高速公路綜合能效系統在山東濟南至濰坊高速公路項目的應用

摘 要：隨著高速公路數量和高速公路沿線的機電設備的增加，傳統的人工管理高速公路沿線機電設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展的今天，電力控制智能化技術逐漸得到了廣泛應用和快速發展，不僅促進了高速公路運輸能力的增強，實現高速公路使用壽命的延長。同時新能源的發展，分布式光伏在高速公路的鋪設，增加了高速供電的多樣性，也加劇了高速供電可靠的壓力。因此本文設計提供一套包括光伏監測、電力監控、電能計量、電能質量治理、能耗分析、電氣安全、運維巡檢管理等技術服務的一體化能源管理系統，以保障高速公路沿線的安全性、合理性用電和可靠性。

關鍵詞：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，設計速度120公里/小時，雙向六車道，路基寬34.5米。設隧道10座，特大橋11座，大橋30座，互通立交20 處、服務區3處、養護工區4處、監控通信分中心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，設計速度120公里/小時，雙向六車道，設特大橋2座、大橋14座、互通立交7處、服務區1處、養護工區1處、監控通信分中心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置光伏發電系統，光伏發電交流并網為隧道照明系統提供電力能源，節省隧道后期運營費用。馬家峪隧道進一步提高光伏發電利用效率，設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裝式變電站，包含變電站綜合能源管控系統，為隧道的智慧供配電保駕護航；同時預制模塊化縮短施工工期，保證施工質量，節約洞口占地面積，適用于洞口空間狹小的隧道。

2 項目方案

2.1項目需求

監控系統功能要求

數據采集功能：采集監測線路的電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率；采集變壓器溫度等；采集監測斷路器狀態和開關狀態信號。

屏幕顯示功能：畫面美觀、清晰、色彩鮮明柔和，窗口界面風格統一；顯示畫面可以多窗口顯示；顯示一次結線圖實時工況，遙測參數表（帶限值），曲線（負荷曲線、電壓曲線等），具有歷史數據的圖表顯示功能。

報表打印功能：系統具有簡單、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：系統對開關跳、合閘可以記錄打印，相應顯示畫面變色、閃光、報警，屏幕顯示事件信息；系統對模擬量產生越限值時，可以打印記錄并報警；系統具有事件追憶功能；系統自動記錄所發生的各類事件，便于操作人員了解供配電系統歷史情況；系統應具備潮流分析表。

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產品需求

1）       ANet通訊管理機

監控系統的通信層由光纖通訊網絡、各變電所/箱變的智能通訊管理機和光纖冗余工業以太網交換機組成。變電所通過本路段高速公路主干通信網絡，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。

通信管理機技術要求：

在各變電所/箱變設置一臺智能通訊管理機，負責實現變電所/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 10/100M 網口、8 個高速串行口（包括 RS232、 RS485）

具有多種通信規約，包括 MQTT規約、IEC103\104 協議、IEC 61850協議、MODBUS協議等。

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。電力監控系統與微機保護測控裝置進行通信實時監測各進線、出線的運行狀態。

10kV 進線出線：設置微機保護測控裝置，可實現就地、遠動的保護、測控功能。

10kV 母線分段：設置帶 BZT 功能的微機保護測控裝置，可實現就地、遠動的保護、測控功能。

變壓器：設置微機變壓器保護測控裝置，可實現就地、遠動的保護、測控功能，電力監控通過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、變壓器風機工作狀態等變壓器運行狀態進行監測。

高壓 PT：設置微機綜合 PT 測控裝置，實現 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自適應的開關量輸入。至少5路開關量輸出；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，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現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等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監控。

4）AMC多功能數字式電表

進線回路：0.4KV 配電柜進線單元和發電機進線柜、聯絡開關柜等，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、無功 Q、三相電壓 U、三相電流 I、功率因數 COSΦ；監視開關位置信號、回路分合閘狀態、故障脫扣信號等；并對進線開關（低壓斷路器含電操等自動機構）進行遠程分合閘控制。

出線回路：對 0.4KV 低壓開關柜的每一回出線回路，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、無功、電度并在當地顯示，隨時了解供電回路的負荷情況；并監視開關位置信號、回路分合閘狀態等。

2.3產品上圖方案

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產品明細

整個高速公路項目共有18個變電所，各變電所所設產品類型及數量如下：

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網關，1套電力監控系統。

3 系統組網

項目通過AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效系統，主要實現實現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的高低壓配電設備、微機保護裝置、電能表、馬達保護、變壓器、EPS、UPS、柴發、紅外測溫和光伏發電等進行實時分布式監控和集中管理。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高速公路綜合能效系統主機，實現綜合能效管理功能。

圖3 系統拓撲圖

4 系統功能

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

2）       全路段監控：沿途數十幾個配電房繪制在一張K線圖里面，點擊每個站跳轉相關配電圖畫面顯示，使整條高速公路的配電系統一圖掌握。

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

圖4 發電效率監測圖

逆變器狀態：日、月、年發電量及發電收益顯示。顯示逆變器功率、環境輻照度曲線。 直流側電壓電流查詢。逆變器曲線分析：展示交、直流側電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

圖5 逆變器狀態監測圖

4）       實時監測：以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，可以實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態。

5）       環境監測：氣體、煙感、水浸、紅外雙鑒、視頻、氣候、視頻監測風機/空調/水泵控制、聲光報警。

圖6 環境監測圖

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、正向有功電能等。

7）       運行報表： 查詢各回路或設備時間的運行參數，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，報表格式有日報表、月報表、年報表等。

圖7 運行報表界面

6）       實時告警：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。

圖8 事件告警界面

7）歷史事件查詢：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信息進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

8）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態信息，包括開關位置、 保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

9）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、功率因數等所有遙測量。

10）用戶權限管理：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）。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），在每個權限組里分配不同用戶，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

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

12）通信管理：可以對整個配電系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。

6 結語

高速公路隧道的供配電系統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的正常運行是高速公路建設的重中之重。AcrelEMS-HIM高速公路綜合能效管理系統除對高速公路沿線變電所內的配電設備、發電機、變壓器、UPS、EPS等進行實時分布式監控和集中管理外，還對高速公路上的分布式光伏發電數據和逆變器狀態等實時監測，并結合環境進行光功率預測，使高速公路子在保證供電多樣性和節能的前提下，高速公路沿線供電可靠穩定，確保高速公路安全暢通, 提高自動化管理水平, 降低機電設備的運行維護成本。

參考文獻

[1] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.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品二次原理圖集.2020.10月版

[3] 安科瑞用戶變電站綜合自動化與運維解決方案.2020.5月版