频次及维修时间等内容信息。

（5）还未共享各类资源，不能形成合力。采购使用的机电设备不同，需要采用不同的维修技术，按路段划分机电设备维修任务，工作人员有各自分工，只负责维修某段公路的机电设备。维修技术及资源不能交流共享，严重影响到设备维修工作的质量。

3 智能化高速公路机电设备管理系统的提出

  现阶段，高速公路机电设备系统主要有收费、通信、监控及供电系统构成，各个系统发挥着各自作用，服务于高速公路的正常通行。该文以某高速公路为研究对象，设计出高速公路机电设备智能管理系统，公路总里程为3.452km，设置有238个收费站，78对高速服务区，沿线共有15座隧道，配套安装有十万多套机电设备。结合该路段的实际情况，制定科学的机电设备系统管理维护模式，主要为自行维护，辅以专*维护。

4 智能化高速公路机电设备管理系统的实测

  通过具体分析该系统的维护管理功能模块可知，在设备操作者遇到设备故障问题时管理系统会及时将故障信息传送至设备维修人员，后者在管理系统页面填写保修单提交资料后，开展机电设备维修工作。

  设备管理系统的维修模块中，设计有各种功能表单，用于设备故障报修、派修、维修以及费用核算等，具体流程维修流程如下：

（1）设备出现故障后，需要在管理系统中报修，填报故障出现时间、故障表现及所处位置等信息。

（2）录入完信息后，会向工作人员出具派修单，接收到后开始维修工作，并将维修信息填在维修单上，主要内容为维修时间、采用的方式、工作结果及完工时间等。

（3）系统接收到工作人员填报的维修单后，会审核其内容结果，而且有专人对维修工作进行全过程监督，并对维修结果进行检查，评价维修工作成效。

（4）机电设备维修工作结束后，期间产生的各项费用，系统会做统一的核算确认，核定之后，各项费用明细及类别会在管理系统中显示，同时工作人员的工作成果、工作态度评价信息也能在管理系统中查询。

  通过开展设备管理系统实测可知，运用该系统，一方面能快速排查机电设备的故障问题，做好故障隐患预防，减少出现的概率。另一方面当设备出现问题后，能快速响应并实施维修，设备的运转效率得到明显提升，确保高速公路安全畅通。此外，还可准确监控设备修的费用支出，提高维修费用的实效，杜绝额外开支。

5 高速公路供配电监控系统

5.1概述

  近年来，我国的高速公路发展非常迅速，已形成遍布全国的高速公路网，它在对国家经济发展作出突出贡献的同时，也对高速公路管理及运营的自动化、智能化提出了严峻的考验。高速公路自动化管理系统一般由通信、收费、监控和供配电4个子系统组成，而通信、收费和监控系统稳定运行的基础是供配电系统的稳定运行。

  高速公路供配电监控系统对高速公路沿线的变电站内的高低压配电设备、发电机、变压器、UPS、EPS、外场照明、隧道内的理地式变压器与照明、通风及排水等机电设备进行实时分布式监控和集中管理,实现无人值守,确保高速公路安全畅通,提高自动化管理水平,降低机电设备的运行维护成本。

  高速公路供配电监控系统包括隧道变电所、服务区变电所、收费站变电所、沿线箱式变电站、互通枢纽、路灯电源、风机控制箱等区域的电力综合监控。

图1高速公路监控对象

5.2方案设计

  根据高速公路供配电监控系统要求，方案配置综合监控系统和子系统解决方案。

变电所电力监控子系统

电气火灾监控子系统

消防设备电源监控子系统

消防应急照明和疏散子系统

高速公路供配电运维管理云平台

  方案建立基于云平台的“监、控、维”一*化的综合监控系统，从数据采集、通信网络、系统架构、联动控制和综合数据服务等方面的设计，解决了高速公路监控系统中存在内部干扰性强、使用单位多及协调复杂的根本问题，大大提高了系统运行的可靠性和可管理性，提升了高速公路基础设施、环境和设备的使用和恢复效率。

高速公路供配电监控监控系统

5.3电力监控子系统

  电力监控系统主要针对隧道变电所、箱式变电站、收费站和服务区变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表、UPS、EPS和发电机进行保护和监控，主要是服务对象为高速公路供配电系统的维护人员，对实时性要求较高。

1）电力监控子系统设备选型

变电所高低压柜主要配置如下：

2）电力监控子系统功能

实时监测

系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

详细电参量查询

  在配电一次图中，可以直接查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线。

运行报表

  查询各回路或设备时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等.

实时报警

  电力监控系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸等事件发出告警。电力监控系统具有实时语音报警功能，系统能够对所有事件发出语音告警。

历史事件查询

  电力监控系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

电能统计报表

  电力监控系统以丰富的报表体支撑量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。

用户权限管理

  电力监控系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

遥控操作

  电力监控系统可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。例如配电系统维护人员可以通过监控系统的主界面点击相应的断路器遥信点调出遥控操作界面，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

网络拓扑图

  电力监控系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

3）电能质量治理

  ANAPF系列有源电力滤波器通过电流互感器采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。

产品特点：

补偿方式灵活：既可补谐波，又可兼补无功，可对2-51次谐波进行全补偿或特定次谐波进行补偿；

可治理三相不平衡；

线性补偿，响应时间≤5ms；

具有人性化的人机交互界面，可通过该界面看到系统和本体的实时电能质量信息，操作简单，可以远控，也可以本控；

采用进口IGBT，功率密度大，可靠性高；

采用DSP高速检测和运算的数字控制系统；

监控以及显示具备远程通讯接口，可以通过PC机实时监控；

标准模块化设计，缩短交付周期，同时提高了使用的可靠性和可维护性。

  ANSVG静止无功发生器是一种用于补偿无功、谐波治理以及不平衡调节的新型电力电子装置；智能控制系统主动根据系统的线性动态需求，自动调节模块的输出；ANSVG整机主要是由ANSVG模块组成；能完成更大容量的无功功率的补偿，整机通过一个7寸触摸屏实现人机交互。触摸屏通过RS485与ANSVG模块进行通信。

功能特点：

补偿方式灵活：补偿负载无功，滤除5、7、9、11、13次

以内的谐波；

可治理三相不平衡；

线性补偿，响应时间≤5ms；

具有人性化的人机交互界面，可通过该界面看到系统和本体的实电能质量信息，操作简单，可以远控，也可以本控；

采用进口IGBT，功率密度大，可靠性高；

采用DSP高速检测和运算的数字控制系统；

监控以及显示具备远程通讯接口，可以通过PC机实时监控；

标准模块化设计，缩短交付周期，同时提高了使用的可靠性和可维护性。

5.6电气火灾监控子系统

  电气火灾监控系统作为火灾自动报警系统的预警子系统，由电气火灾监控主机、电气火灾监控单元、剩余电流式电气火灾探测器以及测温式电气火灾探测器组成，通过现场总线构成一套完整的预防电气火灾的监控系统，数据可集成至高速公路监控系统。

  高速公路电气火灾监控系统以防火分区为单位设置，采集数据后上传至监控主机，实现对高速公路电气安全预警。现场设置的传感器监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，异常时实时发出报警信号。

1）电气火灾监控子系统设备选型

监控报警功能

  监控设备能接收多台探测器的剩余电流、温度信息，报警时发出声、光报警信号，同时设备上红色“报警”指示灯亮，显示屏指示报警部位及报警类型，记录报警时间，声光报警一直保持，直至按设备的“复位”按钮或触摸屏的“复位”按键远程对探测器实现复位。对于声音报警信号也可以使用触摸屏“消声”按键手动消除。

控制输出功能

  当被监测回路报警时，控制输出继电器闭合，用于控制被保护电路或其他设备，当报警消除后，控制输出继电器释放。

故障报警功能

  通讯故障报警：当监控设备与所接的任一台探测器之间发生通讯故障或探测器本身发生故障时，监控画面中相应的探测器显示故障提示，同时设备上的黄色“故障”指示灯亮，并发出故障报警声音。

电源故障报警

  当主电源或备用电源发生故障时，监控设备也发出声光报警信号并显示故障信息，可进入相应的界面查看详细信息并可解除报警声响。

报警记录存储查询功能

  当发生剩余电流、超温报警或通讯、电源故障时，将报警部位、故障信息、报警时间等信息存储在数据库中，当报警解除、排除故障时，同样予以记录。历史数据提供多种便捷、快速的查询方法。

5.7消防设备电源监控子系统

  高速公路电力电缆、燃气管线比较多，火灾风险高，消防设备比较多，消防设备电源监控系统主要功能就是用于监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。

  消防设备电源监控监控系统采用消防二总线，以高速公路防火分区设置区域分机采集消防设备电源状态，区域分机通过二总线接收多台传感器的电压、电流信息和开关状态信息，以此实现对消防设备电源工作状态的实时监视。

5.7.1消防设备监控子系统设备选型

5.7.2消防设备监控子系统功能

监控功能

  监控器通过RS485总线接收多台传感器的电压、电流信息和开关状态信息，以此实现对消防设备电源工作状态的实时监视。故障时发出声光故障报警信号。

控制输出功能

  当被监测回路报警时，可控制输出继电器闭合，用于控制被保护电路或其他设备，当故障消除后，控制输出继电器释放。

报警功能

系统故障报警：程序不能正常运行时，监控设备发出声光报警信号。

其它故障报警：主电源或备用电源出现异常，监控设备和传感器回路发生短路、断路等故障，或者传感器发出被检测电源的各种故障信号时，监控设备发出声光报警信号。

记录存储查询功能

  当发生过压、欠压、错相、过流故障报警或通讯、电源故障时，系统将故障报警部位、故障信息、故障报警时间等信息存储在数据库中，当故障报警解除、排除故障时，同样予以记录。

主备电源切换功能

  当主电源发生停电、欠压等故障时，监控设备可自动切换到备用电源工作；当主电源恢复正常供电时，自动切回到主电源，切换过程中保证监控设备连续平稳运行。

5.8消防应急照明和疏散指示系统

  高速公路的隧道距离比较长，空间狭小，200米设置一个防火分区，一旦发生火灾，通过消防应急照明和疏散指示灯具指引快速疏散。

  每个防火分区灯具数量较少，但是距离比较长，在每个防火分区设置小功率集中电源，通过光纤和控制器通讯，由于高速公路特殊环境，灯具需要具备IP65以上防护等级。

5.8.1消防应急照明和疏散指示系统设备选型

消防联动

  本系统与火灾自动报警系统无缝对接，当发生火灾时，一时间得到火灾信息，系统自动生成逃生路线。同时也可以通过自动和手动两种方式进入应急状态。

故障报警

  本系统采用消防二总线将具有通信功能的设备和灯具相互连接起来，当监控系统中的设备及灯具发生短路、断路等故障时，控制器能发出故障报警信号，指示故障报警地点并保存故障报警信息，*大限度地保障了电气安全的可靠性。

系统监控

  控制器可对系统内部的所有组件工作状态进行24小时监控，实时检测其工作状态是否正常，包括集中电源、分配电装置、灯具，火灾报警时，能迅速发出指令，控制灯具的显示状态。

系统自检

  自动检查控制器中所有状态指示灯、显示屏、喇叭、打印机是否正常。自检功能分为常规自检、月检和年检，定期检查电路故障，消除安全隐患。常规自检方式为所有指示灯闪亮、显示器、音响器件发声；月检方式为上电24H后，每隔30天应急工作30~180秒；年检方式为每年应急工作时间不少于30min。

记录查询

  当系统发生应急启动、故障等事件时，控制器能自动记录事件类型，事件发生时间，事件发生区域以及事件的详细信息，可在日志记录中自定义查询日期及范围，控制器能存储事件记录超过10000条。

导光流

  控制器可通过软件界面设置灯具顺序闪亮的频率，2～32Hz可设。

6 高速公路供配电监控云平台

  高速公路监控中心中，使管理人员可以随时轻易的掌握所有情况。

  系统采集高速公路供电系统内各个智能设备的信息，有异常时通过短信或APP推送报警信号，并且可以派发工单，并且进行跟踪闭环处理。

6.1.平台登录

  软件采用B/S架构，用浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

6.2.平台导航

平台主页显示用户管理变配电站的概况，包括用能月报、选定的变配电站状态、变压器状态、运维中心、看板。

变电站状态

变电站状态包括概况、运行状态、当日事件记录、当日逐时用电曲线、用电概况。

变压器状态

变压器状态支持用户查询所有或某个站所的变压器功率、负荷率、等运行状态数据，支持按负荷率、功率等升、降序排名。

运维中心

运维中心展示当前用户管理的有关变电所在地图上位置及总量信息。

6.3.电力监测

电力监测包括电力数据、变压器监测、运行报表、配电图、电力*值表、运行日报、平均功率因数监视和统计页面。

6.4.用电分析

用电分析包括用能报表、同比分析、环比分析、电能集抄、计量及线路损耗。

用能报表

用能报表显示各回路的用能数据，包括日报、月报、年报，日报显示分时用能，月报显示分日用能，年报显示分月用能，报表可以导出。

6.5.事件记录

事件记录方便运维人员查看分析设备如断路器合分、门开门关、电流电压越限告警、烟雾报警、气体浓度越限报警、浸水报警、故障告警、短信志、平台运行日志等记录。

6.6.安全用电

安全用电包括漏电监测和线缆温度监测。

漏电监测

漏电监测展示选中变配电站的漏电流和线缆温度及报警状况。

线缆温度监测

线缆温度监测界面展示了选中变配电站的线缆温度，选中需查看的监测点，点击查询可以查看线缆温度的历史数据

6.7.运行环境

运行环境包括环境监测、视频监控、环境温湿度、仪表通讯状态、网关通信状态、视频监控、视频设备状态等。

环境监测

环境监测展示了变配电站内的环境状态，包括环境温湿度、水浸、烟雾、门状态等信息。

视频监控

视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

环境温湿度

环境温湿度展示变电所内仪表记录的环境温湿度信息，并可导出为excel。

视频设备状态

视频设备状态展示了变电所内视频设备的在线情况。

6.8.设备控制

设备控制包括遥控定义、照明控制以及控制操作日志。

照明控制

照明控制可以控制灯泡的亮灭，选择“变配电站”，点击勾选要控制的设备，点击“控制”按钮，在弹出层选择设备状态，点击“确定”。

6.9.设备管理

设备管理包括设别定义、设备档案和设备报表，在设备档案中对变电所设备进行维护处理。

设备档案

设备档案中选择变电所，对设备定义的模板进行导入，有新增、修改、删除、复制等操作，对变电所设备进行维护管理。/

设备报表

设备报表展示了各个变电所的设备状况，并根据设备档案中填写的安装时间和质保期得出建议更换时间，并在举例建议更换时间7天内提示用户更换设备。

6.10.运维管理

运维管理包括任务管理、巡检记录、缺陷记录三部分，其中任务管理可以完成任务的创建、发布、任务完成情况查询；巡检记录是巡检任务的执行情况和执行明细，缺陷记录是消缺任务创建、发布、完成状态情况查询。

任务管理

任务管理页面可以发布巡检或消缺任务，查看巡检或消缺任务的状态和完成情况，可以点击查看任务查看具体的巡检信息。

巡检记录

巡检记录显示了巡检任务的完成情况，以及巡检详情。

缺陷记录

缺陷记录记录了各个变电所运维巡检过程中上传的缺陷信息。

6.11.APP支持

电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”、“缺陷记录”、“文档管理”和“用户报告”七大模块，支持一次图、需量、*值、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询、用户报告、文档管理等。

7.典型案例

1）荔浦至玉林段高速公路配电工程

  荔玉高速公路是《广西高速公路网规划》“四纵六横三支线”布局中“纵二”荔浦至铁山港高速公路的组成部分，也是国家高速公路网G59广西境段重要组成部分。项目建成后，将成为桂林、梧州、玉林通往北海、湛江等沿海城市*便捷的高速公路通道，对于加快区域一*化步伐、促进经济社会发展具有重要意义。荔玉高速公路全长261.7公里，设计标准为双向四车道，工程内容包括：桥梁198座，隧道14座，涵洞、通道1759道，互通式立交20处，服务区5对。

  本次针对荔浦至玉林高速公路配电工程项目中不同保护对象配置不同微机保护装置，10kV进线柜配置AM5-F线路保护装置，共22只；10kV变压器出线柜配置AM5-T变压器保护装置，共22只。0,4KV配电房，配置了PZ96L系列的多功能仪表800只；本工程10kV配电工程共有16个隧道变电所，为实时监视整个配电室的运行以及数据采集，该项目配置一套Acrel-2000Z电力监控系统，主要实现对荔浦至玉林高速公路各个变电所的用电监控与管理。监控范围为变电所的微机保护装置、电能表、变压器温控仪、EPS、UPS、无功补偿、发电机控制屏、油箱液位仪、水泵运行状态和水位、风机软启动器和照明控制器。本系统由用户管理层、网络通信层、现场设备层三部分组成，现场设置的电能表采用屏蔽双绞线连接至各分区数据采集器，各分区数据采集器将数据分类处理后，通过网线连接至局域网交换机上传至电力监控系统主机，实现电力设备集中监控功能。

2）广西崇左至水口高速电力监控系统

  广西崇左到水口高速全线全长94.053公里，设置桥梁27座，隧道2座（其中特长隧道1座），互通式立交6处，服务区2处，停车区1处，管理分中心。

  本系统由用户管理层、网络通信层、现场设备层三部分组成，现场设置的综保、微机保护装置、电能表、变压器温控仪、EPS、UPS、无功补偿、发电机控制屏、油箱液位仪采用屏蔽双绞线连接至各配电房的通讯管理机，各配电房的通讯管理机将数据分类处理后，通过网线连接至高速公路局域网交换机上传至电力监控系统主机，实现电力设备集中监控功能。