公路項目機電工程的設備管理系統探討與應用

摘要：機電設備管理系統是高速公路項目的重要組成部分，當前的機電設計及運行還存在一些不足?；诖?，文章以具體工程為案例，論述了機電系統設備的特點和現狀，分析了在設計及應用方面存在的問題，提出了全新的智能化高速公路機電設備管理系統。通過開展實測檢驗，證明該系統有助于機電設備管理效率的提升，且節約維保費用，具有較高的實用價值。

關鍵詞：高速公路項目；機電設備管理系統；功能設計；維修流程

0 引言

該文對高速公路機電設備管理的現狀進行分析，發現在設計及運行方面的問題，以某工程案例為分析對象，設計出全新的智能化高速公路機電設備管理系統。

1 高速公路機電系統設備特點及現狀

1.1高速公路機電系統設備特點

（1）系統技術集成度高：高速公路機電系統具有較高的集成度，交叉運用了電子、自動控制、通信、電路以及交通機械等多學科技術，從而為該系統的穩定運行奠定了基礎。

（2）設備分布范圍廣，涉及面較大：機電設備廣泛分布于高速公路的收費站、沿線隧道及管理場所等地，正因為分布范圍廣，才對信息傳遞的時效性、準確性有很高的要求。

（3）設備故障率高，更新速度快：設計該管理系統，采用了多項技術，及時進行技術的更新換代，才能保證機電設備正常穩定運行，為高速公路的暢通運行提供堅實的保障。

1.2高速公路機電設備管理系統的現狀

近年來，高速公路通車總里程不斷攀升，配套機電設備的使用量也與日俱增，得益于科學技術的不斷發展，各種新設備也層出不窮，并得到廣泛的應用。針對不同類型的機電設備，其維修方式也存在一定的差異，可將其劃分為如下3種模式：

（1）事后維修模式：該模式的維修難度低且成本低，但時效性較差，在判斷機電設備出現問題后，才開始維修，無法及時維修機電設備，影響設備的正常使用。

（2）預防維修模式：該模式是通過制定例行巡檢劃，運用相關技術制定并實施有效的預防措施，避免電設備出現故障。其優點在于采取預防措施，消除故障隱患，將機電設備出現故障的概率降到*低，其缺點是需要定期巡檢，消耗較高的人力物力。

（3）生產維修模式：①該模式在機電設備管理系統中已得到廣泛應用，涵蓋了預防、事后維修模式，同時還對維修模式進行了創新發展，在機電設備的設計階段，就已將其穩定性內容綜合考慮在內，立足于常規保養，實現統籌維修，兼具各種維修模式的優點。②機電設備的管理具有一定的周期，可據此將設備生產維修劃為設置階段和維持階段，前一階段的主要內容側重于設備的規劃、設計以及交付運行方面的內容，主要是在施工環節的主要性能實現，后一階段的內容包含設備交付后的使用、運維以及報廢等內容，主要是在使用環節開展維保工作。

2 高速公路機電設備存在的問題

高速公路機電設備管理主要有日常維護、定期巡檢、問題排查以及系統升級等，管理內容較多，且具有較高的難度。機電設備管理方面，因為維修規范制度內容不合理、專業度較低等問題，導致設備管理標準不一致、內容不規范，管理手段不全面，各類機電設備不能發揮*大效率。

（1）機電設備管理具有較高的專業度，各類網絡、電力、自動化及通信設備屬于其管理范圍，設備的維護保養，要提升工作效果，配備具有一定專業技能的工作人員。現階段，還未建立起科學完整的機電設備管理系統，管理工作水平較低，工作人員專業技能參差不齊，且人員配備不足，嚴重影響公路機電設備的正常維修保養。為解決上述問題，要求規范維修作業標準，組建專業的人員隊伍，配備充足的人員數量。此外，因為公路機電設備使用量越來越多，道路汽車通行量快速增加，需要進行大規模的系統升級，但機電系統擴容、技術升級等方面，缺乏統一、規范的標準。公路機電設備投入使用幾年后，其設計能力就已無法滿足現實需求，開展系統擴容與升級

（2）設備管理系統的智能化、信息化程度較低，由于未搭建完備的數據庫，設備入庫信息不完整，無法有效管控各類數據信息，信息資源的價值不能充分體現出來。

（3）機電設備運轉過程中，自動檢測系統有時未開啟，致使無法準確及時檢測公路交通狀況，安全隱患較大，予以解決。

（4）未實現對機電設備的全生命周期過程管理，因為沒有運用現代化信息技術，無法快速獲取機電設備的使用年限、故障頻次及維修時間等內容信息。

（5）還未共享各類資源，不能形成合力。采購使用的機電設備不同，需要采用不同的維修技術，按路段劃分機電設備維修任務，工作人員有各自分工，只負責維修某段公路的機電設備。維修技術及資源不能交流共享，嚴重影響到設備維修工作的質量。

3 智能化高速公路機電設備管理系統的提出

現階段，高速公路機電設備系統主要有收費、通信、監控及供電系統構成，各個系統發揮著各自作用，服務于高速公路的正常通行。該文以某高速公路為研究對象，設計出高速公路機電設備智能管理系統，公路總里程為3.452km，設置有238個收費站，78對高速服務區，沿線共有15座隧道，配套安裝有十萬多套機電設備。結合該路段的實際情況，制定科學的機電設備系統管理維護模式，主要為自行維護，輔以專業維護。

3.1設備管理系統的總設計

使用B/S架構開發設備管理軟件系統，用戶無需下載安裝客戶端，可隨時隨地使用，不存在任何限制，服務區的負載可得到極大緩解?；贐/S架構的應用，設計三層架構，并根據不同的業務類型，劃分為表現層、業務邏輯層及數據訪問層，機電設備管理系統的設計過程中，實現與移動端的交互使用，系統架構共由三部分組成：①前端的功能頁面系統功能可以用戶實現良好的交互作用。②后臺服務端邏輯，可查詢后臺數據邏輯，并根據實際需要作出修改。③手機移動App，便于用戶使用該系統。

3.2設備系統的功能模式設計

該系統的主要功能為設備維修管理、倉管、維保管理、數據管理、車輛管理以及系統設置管理等。

4 智能化高速公路機電設備管理系統的實測

通過具體分析該系統的維護管理功能模塊可知，在設備操作者遇到設備故障問題時管理系統會及時將故障信息傳送至設備維修人員，后者在管理系統頁面填寫保修單提交資料后，開展機電設備維修工作。

設備管理系統的維修模塊中，設計有各種功能表單，用于設備故障報修、派修、維修以及費用核算等，具體流程維修流程如下：

（1）設備出現故障后，需要在管理系統中報修，填報故障出現時間、故障表現及所處位置等信息。

（2）錄入完信息后，會向工作人員出具派修單，接收到后開始維修工作，并將維修信息填在維修單上，主要內容為維修時間、采用的方式、工作結果及完工時間等。

（3）系統接收到工作人員填報的維修單后，會審核其內容結果，而且有專人對維修工作進行全過程監督，并對維修結果進行檢查，評價維修工作成效。

（4）機電設備維修工作結束后，期間產生的各項費用，系統會做統一的核算確認，核定之后，各項費用明細及類別會在管理系統中顯示，同時工作人員的工作成果、工作態度評價信息也能在管理系統中查詢。

通過開展設備管理系統實測可知，運用該系統，一方面能快速排查機電設備的故障問題，做好故障隱患預防，減少出現的概率。另一方面當設備出現問題后，能快速響應并實施維修，設備的運轉效率得到明顯提升，確保高速公路安全暢通。此外，還可準確監控設備修的費用支出，提高維修費用的實效，杜絕額外開支。

5 高速公路供配電監控系統

5.1概述

近年來，我國的高速公路發展非常迅速，已形成遍布全國的高速公路網，它在對國家經濟發展作出突出貢獻的同時，也對高速公路管理及運營的自動化、智能化提出了嚴峻的考驗。高速公路自動化管理系統一般由通信、收費、監控和供配電4個子系統組成，而通信、收費和監控系統穩定運行的基礎是供配電系統的穩定運行。

高速公路供配電監控系統對高速公路沿線的變電站內的高低壓配電設備、發電機、變壓器、UPS、EPS、外場照明、隧道內的理地式變壓器與照明、通風及排水等機電設備進行實時分布式監控和集中管理,實現無人值守,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。

高速公路供配電監控系統包括隧道變電所、服務區變電所、收費站變電所、沿線箱式變電站、互通樞紐、路燈電源、風機控制箱等區域的電力綜合監控。

圖1高速公路監控對象

5.2項目需求

高速公路供配電系統傳統維護的缺點有以下幾點：

1、巡檢工作量大：由于變電所分布在幾十至幾百公里的高速公路上，需要沿高速路逐一巡查；

2、設備發生故障后上報不及時、維修效率低；

3、維護、維修狀態無法實時監控，維護、維修進度無法及時督查跟蹤；

4、缺乏信息化手段進行設備管理維護，導致隱患無法及時發現；

5、由于缺乏統一的監管平臺，機電設施運行狀況無法及時、全面、準確掌握。

6、無法實現綜合查詢分析，提供輔助決策支持；

7、無法即時排查電氣隱患、隱蔽工程隱患檢查難；

針對高速公路傳統維護的缺點，為了保障高速公路供配電系統的穩定運行并減少維護人員的工作量，設計了一套高速公路供配電監控系統，該系統的主要功能如下：

1、對配電房內的變壓器、開關柜電氣參數進行監控；

2、對配電房內的UPS、EPS電氣參數進行監視，當監測到UPS和EPS的電池電壓過低時，及時進行維護，避免停電后無法操作斷路器；

3、對配電房內的發電機進行監控，并對發電機油箱的油位進行實時監控，避免油位過低影響發電機正常運行，以及柴油被盜后能及時發現并報警；

4、對配電房內饋線回路的漏電電流、線纜溫度進行監測和異常報警；

5、對隧道的照明回路進行遠程控制，對隧道的引道照明回路和加強照明回路進行手動和自動控制；

6、隧道內消防疏散通道、出口有明顯的指示燈具，并可以通過不同應急預案進行緊急控制；

8、根據隧道配電房內可燃氣體濃度及煙霧啟停排風風機；

9、監測隧道配電房內部環境溫濕度，煙霧、甲烷等可燃氣體監測、報警及聯動控制；

10、監控軟件采用B/S架構，全面接入以上監測數據，通過瀏覽器、手機APP或短信等方式提供數據監測和異常報警，并可通過系統發布維保、巡檢及搶修派工任務。

5.3參照標準

本方案遵循的國家標準有：

GB/T14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》

GBT14598.300-2008《微機變壓器保護裝置通用技術要求》

GB/T2887-2011《計算機場地通用規范》

GB50052-2009《供配電系統設計規范》

GB/T20965-2013《控制網絡HBES技術規范住宅和樓宇控制系統》

GB50116-2013《火災自動報警系統設計規范》

GB14287-2014《電氣火災監控系統》

GB25506-2010《消防控制室通用技術要求》

GB50116-2013《火災自動報警系統設計規范》

GB28184-2011《消防設備電源監控系統》

GB29364-2012《防火門監控器》

GB51309-2018《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》

JB/T10736-2007 《低壓電動機保護器》

GB/T15576-2008 《低壓成套無功功率補償裝置》

5.4方案設計

根據高速公路供配電監控系統要求，方案配置綜合監控系統和子系統解決方案。

變電所電力監控子系統

電氣火災監控子系統

消防設備電源監控子系統

消防應急照明和疏散子系統

高速公路供配電運維管理云平臺

方案建立基于云平臺的“監、控、維"一體化的綜合監控系統，從數據采集、通信網絡、系統架構、聯動控制和綜合數據服務等方面的設計，解決了高速公路監控系統中存在內部干擾性強、使用單位多及協調復雜的根本問題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了高速公路基礎設施、環境和設備的使用和恢復效率。

高速公路供配電監控監控系統

5.5電力監控子系統

電力監控系統主要針對隧道變電所、箱式變電站、收費站和服務區變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表、UPS、EPS和發電機進行保護和監控，主要是服務對象為高速公路供配電系統的維護人員，對實時性要求較高。

5.5.1電力監控子系統設備選型

變電所高低壓柜主要配置如下：

5.5.2電力監控子系統功能

實時監測

系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態，以及有關故障、告警等信號。

詳細電參量查詢

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、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線。

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.

實時報警

電力監控系統具有實時報警功能，系統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。電力監控系統具有實時語音報警功能，系統能夠對所有事件發出語音告警。

歷史事件查詢

電力監控系統能夠對遙信變位，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進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

電能統計報表

電力監控系統以豐富的報表體支撐量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。

用戶權限管理

電力監控系統為保障系統安全穩定運行，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）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

遙控操作

電力監控系統可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。例如配電系統維護人員可以通過監控系統的主界面點擊相應的斷路器遙信點調出遙控操作界面，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

網絡拓撲圖

電力監控系統支持實時監視接入系統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

5.5.3電能質量治理

ANAPF系列有源電力濾波器通過電流互感器采集系統諧波電流，經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產生諧波電流指令，通過功率執行器件產生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入電力系統中，從而抵消非線性負載所產生的諧波電流。

產品特點：

補償方式靈活：既可補諧波，又可兼補無功，可對2-51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

可治理三相不平衡；

線性補償，響應時間≤5ms；

具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統和本體的實時電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也可以本控；

采用進口IGBT，功率密度大，可靠性高；

采用DSP高速檢測和運算的數字控制系統；

監控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過PC機實時監控；

標準模塊化設計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。

ANSVG靜止無功發生器是一種用于補償無功、諧波治理以及不平衡調節的新型電力電子裝置；智能控制系統主動根據系統的線性動態需求，自動調節模塊的輸出；ANSVG整機主要是由ANSVG模塊組成；能完成更大容量的無功功率的補償，整機通過一個7寸觸摸屏實現人機交互。觸摸屏通過RS485與ANSVG模塊進行通信。

功能特點：

補償方式靈活：補償負載無功，濾除5、7、9、11、13次

以內的諧波；

可治理三相不平衡；

線性補償，響應時間≤5ms；

具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統和本體的實電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也可以本控；

采用進口IGBT，功率密度大，可靠性高；

采用DSP高速檢測和運算的數字控制系統；

監控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過PC機實時監控；

標準模塊化設計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。

5.6電氣火災監控子系統

電氣火災監控系統作為火災自動報警系統的預警子系統，由電氣火災監控主機、電氣火災監控單元、剩余電流式電氣火災探測器以及測溫式電氣火災探測器組成，通過現場總線構成一套完整的預防電氣火災的監控系統，數據可集成至高速公路監控系統。

高速公路電氣火災監控系統以防火分區為單位設置，采集數據后上傳至監控主機，實現對高速公路電氣安全預警?，F場設置的傳感器監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，異常時實時發出報警信號。

5.6.1電氣火災監控子系統設備選型

5.6.2電氣火災監控子系統功能

監控報警功能

監控設備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報警時發出聲、光報警信號，同時設備上紅色“報警"指示燈亮，顯示屏指示報警部位及報警類型，記錄報警時間，聲光報警一直保持，直至按設備的“復位"按鈕或觸摸屏的“復位"按鍵遠程對探測器實現復位。對于聲音報警信號也可以使用觸摸屏“消聲"按鍵手動消除。

控制輸出功能

當被監測回路報警時，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護電路或其他設備，當報警消除后，控制輸出繼電器釋放。

故障報警功能

通訊故障報警：當監控設備與所接的任一臺探測器之間發生通訊故障或探測器本身發生故障時，監控畫面中相應的探測器顯示故障提示，同時設備上的黃色“故障"指示燈亮，并發出故障報警聲音。

電源故障報警

當主電源或備用電源發生故障時，監控設備也發出聲光報警信號并顯示故障信息，可進入相應的界面查看詳細信息并可解除報警聲響。

報警記錄存儲查詢功能

當發生剩余電流、超溫報警或通訊、電源故障時，將報警部位、故障信息、報警時間等信息存儲在數據庫中，當報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。歷史數據提供多種便捷、快速的查詢方法。

5.7消防設備電源監控子系統

高速公路電力電纜、燃氣管線比較多，火災風險高，消防設備比較多，消防設備電源監控系統主要功能就是用于監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。

消防設備電源監控監控系統采用消防二總線，以高速公路防火分區設置區域分機采集消防設備電源狀態，區域分機通過二總線接收多臺傳感器的電壓、電流信息和開關狀態信息，以此實現對消防設備電源工作狀態的實時監視。

5.7.1消防設備監控子系統設備選型

5.7.2消防設備監控子系統功能

監控功能

監控器通過RS485總線接收多臺傳感器的電壓、電流信息和開關狀態信息，以此實現對消防設備電源工作狀態的實時監視。故障時發出聲光故障報警信號。

控制輸出功能

當被監測回路報警時，可控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護電路或其他設備，當故障消除后，控制輸出繼電器釋放。

報警功能

系統故障報警：程序不能正常運行時，監控設備發出聲光報警信號。

其它故障報警：主電源或備用電源出現異常，監控設備和傳感器回路發生短路、斷路等故障，或者傳感器發出被檢測電源的各種故障信號時，監控設備發出聲光報警信號。

記錄存儲查詢功能

當發生過壓、欠壓、錯相、過流故障報警或通訊、電源故障時，系統將故障報警部位、故障信息、故障報警時間等信息存儲在數據庫中，當故障報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。

主備電源切換功能

當主電源發生停電、欠壓等故障時，監控設備可自動切換到備用電源工作；當主電源恢復正常供電時，自動切回到主電源，切換過程中保證監控設備連續平穩運行。

5.8消防應急照明和疏散指示系統

高速公路的隧道距離比較長，空間狹小，200米設置一個防火分區，一旦發生火災，通過消防應急照明和疏散指示燈具指引快速疏散。

每個防火分區燈具數量較少，但是距離比較長，在每個防火分區設置小功率集中電源，通過光纖和控制器通訊，由于高速公路特殊環境，燈具需要具備IP65以上防護等級。

5.8.1消防應急照明和疏散指示系統設備選型

5.8.2消防應急照明和疏散指示系統功能

消防聯動

本系統與火災自動報警系統無縫對接，當發生火災時，第一時間得到火災信息，系統自動生成逃生路線。同時也可以通過自動和手動兩種方式進入應急狀態。

故障報警

本系統采用消防二總線將具有通信功能的設備和燈具相互連接起來，當監控系統中的設備及燈具發生短路、斷路等故障時，控制器能發出故障報警信號，指示故障報警地點并保存故障報警信息，*大限度地保障了電氣安全的可靠性。

系統監控

控制器可對系統內部的所有組件工作狀態進行24小時監控，實時檢測其工作狀態是否正常，包括集中電源、分配電裝置、燈具，火災報警時，能迅速發出指令，控制燈具的顯示狀態。

系統自檢

自動檢查控制器中所有狀態指示燈、顯示屏、喇叭、打印機是否正常。自檢功能分為常規自檢、月檢和年檢，定期檢查電路故障，消除安全隱患。常規自檢方式為所有指示燈閃亮、顯示器、音響器件發聲；月檢方式為上電24H后，每隔30天應急工作30~180秒；年檢方式為每年應急工作時間不少于30min。

記錄查詢

當系統發生應急啟動、故障等事件時，控制器能自動記錄事件類型，事件發生時間，事件發生區域以及事件的詳細信息，可在日志記錄中自定義查詢日期及范圍，控制器能存儲事件記錄超過10000條。

導光流

控制器可通過軟件界面設置燈具順序閃亮的頻率，2～32Hz可設。

6 高速公路供配電監控云平臺

高速公路監控中心中，使管理人員可以隨時輕易的掌握所有情況。 

系統采集高速公路供電系統內各個智能設備的信息，有異常時通過短信或APP推送報警信號，并且可以派發工單，并且進行跟蹤閉環處理。

6.1.平臺登錄

軟件采用B/S架構，用瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

6.2.平臺導航

平臺主頁顯示用戶管理變配電站的概況，包括用能月報、選定的變配電站狀態、變壓器狀態、運維中心、看板。

變電站狀態

變電站狀態包括概況、運行狀態、當日事件記錄、當日逐時用電曲線、用電概況。

變壓器狀態

變壓器狀態支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態數據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。

運維中心

運維中心展示當前用戶管理的有關變電所在地圖上位置及總量信息。

6.3.電力監測

電力監測包括電力數據、變壓器監測、運行報表、配電圖、電力極值表、運行日報、平均功率因數監視和統計頁面。

安科瑞侯文莉