智慧供電系統(tǒng)在高速公路機(jī)電工程中的應(yīng)用分析

高玲

（北京瑞拓電子技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100043）

0 引言

隨著交通工具的發(fā)展，高速公路已經(jīng)成為現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分。高速公路機(jī)電工程是高速公路建設(shè)中不可或缺的組成部分，安全高效的供電系統(tǒng)是高速公路各項(xiàng)設(shè)施正常運(yùn)行的基本前提和必備條件。伴隨“智慧公路”的不斷發(fā)展，完成智慧供電系統(tǒng)建設(shè)的課題非常必要且十分迫切。

1 傳統(tǒng)供配電方案

1.1 低壓380V 直接供電方案

在低壓380V 的供電系統(tǒng)中，外場(chǎng)設(shè)備一般由低壓配電柜直接進(jìn)行供電，一般情況下，該系統(tǒng)只有4km以內(nèi)的供電距離。

低壓380V 直接供電方案的核心是通過(guò)一個(gè)高壓變頻器將380V 直流電轉(zhuǎn)換為交流電，然后通過(guò)一系列的開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行變換和分配到不同的設(shè)備上。其中，高壓變頻器作為核心部件，它的工作原理是在一定頻率下輸出一定的電壓和電流量，以達(dá)到控制目標(biāo)的目的。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還需要設(shè)置一些保護(hù)措施，如過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)等。

除了高壓變頻器外，還有其他關(guān)鍵部件參與整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成中。例如，開(kāi)關(guān)柜用于轉(zhuǎn)換交流電為直流電或反向交流電；逆變器用于將交流電轉(zhuǎn)換成直流電；濾波器用于過(guò)濾掉諧波等干擾信號(hào)；隔離器件用于防止交流電與直流電之間的接觸。這些組件的作用相互配合，共同確保系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。380V 直流電源的直接供電方案能夠有效解決傳統(tǒng)電網(wǎng)存在的問(wèn)題，并且具備較高的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性[1]。

1.2 中壓6kV/10kV 間接供電方案

針對(duì)距離在4km 以上的用電設(shè)備，一般采用6kV或10kV 的供電電壓，在負(fù)載集中的位置安裝電源，并在該位置安裝6kV（10kV）/0.4kV 變壓器，使其變壓成380V/220V，并以此進(jìn)行二次配電。

1.3 風(fēng)光互補(bǔ)供電方案

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的原理在于將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成交流電，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡D(zhuǎn)變后的交流電在整流器的作用下向蓄電池充電，轉(zhuǎn)變后的直流電則直接為蓄電池進(jìn)行充電。在整個(gè)系統(tǒng)中，蓄電池的作用在于進(jìn)行電能的儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)[2]。

2 智慧供電系統(tǒng)概述

智慧供電系統(tǒng)是現(xiàn)代電力供應(yīng)的重要組成部分，其建設(shè)需要遵循一系列的原則。首先，智慧供電系統(tǒng)應(yīng)該具備高效率和高可靠性的特點(diǎn)，以滿足用戶對(duì)電力需求的快速響應(yīng)和穩(wěn)定供給的要求。其次，智慧供電系統(tǒng)應(yīng)具有較高程度的智能化功能，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，提高管理效率和系統(tǒng)安全性能。再次，智慧供電系統(tǒng)還應(yīng)注重環(huán)保性和可持續(xù)發(fā)展性，采用綠色能源技術(shù)，減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。最后，智慧供電系統(tǒng)需要考慮經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益之間的平衡，盡可能降低成本并增加收益，為社會(huì)創(chuàng)造更多的價(jià)值。為了確保智慧供電系統(tǒng)的建設(shè)質(zhì)量和效果，需要建立完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管機(jī)制。同時(shí)，還需要加強(qiáng)人才培養(yǎng)和科研投入，不斷推進(jìn)智慧供電系統(tǒng)的創(chuàng)新和發(fā)展。

3 智慧供電系統(tǒng)在高速公路機(jī)電工程中的應(yīng)用分析

3.1 智能化管理的實(shí)施步驟

一是前期準(zhǔn)備工作。在進(jìn)行智能化管理之前，需要對(duì)相關(guān)設(shè)備和設(shè)施進(jìn)行全面的調(diào)查和評(píng)估。二是數(shù)據(jù)采集與分析。智能化管理的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)的收集和處理。為了實(shí)現(xiàn)智能化的管理目標(biāo)，需要對(duì)各種數(shù)據(jù)源進(jìn)行采集和整合，并將其轉(zhuǎn)化為可用的數(shù)據(jù)形式。三是智能化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建。智能化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和搭建是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，需要考慮到多種因素的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要注重效果的評(píng)價(jià)和反饋機(jī)制的作用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并加以解決，不斷優(yōu)化和完善管理方案。

3.2 智能化管理的實(shí)現(xiàn)方式

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能化的管理已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)管理的發(fā)展方向。對(duì)于高速公路電氣設(shè)備而言，傳統(tǒng)的機(jī)械式管理已經(jīng)無(wú)法滿足其高效率的要求，因此，采用智能化的管理方法成為必然選擇。智能化管理的方法有很多種，其中最常見(jiàn)的是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)將各種傳感器和控制器連接到網(wǎng)絡(luò)中，可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，能夠更加準(zhǔn)確地掌握設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。還可以利用人工智能算法對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，為設(shè)備維護(hù)提供更好的支持。除了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)外，還有其他一些智能化的管理方法可供選擇。例如，可以通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，找出規(guī)律性和趨勢(shì)，以便更好地制訂維修計(jì)劃和優(yōu)化方案；可以使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬設(shè)備的操作過(guò)程，以提高員工的專業(yè)技能和工作質(zhì)量。這些方法各有優(yōu)點(diǎn)，需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮。總之，智能化管理是一種先進(jìn)的管理理念和實(shí)踐方法，能夠幫助高速公路電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)更高效、更可靠的運(yùn)營(yíng)。在未來(lái)，智能化管理方法會(huì)不斷提升設(shè)備的性能和服務(wù)水平。

4 智慧供電系統(tǒng)在高速公路機(jī)電工程中的應(yīng)用案例分析

4.1 項(xiàng)目概況

傳統(tǒng)的高速公路機(jī)電工程往往存在效率低和安全隱患等問(wèn)題，不僅影響道路的使用效果，還造成能源浪費(fèi)。智慧電源系統(tǒng)通過(guò)在高功率輸入電路上配置發(fā)電機(jī)、電池、雙線電源等方法，使現(xiàn)場(chǎng)電源和監(jiān)控設(shè)備能夠不間斷地供電，從而最大限度地減少高功率輸入時(shí)停電的影響。以某高速公路為例，該區(qū)域交通量較大且車(chē)速快，一旦出現(xiàn)故障將會(huì)給車(chē)輛和人員帶來(lái)極大安全隱患。針對(duì)此問(wèn)題，采用了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧供電方案進(jìn)行供電系統(tǒng)改造升級(jí)，通過(guò)安裝智慧化設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)全線電力供應(yīng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制[3]。

4.2 項(xiàng)目分析

通過(guò)將大量分布均勻的無(wú)線傳感器部署在道路沿線及各個(gè)重要節(jié)點(diǎn)上，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛信息并及時(shí)反饋給監(jiān)控中心或其他相關(guān)部門(mén)，從而提高交通安全水平和事故處理效率。此外，該高速公路所連接的變電站數(shù)量眾多，且距離較長(zhǎng)，因此需要確保各站點(diǎn)之間的電力供應(yīng)充足穩(wěn)定。由于高速公路上行駛的汽車(chē)數(shù)量龐大，對(duì)于電能質(zhì)量的要求也非常嚴(yán)格，針對(duì)這一情況，選用了施耐德電氣公司的UPS 不間斷電源產(chǎn)品作為主要備選項(xiàng)，可有效應(yīng)對(duì)斷電故障，保障用電設(shè)備正常運(yùn)行[4]。

與此同時(shí)，為了滿足照明系統(tǒng)方面的需求，需要所有路段的照明效果良好，選擇使用LED 燈具進(jìn)行照明，并設(shè)置了自動(dòng)控制裝置，可根據(jù)季節(jié)變化和天氣狀況等因素自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度和色溫，使路面照度始終保持在適宜范圍內(nèi)，提升駕駛員的視覺(jué)舒適感。

4.3 總體設(shè)計(jì)

將全線各路段的收費(fèi)站、隧道變電所等重要節(jié)點(diǎn)作為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建一套完整的智慧感知體系。通過(guò)前端傳感器采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境溫度濕度以及視頻圖像等多種信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后傳輸至數(shù)據(jù)采集與處理平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和展示。此外，還設(shè)置了多個(gè)遠(yuǎn)程終端單元（RTU）用以擴(kuò)展監(jiān)測(cè)范圍，確保對(duì)所有設(shè)備設(shè)施全面覆蓋，該模塊主要負(fù)責(zé)采集各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)采用了Modbus-RTU 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類模擬量、數(shù)字量等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和上傳。同時(shí)，為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c穩(wěn)定性，還需進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理與校驗(yàn)工作。具體而言，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換至備用節(jié)點(diǎn)繼續(xù)完成數(shù)據(jù)的采集和上傳任務(wù)。而在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，也需要進(jìn)行多次校驗(yàn)以排除錯(cuò)誤或異常值的干擾。基于上述功能需求，選用了研華公司生產(chǎn)的ADAM-5021 作為主控芯片，配合相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)和程序開(kāi)發(fā)，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類信號(hào)的采集、處理和控制。其中，硬件部分包括電源管理單元、信號(hào)調(diào)理單元以及模數(shù)轉(zhuǎn)換單元等，這些設(shè)備均按照一定的規(guī)律分布在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中，彼此之間通過(guò)總線進(jìn)行連接，構(gòu)成一個(gè)完整且獨(dú)立的信號(hào)處理平臺(tái)。主控芯片接收來(lái)自各個(gè)從站節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)初步處理后再發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理。值得一提的是，由于該系統(tǒng)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)交叉應(yīng)用，因此在軟件設(shè)計(jì)方面還需充分考慮其實(shí)際使用環(huán)境和操作習(xí)慣，力求簡(jiǎn)單易用、易于維護(hù)。

4.4 方案優(yōu)勢(shì)

一是優(yōu)化成本，減少電纜鋪設(shè)。在傳統(tǒng)供電方案中，需要在4km 隧道兩側(cè)設(shè)置變電站。全隧道照明設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備采用380V 直接供電，隧道入口380V 電源供電柜作為輸出回路電源，現(xiàn)場(chǎng)照明設(shè)備、應(yīng)急照明設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備采用多回路供電敷設(shè)電纜，并匯總至隧道照明配電柜，采用開(kāi)關(guān)控制的形式進(jìn)行開(kāi)關(guān)。在智慧供電方案中，智慧供電上端電源柜只需在4km隧道單側(cè)變電站設(shè)置，將380V 輸出電源升至3300V 或1000V，然后通過(guò)單孔輸出兩個(gè)供電電路到下端電源柜，智慧供電下端電源柜將輸入電源電壓降至220V輸出電路電源，為隧道內(nèi)所有照明設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備供電。由于供電方式具有遠(yuǎn)程供電優(yōu)勢(shì)，只需采用單側(cè)供電方式鋪設(shè)電纜，有效減少電纜鋪設(shè)工程量。

二是實(shí)用便捷，遠(yuǎn)程控制與操作。依托云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代通信技術(shù)，將傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)操控模式轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程在線操控或無(wú)人值守操控模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類設(shè)施設(shè)備的自動(dòng)化啟停、調(diào)節(jié)、檢測(cè)、保護(hù)等功能，大幅度降低人員工作強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)[5]。

具體內(nèi)容如下：第一，數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)測(cè)試。通過(guò)模擬各種異常情況下的工作場(chǎng)景，檢驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)是否正常運(yùn)行。同時(shí)，還需檢測(cè)系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)時(shí)的性能表現(xiàn)，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，且具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。第二，設(shè)備控制及監(jiān)測(cè)測(cè)試。針對(duì)不同類型的設(shè)備，分別進(jìn)行了遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)試。例如，通過(guò)手機(jī)APP 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所內(nèi)所有設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)操作。而對(duì)于重要設(shè)備，如變壓器、UPS等，則采用傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信息上傳至后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行分析處理。此外，還可通過(guò)視頻監(jiān)控技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行全程記錄和追溯，為管理部門(mén)提供有力支持。第三，故障診斷及應(yīng)急響應(yīng)測(cè)試。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或發(fā)生異常情況時(shí)，智慧供電系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警機(jī)制，并及時(shí)向用戶發(fā)送短信通知。同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)啟動(dòng)備用設(shè)備或采取其他措施保證系統(tǒng)連續(xù)正常運(yùn)行。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，該系統(tǒng)具備快速準(zhǔn)確地判斷和解決各類問(wèn)題的能力，能夠有效提升運(yùn)維效率和服務(wù)質(zhì)量。

5 智慧供電系統(tǒng)在高速公路機(jī)電工程中的應(yīng)用策略

5.1 實(shí)用性原則

智慧供電系統(tǒng)是現(xiàn)代電力供應(yīng)的重要組成部分，其建設(shè)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化的電力管理。智慧供電系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，可以提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)，從而提高電網(wǎng)的可靠性和安全性。同時(shí)，智慧供電系統(tǒng)還可以為用戶提供更好的服務(wù)體驗(yàn)，例如實(shí)時(shí)查詢電費(fèi)、遠(yuǎn)程控制設(shè)備等。因此，智慧供電系統(tǒng)的建設(shè)另一個(gè)重要的任務(wù)是需要充分考慮各種因素的影響，確保系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性。對(duì)于高速公路機(jī)電工程而言，其智慧化改造應(yīng)該以其實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，確保所設(shè)計(jì)出來(lái)的方案能夠切實(shí)可行、好用易用。

5.2 可靠性原則

高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)量龐大且分布范圍較廣，在進(jìn)行智慧化改造時(shí)要保證其穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，避免因?yàn)楣收隙鴮?dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目停工。同時(shí)，智慧供電系統(tǒng)在高速公路機(jī)電工程應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)該充分利用先進(jìn)技術(shù)來(lái)提升系統(tǒng)的性能和效率。此外，智慧供電系統(tǒng)的建設(shè)還需注重安全保障。為了避免系統(tǒng)故障帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)控和數(shù)據(jù)保護(hù)措施，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)措施加以解決，也需要注意網(wǎng)絡(luò)攻擊等問(wèn)題，建立完善的信息安全體系，防范各種可能的風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 安全性原則

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的敏感信息需要被保護(hù)起來(lái)，這就要求在進(jìn)行智慧化改造時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮到網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，采取相應(yīng)措施保障系統(tǒng)及人員的人身財(cái)產(chǎn)安全。

5.4 經(jīng)濟(jì)性原則

在進(jìn)行高速公路機(jī)電工程智慧化改造過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注重節(jié)約成本，提高效益。一方面可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案減少不必要的開(kāi)支，另一方面則可采用先進(jìn)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)降低能源消耗，從而達(dá)到節(jié)省降耗的目的。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智慧供電系統(tǒng)不僅具有良好的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，還能夠提高高速公路機(jī)電設(shè)施的智慧化水平，對(duì)高速公路向“智慧公路”方向發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響，智慧供電與“智慧公路”的協(xié)調(diào)發(fā)展是不可分割的。高速公路照明、應(yīng)急照明、監(jiān)控、交通安全管控等系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)充分利用智慧供電提供的技術(shù)資源和操作平臺(tái)，推進(jìn)優(yōu)化智能化設(shè)計(jì)方案，集成高速公路綜合性智能化平臺(tái)，從而推進(jìn)新時(shí)期新型智能化高速公路建設(shè)，賦予現(xiàn)代化高速公路以新的內(nèi)涵。