摘 要：我国新型工业化、信息化、城镇化和农业现代化加快发展，经济结构加快转型，交通运输总量将保持较快增长态势，各项事业发展要求提高国家公路网的服务能力和水平。高速公路沿线的收费站、互通枢纽、服务区、隧道等配置的供配电、照明、通风、排水等机电设备的数量急聚增加，设计一套包括电力监控、电能计量、电能质量治理、能耗分析、电气安全、运维巡检管理等技术服务的一体化能源管理系统，能有效降低工作人员劳动强度、提供工作效率、避免人为事故发生、有序保证高速公路可靠运行的供配电系统远程控制及运维管理平台尤为重要。
新晋高速公路块村营至营盘（省界）段供配电照明施工图设计的供配电系统主要负责对交通工程机电设备和房屋建筑设施的供电。为了有效的对机电和房建服务设施供电， 本项目在各站区分别设置 10kV 室内变电所，并以柴油发电机作为备用电源以保证重要负荷用电。
本次接入交通工程机电设备和房屋建筑设施的供电。为了有效的对机电和房建服务设施供电，本项目在隧道、收费站、服务区、管理中心等场区设置变电所，并以柴油发电机做为备用电源以保证重要负荷用电。收费站及服务区：九圣营收费站、北新庄收费站、辉县服务区、金牛寺服区和主线停车区的供配电系统。隧道部分：香炉寺、横岭、马沟、南湖、韩口、白楝树、蒿坪、柳园、轿顶山、南马鞍、王莽岭隧道的供配电系统。
2.1项目需求
1 电力监控功能要求
数据采集功能：采集监测线路的电压、电流、有功功率、无功功率、频率；采集变压器温度等；采集监测断路器状态和开关状态信号；屏幕显示功能：画面美观、清晰、色彩鲜亮柔和，窗口界面风格统一；显示画面可以多窗口显示；显示一次结线图实时工况，曲线（负荷曲线、电压曲线等），具有历史数据的图表显示功能。
报表打印功能：系统具有简单、方便、灵活的报表生成子程序，可以打印多种类型的日、月、年报表，日报表可以保存一年，年报表可以保存十年；事件记录和追忆功能：系统对开关跳、合闸可以记录打印、相应显示画面变色、闪光、报警、屏幕显示事件信息；系统对模拟量产生越限值时，可以打印记录并报警；系统具有事件追忆功能；系统自动记录所发生的各类事件，便于操作人员了解供配电系统历史情况；系统应备有潮流分析表；人机对话功能：操作界面非常友好，菜单操作简单，重要操作有口令要求；操作机面汉化；语音报警；系统具有软件自诊断功能。
2 电气火灾监控功能要求
电气火灾监控主要用于预防因线间端子或线路发热温度缓慢升高，或泄漏电流缓慢变大而引发金属性短路、过载故障或接地电弧性故障，进而引发火灾。
电气火灾监控主机应具有故障报警指示功能、复位功能、消音功能等。并通过电力监控系统能够在电力监控计算机实现对电气火灾探测数据的实时监控，具体要求同电力监控有关描述。
3 数据传输
电力监控数据及电气防火灾监控数据由变电所内的以太网交换机进行数据汇总，收费站内数据传输至站内监控系统交换机，服务区内数据传输至服务区监控室内的监控交换机，由通信系统配备光缆传输至管理分中心；经管理分中心的三层以太网交换机将数据传输至电力监控计算机。各场区内的弱电管道由建筑配电统一实施。
2.2产品需求
1）AM4保护装置
装置应针对不同一次设备可以灵活配置不同的保护功能，可以实现10kV及以下电压等级变配电站保护测控功能，适用于线路、母联、配电变压器、PT等设备的保护和自动控制功能。
采用高性能的硬件平台、工业级元器件、严酷的EMC设计，具有在线自检测试程序；应具备独立CPU和独立RAM，采用高性能处理器作为保护CPU，配置以大容量的RAM和Flash，使产品具有极强的数据处理、逻辑运算和信息存储能力。
装置采用全汉化大屏幕液晶显示，人机界面清晰易懂；灵活的按钮设计，菜单式操作简单、便捷；配备的计算机界面的调试与分析软件，调试及维护简单方便。
至少具有8路模拟量通道，可选择为保护电流、电压输入；交流电压输入端口应可接相电压，也可接线电压或零序电压或不平衡电压，适应各种PT接线方式。应具有零序零序和零序电压测量功能，并与电力监控系统配合实现小电流接地选线功能。至少12路交直流两用、110V/220V自适应的开关量输入。至少5路开关量输出；所有接口资源均支持图形化可编程、任意配置。至少具有1个RS485通信接口、1个RS232维护口。
2）多功能数字式电表
AMC 系列智能电量采集监控装置，是针对电力系统、工矿企业、公用设施、智能大厦的电力监控需求而设计的 智能仪表，它集成电力参数的测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率 因数)以及电能监测和考核管理。同时它具有多种外围接口功能可供用户选择：带有 RS485 通讯接口，采用 MODBUS-RTU 协议可满足通讯联网管理的需要；4-20mA 的模拟量输出可与测量的电参量相对应，满足 DCS 等接口要 求；带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的“遥信”和“遥控”的功能。采用高亮度 LED/LCD 显示界面， 通过按键来实现参数设置和控制，非常适用于实时电力监控系统。可以直接取代常规电力变送器及测量仪表。作 为一种智能化、数字化的前端采集元件，该仪表已广泛应用于各种控制系统、SCADA 系统和能源管理系统中。
2.3产品上图方案
本工程10kV/0.4kV配电工程共有24个变电所，以香炉寺隧道变电所为例，上图方案如下：
2.4产品明细
整个快村营至营盘段新晋高速公路共有24个变电所，变电所所设产品类型及数量如下：
产品类型 | 电气火灾探测主机 | 12回路电气火灾监视器 | 10KV进线测控保护装置 | 10KV出线测控保护装置 | 10KV多功能数字电表 | 三项多功能数字测控电表 | 三相多功能数字式电表 |
九圣营收费站 | 1 | 4 | 0 | 0 | 0 | 3 | 37 |
北新庄收费站（分中心） | 1 | 4 | 0 | 0 | 0 | 3 | 36 |
辉县服务区 | 2 | 4 | 0 | 0 | 0 | 6 | 42 |
金牛寺服务区 | 1 | 4 | 0 | 0 | 0 | 3 | 36 |
主线停车区 | 1 | 4 | 0 | 0 | 0 | 3 | 21 |
香炉寺隧道 | 1 | 4 | 1 | 1 | 3 | 4 | 44 |
横岭隧道小里程端 | 1 | 5 | 1 | 1 | 3 | 4 | 45 |
横岭隧道大里程端 | 1 | 5 | 1 | 1 | 3 | 4 | 45 |
马沟隧道小里程端 | 1 | 5 | 0 | 0 | 0 | 4 | 24 |
南湖隧道小里程端 | 1 | 5 | 1 | 1 | 3 | 4 | 45 |
南湖隧道大里程端 | 1 | 5 | 1 | 1 | 3 | 4 | 45 |
韩口隧道小里程端 | 1 | 8 | 2 | 3 | 7 | 5 | 63 |
韩口隧道横洞变电所 | 1 | 4 | 2 | 4 | 8 | 5 | 34 |
韩口隧道大里程端 | 1 | 7 | 2 | 3 | 7 | 5 | 47 |
白楝树隧道小里程 | 1 | 6 | 1 | 2 | 4 | 4 | 40 |
嵩坪隧道小里程端 | 1 | 4 | 1 | 1 | 3 | 4 | 44 |
嵩坪隧道大里程端 | 1 | 7 | 1 | 1 | 3 | 4 | 57 |
柳园隧道小里程 | 1 | 5 | 1 | 1 | 3 | 4 | 45 |
柳园隧道大里程 | 1 | 5 | 1 | 1 | 3 | 4 | 45 |
轿顶山隧道小里程端 | 1 | 6 | 1 | 1 | 3 | 4 | 51 |
南马鞍隧道小里程端 | 1 | 6 | 1 | 2 | 4 | 4 | 56 |
南马鞍隧道大里程端 | 1 | 6 | 1 | 2 | 4 | 4 | 51 |
王莽岭隧道 | 1 | 7 | 1 | 1 | 3 | 4 | 57 |
上述所有变电所共计47台微机保护装置AM4，160台电力仪表AMC96L，1010台电力仪表AMC72L，24个ANET网关，1套电力监控系统；24台电气火灾主机Acrel-6000B3，116个电气火灾监视器ARCM。
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AcrelEMS-HIW高速公路综合能效系统，主要实现对新晋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、邮箱液位仪、风机软启动器和电气火灾监控等。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，实现电力监控功能。整个系统的架构如下：
图4 系统架构图
AcrelEMS-HIW高速公路综合能效系统可实现的功能如下：
1）电力综合看板：可查看整个平台的一个概况，包括变电站数量、变电站分布位置；变压器数量、总装机容量，统计出的整个系统当前的总功率和当日的总用电，也可监测网关、仪表的运行状态；展示了接入的光伏站点的信息，包括发电功率和当日发电量；还有运维任务的情况，代办、在办、办毕的个数，统计出任务完成率；报警情况统计，统计出报警程度的分布情况，报警滚动显示，平台当月每天的报警数量统计。
2）全路段监控：沿途数十几个配电房绘制在一张K线图里面，点击每个站跳转相关配电图画面显示，使整条高速公路的配电系统一图掌握。
图6 K线图界面
3）实时监测：以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，可以实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分闸状态。
图7 九圣营收费站配电监测界面
图8 王莽岭隧道配电监测界面
4）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、总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能等。
5）运行报表：查询各回路或设备指定时间的运行参数，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，报表格式有日报表、月报表、年报表等。
图9 运行报表界面
6）实时告警：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。
7）历史事件查询：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信息进行历史追溯，查询统计、事故分析。
8）故障录波：能够在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。
9）事故追忆：能够自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时稳态信息，包括开关位置、 保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。
10）曲线查询：能够查询实时曲线和历史曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数等所有遥测量。
11）用户权限管理：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）。系统可以定义不同操作权限的权限组（如管理员组、工程师组、操作员组等），在每个权限组里分配不同用户，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
12）电气火灾监测：针对低压用电环节各回路中的剩余电流、温度和故障电弧等进行实施监测；侧重点为低压用电环节的安全性，当剩余电流越限时报警输出，以提醒维护人员进行安全检查，防止因漏电引起的火灾发生，实现对高速公路电气安全预警。
图10 电气火灾监测界面图
13）遥控功能：根据电力规程要求，可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。
14）通信管理：可以对整个配电系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。
本项目微机保护就地分散安装在各个高压开关柜上，保护装置、电气火灾监测装置以及电能表现场安装如下图所示。
图9 微机保护、仪表、电气火灾装置在新晋高速公路配电工程现场安装图片
5
结语
AcrelEMS-HIM高速公路综合能效管理系统为高速公路能源管理提供监测及控制，主要包括电力监控、电气消防、能耗分析、电能质量监测和治理、环境监控等功能。其中电力监控系统及电气火灾监控系统主要设置于各隧道、收费站、服务区等场区的供配电系统，便于运营维护人员对高速公路沿线供配电设施的运营状况实时检测，能够及时发现电气安全隐患及电气故障，并能够对场区用电数据进行报表及统计。有效降低工作人员劳动强度、提高工作效率、避免人为事故发生、有序保证高速公路可靠运行。