高速公路智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

修樹斌徐春滔/.浙江省交通投資集團(tuán)有限公司申嘉湖杭分公司 .杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司

高速公路智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

修樹斌1徐春滔2/1.浙江省交通投資集團(tuán)有限公司申嘉湖杭分公司 2.杭州海康威視數(shù)字技術(shù)股份有限公司

電力系統(tǒng)是高速公路營運(yùn)單位機(jī)電系統(tǒng)正常運(yùn)行的動力與基礎(chǔ)，電氣安全問題已成為路公司安全運(yùn)營重要一環(huán)，智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)由此產(chǎn)生，它為高速公路營運(yùn)單位對電力系統(tǒng)管理提供了一種很好的管理模式。

電氣安全；智能化；動力環(huán)境監(jiān)控

配電系統(tǒng)是高速公路機(jī)電系統(tǒng)的動力來源，一旦出現(xiàn)問題，后果不堪設(shè)想；高速公路的收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、隧道站均配有相應(yīng)的配電站，僅僅依靠人工方式進(jìn)行巡視與運(yùn)維，不僅成本高、不能及時發(fā)現(xiàn)問題，效率差，而且體現(xiàn)路公司管理落后，必將影響電力保障成效。因此，構(gòu)建一套智能化配電監(jiān)控平臺成為高速公路機(jī)電管理的必要選擇。配電監(jiān)控主要涉及電力和環(huán)境安全，包括：高低壓電力指標(biāo)（電壓、電流、頻率、功率、電能等）、配電站環(huán)境要素（溫濕度、漏水狀態(tài)、視頻安防、紅外入侵、消防煙感等）。

一、系統(tǒng)總構(gòu)成

高速公路智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)主要由電力監(jiān)控子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、漏水監(jiān)測子系統(tǒng)、消防報警子系統(tǒng)、紅外報警子系統(tǒng)、安防監(jiān)控子系統(tǒng)、監(jiān)控軟件子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)等組成。各子系統(tǒng)能夠在配電站進(jìn)行本地采集層，實(shí)現(xiàn)本地集成，并通過高速公路計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)上傳，最終在高速公路路公司電力管理的軟件平臺上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控、預(yù)警發(fā)布和統(tǒng)計(jì)分析的可視化工作。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（一）系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，由采集層、傳輸層、管理層、應(yīng)用層四個層次組成。其中采集層為前端智能設(shè)備，包括智能電量儀、溫濕度儀、漏水檢測儀、煙感探測器、紅外探測器、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)；傳輸層為采集層與后臺的網(wǎng)絡(luò)鏈路，此處由高速公路內(nèi)部業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；管理層為服務(wù)器、監(jiān)控主機(jī)以及數(shù)據(jù)庫等；應(yīng)用層為配電安全智能化監(jiān)控平臺軟件，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示、報警發(fā)布、查詢統(tǒng)計(jì)、報表管理、控制策略等綜合業(yè)務(wù)性應(yīng)用。

（二）系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

監(jiān)控軟件平臺采用面向SOA的分布式架構(gòu)，其運(yùn)行支撐平臺為Windows系統(tǒng)，開發(fā)平臺為Microsoft Framework .Net，數(shù)據(jù)庫支持SQL Server/MySQL/Oracle/Sybase等系統(tǒng)；業(yè)務(wù)應(yīng)用層為用戶提供各類應(yīng)用入口，包括：數(shù)據(jù)展示、報警管理、查詢檢索、報表統(tǒng)計(jì)、事件日志等，中間分布層負(fù)責(zé)處理核心業(yè)務(wù)邏輯，包括：業(yè)務(wù)規(guī)則、合法性校驗(yàn)、數(shù)據(jù)訪問、計(jì)算引擎、對象調(diào)度等，協(xié)議接口層負(fù)責(zé)與第三方系統(tǒng)或設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，協(xié)議支持OPC、SNMP、TCP、Modbus等，客戶端提供基于C/S的后臺支持系統(tǒng)和基于B/S的瀏覽入口，以及基于移動終端的APP應(yīng)用和微信公眾號關(guān)注；SOA架構(gòu)的應(yīng)用架構(gòu)使軟件能充分利用計(jì)算平臺資源，讓業(yè)務(wù)應(yīng)用層從復(fù)雜的體系架構(gòu)中徹底分離出來，更易于軟件未來的維護(hù)擴(kuò)充，保護(hù)已有的投資，形成協(xié)調(diào)一致、高效可靠的機(jī)房動力環(huán)境監(jiān)控管理平臺。

三、系統(tǒng)子系統(tǒng)

（一）電力監(jiān)控子系統(tǒng)

1.監(jiān)控內(nèi)容

供電質(zhì)量參數(shù)為電壓、功率、能耗等。其供電好壞將直接影響用電設(shè)備的安全，故此系統(tǒng)是檢測重點(diǎn)。方案設(shè)計(jì)中在低壓配電箱的配電輸入回路處分別安裝配電安全監(jiān)測模塊，實(shí)現(xiàn)對配電進(jìn)線進(jìn)行各項(xiàng)供電參數(shù)監(jiān)測。

供電質(zhì)量主要涉及監(jiān)測以下指標(biāo)：

電 壓：V1，V2，V3，Vlnavg

電 流：I1,I2,I3,In,Iavg

有功功率：P1,P2,P3,Psum

無功功率：Q1,Q2,Q3,Qsum

視在功率：S1,S2,S3,Ssum

功率因數(shù)：PF1,PF2,PF3,PF

有功電度：EP_imp,EP_exp,EP_total,EP_net

無功電度：Eq_imp,Eq_exp,Eq_total,Eq_net

圖3 電力監(jiān)控子系統(tǒng)

2.實(shí)現(xiàn)方式

通過安裝在配電柜內(nèi)的配電安全監(jiān)測模塊對配電實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，通過總線方式將信號接入嵌入式采集控制一體化智能網(wǎng)關(guān)串口，通過網(wǎng)絡(luò)由后臺監(jiān)控軟件進(jìn)行饋電的實(shí)時監(jiān)測。

3.實(shí)現(xiàn)功能

實(shí)時監(jiān)測配電房進(jìn)線電壓V、（三相相電壓、線電壓及其平均值）、電流 I（三相相電流及其平均值、中線電流）、有功功率P（四象限各相有功功率和系統(tǒng)有功功率）、無功功率 Q(四象限各相無功功率和系統(tǒng)無功功率)、視在功率 S（各相視在功率和系統(tǒng)視在功率）、功率因素RF（各相功率因數(shù)和系統(tǒng)功率因數(shù)）、頻率 F等。

（二）環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)

1.監(jiān)控內(nèi)容

對于配發(fā)電房，其正常運(yùn)行對環(huán)境溫濕度有較高的要求。因此設(shè)計(jì)在重要部位安裝溫濕度傳感器（帶液晶顯示），一旦發(fā)現(xiàn)異常立即啟動報警。

圖4 環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)

2.實(shí)現(xiàn)方式

通過在配電房重要部位安裝帶液晶顯示的溫、濕度傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測，既可在溫濕度傳感器儀面實(shí)時觀察到當(dāng)前的溫度和濕度數(shù)值，亦可通過溫、濕度傳感器的RS485智能接口和通訊協(xié)議，以總線方式將信號接入嵌入式采集控制一體化智能網(wǎng)關(guān)串口，并由后臺監(jiān)控軟件平臺進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

3.實(shí)現(xiàn)功能

實(shí)時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度和濕度值，同時支持與其它子系統(tǒng)的聯(lián)動控制，如當(dāng)溫度過高時自動聯(lián)動啟動空調(diào)進(jìn)行制冷。

此方案一經(jīng)批準(zhǔn)，便得到了緊鑼密鼓的推進(jìn)。1990年7月下旬，宣布了金橋、外高橋、陸家嘴三大公司領(lǐng)導(dǎo)班子，開始公司籌備工作，9月成立了三大公司，而后開始了三管齊下找資本金的工作。

（三）漏水監(jiān)測子系統(tǒng)

1.監(jiān)控內(nèi)容

配電房電纜溝如果浸水會造成不可預(yù)知的嚴(yán)重后果，這就要求及早發(fā)現(xiàn)及時處理，因此設(shè)計(jì)在電纜溝安裝浸水感應(yīng)檢測繩,發(fā)現(xiàn)有浸水現(xiàn)象時立刻報警，保證配電房設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.實(shí)現(xiàn)方式

在配電房關(guān)鍵位置安裝水浸式浸水檢測系統(tǒng)，然后通過其485總線接入嵌入式采集控制一體化網(wǎng)關(guān)，并由后臺監(jiān)控軟件平臺進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

圖5 漏水監(jiān)測子系統(tǒng)

3.實(shí)現(xiàn)功能

實(shí)時監(jiān)測漏水情況，發(fā)生漏水時系統(tǒng)自動切換到進(jìn)水監(jiān)控界面，（并顯示具體的進(jìn)水區(qū)域，同時產(chǎn)生報警事件進(jìn)行記錄存儲及有相應(yīng)的處理提示，并第一時間發(fā)出多媒體語音、電話語音撥號、手機(jī)短信、E-Mail等對外報警。

1.監(jiān)控內(nèi)容

主要監(jiān)控配電房內(nèi)煙感、溫的報警狀態(tài)，通過煙、溫感輸出與開關(guān)量采集模塊對接向數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行集成，完成對煙、溫感報警狀態(tài)、位置信息的發(fā)布。

圖6 消防報警子系統(tǒng)

2.實(shí)現(xiàn)方式

在關(guān)鍵位置的布設(shè)煙感應(yīng)點(diǎn)接入開關(guān)量輸入模塊，通過開關(guān)量模塊的RS485端口以總線方式將信號接入嵌入式網(wǎng)關(guān)的串口，通過與后臺軟件的交互實(shí)現(xiàn)消防的運(yùn)維管理功能。

3.實(shí)現(xiàn)功能

如果發(fā)生火警時，除消防報警系統(tǒng)的報警顯示外，在集成系統(tǒng)工作站上自動以動畫方式顯示出該防火分區(qū)的報警信息，包括火警位置以及相關(guān)聯(lián)動設(shè)備的狀態(tài)。相關(guān)的聯(lián)動還包括：發(fā)生火災(zāi)報警時，消防系統(tǒng)根據(jù)報警點(diǎn)的位置信息，查找到附近攝像機(jī)編號；通過網(wǎng)絡(luò)，向集成系統(tǒng)發(fā)送聯(lián)動申請。系統(tǒng)可對監(jiān)測到的各項(xiàng)設(shè)備狀態(tài)，一旦出現(xiàn)變位，系統(tǒng)將自動切換到相應(yīng)的監(jiān)控界面，且發(fā)生報警的該項(xiàng)狀態(tài)或參數(shù)會變紅色并閃爍顯示。

（五）紅外報警子系統(tǒng)

1.監(jiān)控內(nèi)容

監(jiān)測紅外感應(yīng)點(diǎn)的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)布防后又入侵，立刻報警。

圖7 紅外報警子系統(tǒng)

2.實(shí)現(xiàn)方式

將各個布局在關(guān)鍵出入口的紅外感應(yīng)點(diǎn)接入開關(guān)量輸入模塊，通過開關(guān)量模塊的RS485端口以總線方式將信號接入嵌入式網(wǎng)關(guān)的串口，通過與后臺軟件的交互實(shí)現(xiàn)紅外入侵的運(yùn)維管理功能。

3.實(shí)現(xiàn)功能

實(shí)時監(jiān)控紅外檢測器的狀態(tài)，一旦發(fā)生報警，系統(tǒng)將自動切換到相應(yīng)的監(jiān)控界面，同時產(chǎn)生報警事件進(jìn)行記錄存儲并有相應(yīng)的處理提示。

（六）監(jiān)控軟件子系統(tǒng)

監(jiān)控軟件子系統(tǒng)是整個配電智能化監(jiān)控系統(tǒng)的總平臺，它負(fù)責(zé)與采集層的數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)庫交互，并部署相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能。

圖8 監(jiān)控軟件子系統(tǒng)

通過該應(yīng)用平臺軟件為管理者提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，主要功能包括：

1.圖形化數(shù)據(jù)展示功能：支持電子地圖、界面設(shè)計(jì)、仿真儀表、三維動畫等視圖。

2.預(yù)警發(fā)布功能：支持界面、短信、語音、郵件、聲光報警，支持報警級別管理、支持報警升級。

3.統(tǒng)計(jì)分析功能：支持組態(tài)查詢功能、支持各類統(tǒng)計(jì)圖表分析（趨勢圖、柱形圖、餅圖、散點(diǎn)圖、甘特圖等）、支持電子表格設(shè)計(jì)。

4.報表管理功能：支持自定義報表設(shè)計(jì)功能、支持SQL語言、VB腳本嵌入，形成強(qiáng)大的報表組態(tài)能力。

5.日志管理功能：支持系統(tǒng)日志和用戶操作的跟蹤和分析。

6.控制策略管理：支持算術(shù)表達(dá)式、邏輯表達(dá)式、定時器等功能，支持控制策略和方案自定義。

7.移動App功能：支持基于Android、iOS移動App功能，可以遠(yuǎn)程在線觀測數(shù)據(jù)、推送報警。

8.HMI人機(jī)交互功能：支持現(xiàn)場HMI觸摸屏交互顯示功能，并支持參數(shù)配置、報警、日志管理等功能。

在獲得各子系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)后，監(jiān)控軟件子系統(tǒng)進(jìn)行記錄存儲并有相應(yīng)的處理提示，并第一時間發(fā)出多媒體語音、電話語音撥號、手機(jī)短信、E-Mail等對外報警。并提供曲線記錄，直觀顯示實(shí)時及歷史曲線，可查詢一年內(nèi)相應(yīng)參數(shù)的歷史曲線及具體時間的參數(shù)值（包括最大值、最小值），并可將歷史曲線導(dǎo)出為EXCEL格式，方便電力管理員全面了解各子系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

四、結(jié)束語

該系統(tǒng)已根據(jù)方案設(shè)計(jì)并成功在高速公路進(jìn)行應(yīng)用。智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)的投入使用，提高了業(yè)務(wù)管理效率，有效降低了成本，使得以往需要人工往返巡視的耗時、耗人、耗物維護(hù)工作變得輕松自如；其次，配電智能化監(jiān)控系統(tǒng)能夠做到全時段、全覆蓋安全監(jiān)控，比人工的監(jiān)控頻率高出數(shù)倍；另外，該系統(tǒng)有別于一般的電力監(jiān)控，該項(xiàng)目納入環(huán)境、安防、消防方面的動力環(huán)境監(jiān)控，不僅針對高速公路機(jī)電系統(tǒng)的監(jiān)控，以后可以延伸到隧道機(jī)電、外場設(shè)備、涵洞、通信機(jī)房、監(jiān)控大廳等，形成一個全方位智能化高速公路機(jī)電運(yùn)維系統(tǒng)，而且還可以選配支持3D動畫、GIS導(dǎo)航等。通過開放式接口平臺方便接入，使用方便，具有廣泛的應(yīng)用前景。