高速公路智能化供配电监控预警系统设计

蔡妙敏

摘要：高速公路智能化供配电监控预警系统可以为高速公路的高效、安全、可靠运行提供有力支撑，具有较高的可靠性和实用性，能及时对故障进行预警，便于运维人员及时开展故障排查和设备维修，且有利于降低能耗和保护环境。对高速公路智能化供配电监控预警系统设计现状进行总结，对高速公路供配电系统组成进行概述，并从系统总体架构设计、硬件设计、软件设计等方面，对高速公路供配电系统中的智能化供配电监控预警系统设计进行分析。

关键词：高速公路；供配电；前端监测；预警系统；维修

0   引言

目前我国高速公路供配电系统在运行过程中，故障频发，易发故障类型包括开关柜接地不良、变压器进出线电缆故障、断路器跳合闸失败等。鉴于传统供配电监控系统无法实现对供电系统运行状态进行实时监测和分析，也无法对供配电设备运行状态进行有效监控[1-2]，因此研究一套智能化的供配电监控预警系统，对于保障高速公路供电系统安全、可靠、高效运行具有重要意义。

1   高速公路智能化供配電监控预警系统现状

高速公路智能化供配电监控预警系统，可以为高速公路的高效、安全、可靠运行提供有力支撑，同时有利于企业节省人力资源，提高工作效率。目前在系统设计过程中仍存在一些问题，具体包括：供电网络拓扑图不够清晰，线路之间的拓扑关系不够明确；通信网络采用的是公网IP，无法满足未来智慧高速的需求；供电网络与通信网络之间采用公网IP，无法满足未来智慧高速的需求；各区域供电设备数量多且分布广，运维工作量大[3]。

针对上述问题，需进一步优化系统拓扑结构，完善通信网络设计，增加基于GIS的供电线路监测功能，同时要在高速公路内增加通信网络建设等方面进行探索，只有这样才能进一步提升高速公路供电设备监控水平。

2   高速公路供配电系统组成

高速公路供配电系统由10kV线路、变压器、低压柜、母线槽、馈线、电力监控系统等部分组成，其供配电系统结构如图1所示。10kV线路是从电网或发电机组引入的高压电源，采用架空线或电缆敷设。变压器可将10kV 电压降低到380V或220V，一般设置在每个服务区或收费站[4]。低压柜将变压器输出的低压电源分配给各个负荷，包括总开关柜、馈线柜、照明柜、信号柜等。母线槽用于沿公路敷设低压柜输出的电源，它采用金属封闭式或绝缘式结构。馈线是从母线槽引出的电源，连接到各个负荷，如照明灯具、信号灯具、监控摄像头等。

3   供配电监控预警系统设计

3.1   系统总体架构设计

供配电监控预警系统通过数据采集层、网络传输层、数据存储层、应用管理层和用户交互层，构建一个分布式的智能供配电监控预警系统[5-6]。

数据采集层通过传感器实时采集供配电系统中的各种设备参数，并传输到网络传输层，再通过通信网络传输到数据存储层。将采集层多个不同采集系统的告警信息集成到统一告警中心集中展示，便于运行监控人员、运维人员查看系统告警信息。

网络传输层通过智能网关将数据进行存储和转发，并将其应用到数据展示层，即可实现对供配电设备的可视化监控、故障预警和管理。应用管理层主要完成供配电设备的展示、查询、控制、报警等功能，用户交互层主要完成对设备的远程控制功能。

用户交互层是系统与用户之间的桥梁，用户通过用户交互界面，可实现对供配电设备的远程控制和相关信息查询功能。在用户交互层，为每个信息系统绘制了业务视图，视图包括应用服务、系统服务、物理平台三层。通过可视化系统APP操作端，基层一线人员在现场巡视或者抢修过程中，可将现场视频、图片等信息通过APP直接上传到可视化系统中，便于各级应急管理人员实时掌握现场受灾情况和抢修复电情况。

3.2   系统硬件设计

该系统硬件主要由系统监测设备、电力温度监控、LoRa网关等部分组成。系统监测设备的特征、功能见表1。电力温度监控显示见表2。前端监测预警系统的核心是监测终端，它可采集各种生产过程中的数据，通过显示屏直观呈现。监测终端还可与各 LoRa 网关进行通信，将数据上传至后台服务器，从而实现供配电系统的实时监测、预警，提高高速公路运营效率[7]。

3.3   系统软件设计

3.3.1   电力监控系统遥测遥信遥控技术

一是遥测。通过监测终端采集供配电设备的运行参数，如温度、电压、电流、绝缘状态等，并将其通过通信网络传输到监控中心，实时了解设备运行状态的。遥测功能可以提高供配电系统的智能化水平，为运行管理、故障处理提供数据支持。

二是遥信。基于监测终端采集供配电设备的开关状态，如断路器、接触器、继电器等，并将其通过通信网络传输到监控中心，及时反馈设备运行状态，发出警报。遥信功能可以提高供配电系统的安全性，为运行管理、故障处理提供信号支持。

三是遥控。通过监控中心下发控制命令，通过通信网络传输到监测终端，远程操控供配电设备，如断路器、接触器、继电器等。遥控功能可以提高供配电系统的运行效率、节能效果。

3.3.2   电力监控网络拓扑技术

电力监控网络是指连接监测终端、监控中心的通信网络，用于实现遥测、遥信、遥控等功能，其拓扑结构决定了网络的性能、可靠性，因此需根据供配电系统的特点、需求进行合理设计。电力监控网络常用拓扑结构有星型、环型、总线型、树型等，各有优缺点。

星型拓扑结构所有监测终端均直接中心节点，如监控中心或交换机，中心节点负责数据的转发、处理。星型拓扑结构简单、易扩展，故障隔离性好，不会影响其他节点的通信，但其中心节点是单点故障，一旦出现故障，整个网络将瘫痪，因此需提供中心节点冗余备份。

环型拓扑结构全部监测终端连接成闭合环形链路，数据沿着环形链路顺时针或逆时针传输。环型拓扑结构无需中心节点，节省设备成本，传输效率高，具有一定的容错能力。环型拓扑结构的缺点是复杂、扩展难，故障隔离性差，一旦出现故障，可能导致整个环路断开或数据冲突。

总线型拓扑结构监测终端都连接到公共总线上，数据通过总线双向传输。其结构简单、节省线缆成本，易于扩展。总线型拓扑结构的缺点是传输效率低，易出现数据冲突，故障隔离性差，一旦出现故障，可能导致整条总线失效。

树型拓扑结构兼具星型、环型拓扑结构的优点，具有较高的传输效率，易于管理维护，但结构较复杂，需较多设备及线缆，中心节点仍然是单点故障。

电力监控网络拓扑结构需综合考虑供配电系统的规模、分布、可靠性要求等因素。规模较小、分布较集中、可靠性要求较高的供配电系统，可采用星型或树型拓扑结构；而高速公路电力监控系统这类规模较大、设备分布较分散的供配电系统可采用环型或总线型拓扑结构。

3.3.3   视频实时传输技术

通过采用特定关键帧相似度赋予不同关键帧优先级，可确保视频传输的稳定性，进而实现视频的实时传输和动态管理[8]。视频传输如图2所示。当移动终端设备采集到高速公路智能化供配电现场视频信息后，首先压缩视频，并标注相似帧关键帧优先级。然后在视频传输时，在发送端对数据进行分包，并加入主动丢帧策略，保证重要帧内容成功发送到接收端。最后通过中心服务器进行解析上传到Web客户端，即实现视频的实时传输。

3.4   目标位置定位技术

采用前景检测模块功能对摄像机采集的运动目标二维图像实时检测后，采用目标位置定位模块获取运动目标位置，即可得到运动目标的三维位置。详细的运算过程如下：对两个摄像头坐标系内的目标点实施变换以及运算操作，获取目标点位置后，将其变换到世界坐标系内；基于运动目标以及两个摄像头在坐标系内的位置，运算出2条空间直线，通过摄像头坐标和运动目标，利用平均中值法运算获取目标运动位置，使得2个标定板内被检测点存在一定差异，出现异面直线；通过求解空间异面直线公垂线算法运算出公垂线，基于该线同两点直线的交点获取中点。

3.5   可视化技术

可视化技术可将供配电系统中的各种设备、电气参数、环境参数等信息直观地显示出来，以便管理人员及时了解供配电系统中设备的运行状况，并通过提供不同的可视化界面，使用户可以进行在线查询、报警设置、数据统计等操作。该系统采用地理信息系统（GIS）技术，将整个高速公路供电网络中的各个监控区域和设备信息进行整合，并以地图的形式展现出来。在对供配电系统进行监测与分析时，可通过 GIS技术将各个监控区域和设备的相关信息进行整合，实现对整个高速公路供电网络的可视化管理。

3.6   报警技术

报警系统通常用于模拟信号检测、激发以及处理发出警报。报警系统也可用于监测模拟或数字信号的变化，以达到控制警报，避免多余警报或未能发出警报的情况。报警技术基于报警功能相对独立，可有效减少处理负荷量，提高了警报准确率及时效性。

监测终端可独立记录历史数据，设计有相应的接口实现二次集成，有利于与别的系统设备相连，并可与完整的监控平台集成。从报警系统划分故障级别及类型，根据故障等级进行优先上传，输出端设有AO、DO接口，与警铃或警示灯相连。

4   结束语

高速公路智能化供配电监控预警系统可以为高速公路的高效、安全、可靠运行提供有力支撑，同时也为企业节省了人力资源，提高了工作效率。通过相关试验，所设计系统应用于高速公路项目中，实现了对其供电系统的集中监控和管理，及时能发现故障，并且方便对故障进行及时处理，对故障设备进行维修，保障了高速公路供电系统的稳定运行。

参考文献

[1] 粘为凯，黄培庭．泉州高速供配电系统智能化电力监控应

用[J].中国交通信息化，2022（S1）：379-382．

[2] 黄宇新.电力监控系统在供配电设计中的应用分析[J].电子

世界，2021（19）：49-50．

[3] 甘韶安.广深高速公路沿线变电所电力监控改造工程系统

施工要点分析[J].黑龙江交通科技，2021（8）：218-219+221．

[4] 丘灿灿，魏序康.河惠莞高速电力监控系统应用浅谈[J].中

國交通信息化，2020（4）：128-129．

[5] 杨志亮.电力监控系统在供配电设计中应用的探讨[J].城

市建设理论研究（电子版），2020，（5）：4.DOI：10.19569/j.cnki.

cn119313/tu.202005001

[6] 丁强.供配电系统电压暂降在数据中心的监测及治理研究

[C].中国通信学会通信电源委员会.2020年中国通信能源

会议论文集，2020：463-465+469．

[7] 邓博轩，徐峰.高速公路机电工程电力监控系统研究[J].工

程技术研究，2022（15）：98-100.

[8] 贾聪.基于灰色系统模型的变配电监控预警系统设计[J].集

成电路应用，2020，37（5）：98-99.