王曙琿

（廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理中心 廣東廣州 510030）

1 項目背景

河（源）惠（州）東（莞）高速公路龍川至紫金段路線全長約為151.9km，起點（K0+060）位于廣東省龍川縣上坪鎮(zhèn)與江西省定南縣鵝公鎮(zhèn)之間兩省省界處，與江西省寧定高速安遠至定南段相接。路線呈南北走向，與梅河高速相交后，在終點（K150+710.6）與汕湛高速紫金連接線相接。是廣東省東部地區(qū)的一條南北向重要的出省通道。

取消高速公路省界收費站是黨中央和國務院作出的重大決策部署，實現(xiàn)不停車快捷收費是交通行業(yè)發(fā)展的需要。河惠莞高速龍紫段原設計12 處收費站，其中1 處為省界收費站。根據(jù)取消高速公路省界收費站的要求，該項目取消省界收費站1 處，新建ETC 門架系統(tǒng)28 套。因此需考慮適用于新增ETC 門架的供配電系統(tǒng)，為ETC 門架系統(tǒng)提供安全、優(yōu)質(zhì)的電源，確保ETC 門架系統(tǒng)有效、穩(wěn)定地運行，實現(xiàn)高速公路機電系統(tǒng)智能化管理。為降低供電成本及便于營運維護，下文將對該項目ETC 門架采用分布式智慧供配電系統(tǒng)進行深入地分析。

2 分布式智慧供電系統(tǒng)組成原理

2.1 系統(tǒng)介紹

由臨近市電T 節(jié)點引入三相380V（10kV 或6kV 可選）輸入，通過上端電源柜后輸出單相3.3kV（660V～10kV 可選）電壓。通過電纜將電力輸送到各用電點。在用電點（一個、多個或串型用電點）再通過下端電源箱將3.3kV 電壓轉變?yōu)?80V/220V 電壓向負載供電，如圖1～圖3 所示。

圖1 分布式智慧供電系統(tǒng)

圖2 上位機系統(tǒng)原理

圖3 下位機系統(tǒng)原理

2.2 系統(tǒng)特點

2.2.1 上下位機智能化特點

智慧供配電系統(tǒng)上位機采用多個CPU 組成控制網(wǎng)絡，CPU 之間采用CAN 總線通信，各CPU 協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)監(jiān)控、調(diào)制、顯示以及通信的模塊化功能。根據(jù)CPU 功能，可分為監(jiān)控CPU、控制CPU、顯示CPU 和通信CPU。下位機含有2～3 個CPU，其主要實現(xiàn)的功能為通信、控制和電能監(jiān)控，通過CPU 與傳感器之間的協(xié)調(diào)工作，可以使下位機對單個輸出回路進行調(diào)壓、開關控制，而不影響其他輸出回路。

2.2.2 智能通信技術

高速公路用電設備分散，通過負載端的各臺下位機，將負載運行情況和設備自身運行情況進行采集，通過智慧節(jié)能供電系統(tǒng)專用傳輸網(wǎng)絡或監(jiān)控設備數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，傳輸至上位機進行統(tǒng)一匯總。而上位機也可通過此網(wǎng)絡為下位機發(fā)布指令，實現(xiàn)了設備間的雙向通信，使整個供配電網(wǎng)絡更加智能化。

上下位機采用多傳感器、多CPU 的智能化處理，實現(xiàn)自我監(jiān)控、自我修復、主動控制和按需供電等多種智慧功能，從而實現(xiàn)了供配電系統(tǒng)的由傳統(tǒng)單一供電向智慧節(jié)能供電的發(fā)展。

3 分布式智慧供配電與傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)對比

智慧供配電與傳統(tǒng)供配電方案對比分析：

（1）低壓三相380V 供電方案，供電設施造價較低，后期維護成本較低。但傳輸距離較短（一般為4km），供電能力弱，需要三相平衡，線路成本根據(jù)負載情況變化較大。

（2）升降壓三相660V 供配電方案，傳輸距離適中（一般為10km），供電設施造價適中。但長距離供電能力不足，電纜需要重復敷設，需要三相平衡。

（3）中壓三相10kV 供配電方案，供電距離長，供電能力強。但要求供電設施耐壓等級高，造價高，電纜需要重復敷設，需要三相平衡。

傳統(tǒng)的供配電方案存在長距離供電系統(tǒng)存在二次配電的問題，需要大量使用供電電纜，造價昂貴；負載端都需要三相平衡，造成設計和施工難度較為復雜；若未配備無功補償設備，則系統(tǒng)功率因數(shù)低，無功損耗大，造成電網(wǎng)的自身損耗高，能耗大；機電設施用電負載中大量的開關電源使得電網(wǎng)的諧波含量高，電能質(zhì)量差，負載的使用壽命難以得到保證；智能化水平較低，管理者無法對供配電系統(tǒng)進行有效的監(jiān)管，運營維護的成本高。

4 分布式智慧供配電系統(tǒng)的應用

在取消省界收費站后，河惠莞高速龍紫段項目按ETC 門架選址要求，在該項目主線增設28 套ETC 門架系統(tǒng)。門架系統(tǒng)取電點（收費站、服務區(qū)、隧道配電房）按就近原則進行供電，其中省界站至上坪互通段ETC門架選址，詳見表1。

表1

省界ETC 門架系統(tǒng)主要設備構成包括：高清車牌識別儀、全景抓拍攝像機、補光燈、RSU 天線、車道控制器、防火墻（帶防病毒模塊）、以太網(wǎng)交換機、智能室外機柜，用電情況約3kW/處。

4.1 傳統(tǒng)供配電方案供電

省界至上坪互通段門架選址距離仰天堂收費站較遠，供電半徑約5.5km。采用傳統(tǒng)的380V 供電，由上坪互通仰天堂收費站供電，由于供電距離大于4km，無法滿足門架機電設備的正常運轉。如采用中壓10kV 供電，門架周邊無10kV 線路，需從上坪互通附近的10kV 龍川縣供電局業(yè)擴配套延長線接電，如圖4 所示。

圖4 10kV 供電方案

表2 中壓三相10kV 供配電方案造價估算

4.2 分布式智慧供電方案

在上坪互通仰天堂收費站配電房增設上位機將電壓升至1kV，然后在分別在K9+320、K11+465/K11+400、K12+380ETC 門架附近（考慮外場監(jiān)控設備）增設下位機，通過中壓電纜傳輸至下位機，下位機將電壓降至0.4kV，給ETC 門架及外場監(jiān)控設備供電，如圖5、圖6 所示。

圖5 分布式智慧供電方案

圖6 分布式智慧供電系統(tǒng)

表3 分布式智慧供配電方案造價估算

4.3 方案對比

4.3.1 建設期

（1）工程造價方面，根據(jù)上述方案分析對比，省界至上坪互通段ETC門架采用分布式智慧供電比傳統(tǒng)中壓10kV 供電節(jié)省造價約60%；

（2）施工方面，分布式智慧供電路徑可沿高速公路主線路肩布置，施工受外界因素影響甚少，而傳統(tǒng)中壓10kV 供電施工難度大，受限因素多，如用電設備周邊有無合適的T 接點、10kV 線路架設路由受征地拆遷影響等都制約著施工進度。

4.3.2 運營期

（1）用電成本，省界至上坪互通段ETC 門架每年用電總量為10.4 萬度電。采用分布式智慧供配電，用電有功因數(shù)可以達到0.95 以上，△P%=有功功率損耗比傳統(tǒng)供電降低45.7%，即每年節(jié)約電量約為10.4×45.7%=4.75 萬度電。

（2）設備維護，分布式智慧供配電能實現(xiàn)電力監(jiān)控功能，并可對供電系統(tǒng)每一個節(jié)點的電力參數(shù)進行采集分析，實現(xiàn)高速公路精細化管理，且避免了市電小范圍波動對設備的影響，同時可消除電網(wǎng)電壓瞬間閃變對用戶側的沖擊，消除高次諧波，過濾噪音，防止浪涌電流危害用電設備，保護設備安全及穩(wěn)定運行，延長設備使用壽命。

（3）其他，智慧供配電與傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)相比對養(yǎng)護人員的專業(yè)水平要求更高。

4.3.3 不足與改進建議

通過上述分析，在超長距離終端供電案例中分布式智慧供配電與傳統(tǒng)供配電相比較優(yōu)勢顯著，但分布式智慧供配電通過等位線圈進行變壓傳輸，在變壓過程中，上下位機設備會產(chǎn)生大量的熱量，存在設備體積小，散熱慢的問題，在實際使用中由于設備及場地的限制，一般情況下，下位機通常為露天安裝，長時間的發(fā)熱容易影響終端設備運轉。建議增加下位機散熱設施及遠程溫度告警系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)控，當設備出現(xiàn)異常時能及時通知養(yǎng)護人員到達現(xiàn)場進行設備維護。

5 結語

智慧交通是我國交通行業(yè)發(fā)展的趨勢，河惠莞項目龍紫段在取消省界收費站中，部分ETC 門架采用分布式智慧供配電方案，很好地解決了傳統(tǒng)式終端超長距離供電存在的供電質(zhì)量差、工程造價高、施工難度大、系統(tǒng)安全穩(wěn)定性差、耗能大等問題。為高速公路建設實現(xiàn)智能化、節(jié)能化提供了參考。