高玲

（北京瑞拓電子技術發(fā)展有限公司，北京 100043）

0 引言

隨著交通工具的發(fā)展，高速公路已經成為現(xiàn)代交通運輸?shù)闹匾M成部分。高速公路機電工程是高速公路建設中不可或缺的組成部分，安全高效的供電系統(tǒng)是高速公路各項設施正常運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，外場設備一般由低壓配電柜直接進行供電，一般情況下，該系統(tǒng)只有4km以內的供電距離。

低壓380V 直接供電方案的核心是通過一個高壓變頻器將380V 直流電轉換為交流電，然后通過一系列的開關柜進行變換和分配到不同的設備上。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，以達到控制目標的目的。同時，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還需要設置一些保護措施，如過載保護、短路保護等。

除了高壓變頻器外，還有其他關鍵部件參與整個系統(tǒng)的構成中。例如，開關柜用于轉換交流電為直流電或反向交流電；逆變器用于將交流電轉換成直流電；濾波器用于過濾掉諧波等干擾信號；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)的正常運轉。380V 直流電源的直接供電方案能夠有效解決傳統(tǒng)電網(wǎng)存在的問題，并且具備較高的經濟性和環(huán)保性[1]。

1.2 中壓6kV/10kV 間接供電方案

針對距離在4km 以上的用電設備，一般采用6kV或10kV 的供電電壓，在負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，并以此進行二次配電。

1.3 風光互補供電方案

風光互補供電系統(tǒng)的原理在于將風能轉變成交流電，將太陽能轉變?yōu)橹绷麟?，轉變后的交流電在整流器的作用下向蓄電池充電，轉變后的直流電則直接為蓄電池進行充電。在整個系統(tǒng)中，蓄電池的作用在于進行電能的儲存和調節(jié)[2]。

2 智慧供電系統(tǒng)概述

智慧供電系統(tǒng)是現(xiàn)代電力供應的重要組成部分，其建設需要遵循一系列的原則。首先，智慧供電系統(tǒng)應該具備高效率和高可靠性的特點，以滿足用戶對電力需求的快速響應和穩(wěn)定供給的要求。其次，智慧供電系統(tǒng)應具有較高程度的智能化功能，能夠實現(xiàn)自動化控制和遠程監(jiān)測，提高管理效率和系統(tǒng)安全性能。再次，智慧供電系統(tǒng)還應注重環(huán)保性和可持續(xù)發(fā)展性，采用綠色能源技術，減少環(huán)境污染和資源浪費。最后，智慧供電系統(tǒng)需要考慮經濟效益和社會效益之間的平衡，盡可能降低成本并增加收益，為社會創(chuàng)造更多的價值。為了確保智慧供電系統(tǒng)的建設質量和效果，需要建立完善的技術標準和監(jiān)管機制。同時，還需要加強人才培養(yǎng)和科研投入，不斷推進智慧供電系統(tǒng)的創(chuàng)新和發(fā)展。

3 智慧供電系統(tǒng)在高速公路機電工程中的應用分析

3.1 智能化管理的實施步驟

一是前期準備工作。在進行智能化管理之前，需要對相關設備和設施進行全面的調查和評估。二是數(shù)據(jù)采集與分析。智能化管理的基礎是數(shù)據(jù)的收集和處理。為了實現(xiàn)智能化的管理目標，需要對各種數(shù)據(jù)源進行采集和整合，并將其轉化為可用的數(shù)據(jù)形式。三是智能化管理系統(tǒng)的設計與搭建。智能化管理系統(tǒng)的設計和搭建是一個復雜過程，需要考慮到多種因素的影響。因此，在實際應用中要注重效果的評價和反饋機制的作用，及時發(fā)現(xiàn)問題并加以解決，不斷優(yōu)化和完善管理方案。

3.2 智能化管理的實現(xiàn)方式

隨著信息技術的發(fā)展，智能化的管理已經成為現(xiàn)代企業(yè)管理的發(fā)展方向。對于高速公路電氣設備而言，傳統(tǒng)的機械式管理已經無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，其中最常見的是基于物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，通過將各種傳感器和控制器連接到網(wǎng)絡中，可以實時獲取設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進行遠程監(jiān)測和控制，能夠更加準確地掌握設備的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障點，從而提高系統(tǒng)的運行效率。還可以利用人工智能算法對設備的數(shù)據(jù)進行分析和預測，為設備維護提供更好的支持。除了物聯(lián)網(wǎng)技術外，還有其他一些智能化的管理方法可供選擇。例如，可以通過大數(shù)據(jù)技術對設備的歷史數(shù)據(jù)進行挖掘和分析，找出規(guī)律性和趨勢，以便更好地制訂維修計劃和優(yōu)化方案；可以使用虛擬現(xiàn)實技術模擬設備的操作過程，以提高員工的專業(yè)技能和工作質量。這些方法各有優(yōu)點，需要結合實際情況進行綜合考慮?？傊?，智能化管理是一種先進的管理理念和實踐方法，能夠幫助高速公路電氣設備實現(xiàn)更高效、更可靠的運營。在未來，智能化管理方法會不斷提升設備的性能和服務水平。

4 智慧供電系統(tǒng)在高速公路機電工程中的應用案例分析

4.1 項目概況

傳統(tǒng)的高速公路機電工程往往存在效率低和安全隱患等問題，不僅影響道路的使用效果，還造成能源浪費。智慧電源系統(tǒng)通過在高功率輸入電路上配置發(fā)電機、電池、雙線電源等方法，使現(xiàn)場電源和監(jiān)控設備能夠不間斷地供電，從而最大限度地減少高功率輸入時停電的影響。以某高速公路為例，該區(qū)域交通量較大且車速快，一旦出現(xiàn)故障將會給車輛和人員帶來極大安全隱患。針對此問題，采用了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧供電方案進行供電系統(tǒng)改造升級，通過安裝智慧化設備實現(xiàn)對全線電力供應情況的實時監(jiān)測與控制[3]。

4.2 項目分析

通過將大量分布均勻的無線傳感器部署在道路沿線及各個重要節(jié)點上，可以實時監(jiān)測車輛信息并及時反饋給監(jiān)控中心或其他相關部門，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，因此需要確保各站點之間的電力供應充足穩(wěn)定。由于高速公路上行駛的汽車數(shù)量龐大，對于電能質量的要求也非常嚴格，針對這一情況，選用了施耐德電氣公司的UPS 不間斷電源產品作為主要備選項，可有效應對斷電故障，保障用電設備正常運行[4]。

與此同時，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 燈具進行照明，并設置了自動控制裝置，可根據(jù)季節(jié)變化和天氣狀況等因素自動調節(jié)燈光亮度和色溫，使路面照度始終保持在適宜范圍內，提升駕駛員的視覺舒適感。

4.3 總體設計

將全線各路段的收費站、隧道變電所等重要節(jié)點作為主要監(jiān)測對象，利用物聯(lián)網(wǎng)技術構建一套完整的智慧感知體系。通過前端傳感器采集設備運行參數(shù)、環(huán)境溫度濕度以及視頻圖像等多種信號，經過數(shù)據(jù)預處理后傳輸至數(shù)據(jù)采集與處理平臺進行存儲、分析和展示。此外，還設置了多個遠程終端單元（RTU）用以擴展監(jiān)測范圍，確保對所有設備設施全面覆蓋，該模塊主要負責采集各個傳感器節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)。

設計采用了Modbus-RTU 通信協(xié)議，實現(xiàn)對各類模擬量、數(shù)字量等參數(shù)的實時采集和上傳。同時，為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c穩(wěn)定性，還需進行一系列的數(shù)據(jù)處理與校驗工作。具體而言，當某個節(jié)點發(fā)生故障時，會自動切換至備用節(jié)點繼續(xù)完成數(shù)據(jù)的采集和上傳任務。而在數(shù)據(jù)傳輸過程中，也需要進行多次校驗以排除錯誤或異常值的干擾?；谏鲜龉δ苄枨?，選用了研華公司生產的ADAM-5021 作為主控芯片，配合相應的電路設計和程序開發(fā)，成功地實現(xiàn)了對各類信號的采集、處理和控制。其中，硬件部分包括電源管理單元、信號調理單元以及模數(shù)轉換單元等，這些設備均按照一定的規(guī)律分布在整個系統(tǒng)架構中，彼此之間通過總線進行連接，構成一個完整且獨立的信號處理平臺。主控芯片接收來自各個從站節(jié)點的數(shù)據(jù)后，經過初步處理后再發(fā)送至上位機進行進一步分析和處理。值得一提的是，由于該系統(tǒng)涉及多個學科領域的知識交叉應用，因此在軟件設計方面還需充分考慮其實際使用環(huán)境和操作習慣，力求簡單易用、易于維護。

4.4 方案優(yōu)勢

一是優(yōu)化成本，減少電纜鋪設。在傳統(tǒng)供電方案中，需要在4km 隧道兩側設置變電站。全隧道照明設備和監(jiān)控設備采用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)場照明設備、應急照明設備、監(jiān)控設備采用多回路供電敷設電纜，并匯總至隧道照明配電柜，采用開關控制的形式進行開關。在智慧供電方案中，智慧供電上端電源柜只需在4km隧道單側變電站設置，將380V 輸出電源升至3300V 或1000V，然后通過單孔輸出兩個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，為隧道內所有照明設備和監(jiān)控設備供電。由于供電方式具有遠程供電優(yōu)勢，只需采用單側供電方式鋪設電纜，有效減少電纜鋪設工程量。

二是實用便捷，遠程控制與操作。依托云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代通信技術，將傳統(tǒng)的現(xiàn)場操控模式轉變?yōu)檫h程在線操控或無人值守操控模式，實現(xiàn)對各類設施設備的自動化啟停、調節(jié)、檢測、保護等功能，大幅度降低人員工作強度和安全風險[5]。

具體內容如下：第一，數(shù)據(jù)采集與存儲測試。通過模擬各種異常情況下的工作場景，檢驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲等環(huán)節(jié)是否正常運行。同時，還需檢測系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)量存儲時的性能表現(xiàn)，經過多次測試，結果表明該系統(tǒng)各項指標均符合要求，且具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。第二，設備控制及監(jiān)測測試。針對不同類型的設備，分別進行了遠程控制和實時監(jiān)控測試。例如，通過手機APP 可以實現(xiàn)對變電所內所有設備的開關機操作。而對于重要設備，如變壓器、UPS等，則采用傳感器進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測到的信息上傳至后臺服務器進行分析處理。此外，還可通過視頻監(jiān)控技術對現(xiàn)場作業(yè)過程進行全程記錄和追溯，為管理部門提供有力支持。第三，故障診斷及應急響應測試。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障或發(fā)生異常情況時，智慧供電系統(tǒng)會自動觸發(fā)相應的報警機制，并及時向用戶發(fā)送短信通知。同時，系統(tǒng)還會啟動備用設備或采取其他措施保證系統(tǒng)連續(xù)正常運行。經反復測試，該系統(tǒng)具備快速準確地判斷和解決各類問題的能力，能夠有效提升運維效率和服務質量。

5 智慧供電系統(tǒng)在高速公路機電工程中的應用策略

5.1 實用性原則

智慧供電系統(tǒng)是現(xiàn)代電力供應的重要組成部分，其建設的目標是實現(xiàn)智能化和自動化的電力管理。智慧供電系統(tǒng)通過對電力網(wǎng)絡進行監(jiān)測和分析，可以提供更加準確的數(shù)據(jù)和預測，從而提高電網(wǎng)的可靠性和安全性。同時，智慧供電系統(tǒng)還可以為用戶提供更好的服務體驗，例如實時查詢電費、遠程控制設備等。因此，智慧供電系統(tǒng)的建設另一個重要的任務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。對于高速公路機電工程而言，其智慧化改造應該以其實際需求為出發(fā)點，確保所設計出來的方案能夠切實可行、好用易用。

5.2 可靠性原則

高速公路機電設備數(shù)量龐大且分布范圍較廣，在進行智慧化改造時要保證其穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，避免因為故障而導致整個項目停工。同時，智慧供電系統(tǒng)在高速公路機電工程應用過程中，應該充分利用先進技術來提升系統(tǒng)的性能和效率。此外，智慧供電系統(tǒng)的建設還需注重安全保障。為了避免系統(tǒng)故障帶來的風險，需要加強設備監(jiān)控和數(shù)據(jù)保護措施，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應措施加以解決，也需要注意網(wǎng)絡攻擊等問題，建立完善的信息安全體系，防范各種可能的風險。

5.3 安全性原則

隨著信息技術的不斷發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)等新技術的廣泛應用，越來越多的敏感信息需要被保護起來，這就要求在進行智慧化改造時應當充分考慮到網(wǎng)絡安全問題，采取相應措施保障系統(tǒng)及人員的人身財產安全。

5.4 經濟性原則

在進行高速公路機電工程智慧化改造過程中，應當注重節(jié)約成本，提高效益。一方面可以通過優(yōu)化設計方案減少不必要的開支，另一方面則可采用先進的節(jié)能環(huán)保技術降低能源消耗，從而達到節(jié)省降耗的目的。

6 結語

綜上所述，智慧供電系統(tǒng)不僅具有良好的實用價值和經濟效益，還能夠提高高速公路機電設施的智慧化水平，對高速公路向“智慧公路”方向發(fā)展有著深遠的影響，智慧供電與“智慧公路”的協(xié)調發(fā)展是不可分割的。高速公路照明、應急照明、監(jiān)控、交通安全管控等系統(tǒng)設備應充分利用智慧供電提供的技術資源和操作平臺，推進優(yōu)化智能化設計方案，集成高速公路綜合性智能化平臺，從而推進新時期新型智能化高速公路建設，賦予現(xiàn)代化高速公路以新的內涵。