張春聲

(廣東省公路建設有限公司，廣州 510623)

0 引言

公路特大跨徑橋梁供配電系統(tǒng)的主要功能是為公路機電系統(tǒng)提供能源配給，具有以下特點：(1)公路橋梁機電設備呈帶狀分布于沿線，由于供電距離遠，負載量小而分散，供配電系統(tǒng)在傳輸過程中，供電線耗較大；(2)特大跨徑橋梁機電設備工作狀態(tài)的變化幅度較大，用電情況復雜多變，例如情報板、檢修電梯、抽濕設備等耗能量較大的設備，在啟動初期，瞬時啟動電流比額定工作狀態(tài)下的電流高1～2倍；(3)公路機電設備的負載特性比較復雜，在正常工作狀態(tài)下，供配電系統(tǒng)電網(wǎng)的電能質(zhì)量較差，存在諧波含量高、三相不平衡、無功損耗高等問題，導致供配電系統(tǒng)的自身損耗較大。

本文針對特大橋供電距離長的特點，提出智能按需分配分布式智慧供電方案，供電系統(tǒng)實時對回路負載量進行智能化檢測分析，動態(tài)調(diào)整不同供電回路，避免系統(tǒng)空載耗電，實現(xiàn)綠色環(huán)保的能源配給目標。

1 按需供電實現(xiàn)原理

針對公路供配電系統(tǒng)中的能效問題，為避免“大牛拉小車”的低能效模式，通過對供配電設備和負載進行系統(tǒng)化分類，提出機電系統(tǒng)按需分配能源的模型，實現(xiàn)供配電系統(tǒng)模塊化工作模式。通過對供電系統(tǒng)回路負載量的智能化分析，判別供配電的實時工作容量，將不工作的容量關停，降低供配電系統(tǒng)中變壓器、線纜的能耗損耗，實現(xiàn)節(jié)能減排的作用。

供配電系統(tǒng)智能化按需工作的技術方案如圖1所示，當供配電系統(tǒng)中一部分負載工作，另一部分負載處于休眠狀態(tài)時，可根據(jù)工作負載的容量智能化調(diào)整供電系統(tǒng)的供電模塊，使供電系統(tǒng)采用相應的功率工作，關閉冗余模塊，減少冗余模塊的空載損耗。

圖1 供配電系統(tǒng)智能化按需供電原理

由上述分析可知，要做到按需供電，其核心技術主要包括兩方面：一是具有智能的供配電方案，能夠按需分配模塊；二是供電系統(tǒng)回路負載量的智能化分析，分不同回路智能供配電系統(tǒng)，避免系統(tǒng)空載耗電。

2 分布式遠距離智慧供電系統(tǒng)構成

結合分布式單相供電技術，研究一種智能控制技術應用于分布式單相供電系統(tǒng)，提高機電設施控制智能化程度，通過智能供電系統(tǒng)的單個回路遠程控制及調(diào)壓方等式，實現(xiàn)簡單、易行的按需供電智能控制方法。

技術原理如圖2所示，整體技術分為上端設備與下端設備。上端設備的主要功能是將變電所端的三相電輸入進行三相平衡處理，得到一個單相電輸出，然后進行升壓傳輸；下端設備的主要功能是將上端輸送的中壓電進行降壓處理，得到一個可為負載直接供電的電壓等級，然后給各個回路進行供電。為了實現(xiàn)智能化的控制技術，下端設備中包含有監(jiān)控模塊，實現(xiàn)對各個供電回路的實時監(jiān)測與控制。供電方案如圖3所示。

圖2 智能控制技術原理

圖3 外場監(jiān)控照明等主要設備供電方案

3 分布式智慧節(jié)能供配電在南沙大橋工程的應用

南沙大橋主線全長12.89km，主線工程均采用橋梁結構，包含兩座超千米級懸索橋(分別為主跨1 200m的大沙水道橋和主跨1 688m的坭洲水道橋)。通過3.3kV的中壓分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)，解決了特長橋梁遠距離機電設備的用電問題。

3.1 系統(tǒng)架構

采用低壓輸入，通過升壓輸出3.3kV電壓，再通過下位機降壓向負載供電。

圖4 系統(tǒng)示意圖

3.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)和關鍵設備選型

南沙大橋在東側沙田管理所和西側大沙橋變電所共4臺上端電源柜。上端機升壓電源柜采取380V三相市電作為輸入電源，通過上端機電源柜升壓整流后輸出單相3.3kV電壓，經(jīng)過電力電纜對沿線下端電源箱進行供電；下端機電源箱將3.3kV降壓為220V低壓向橋梁外場設備(路燈、攝像槍、微波車檢器、情報板、主線ETC門架、高清卡口等設備)供電。綜合智慧供電系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性分析，結合鋼箱梁橋梁空間和環(huán)境實際情況，上端機升壓電源柜具備以下技術特點：

(1)特種干式升壓變壓器，噪音小，溫升低，免維護；

(2)基于微機控制IGBT 和PWM 開關技術設計，具有體積小，效率高等特點；

(3)采用自動穩(wěn)壓系統(tǒng)；

(4)軟開機、軟關機，延長設備的使用壽命；

(5)來電自動上電啟動，無需手動操作；

(6)線路全部進行防潮處理，適于潮濕地區(qū)使用；

(7)專用工業(yè)級開關電源，保證系統(tǒng)長期可靠運行；

(8)設有避雷器，防止雷電損壞設備；

(9)數(shù)字顯示屏，便于電流、電壓及累計工作時間的查閱；

(10)內(nèi)部采用Can 總線通用通信協(xié)議；

(11)實時監(jiān)測回路絕緣電阻，根據(jù)設定報警界線報警；

(12)軟件和硬件均采用大量抗干擾技術，抗干擾能力強；

(13)自診斷功能，便于用戶發(fā)現(xiàn)和排除故障；

(14)旁路開關實現(xiàn)冗余設計；

(15)多模塊冗余設計，便于維修和維護，提高設備可靠性。

為保證上位機能不間斷供電，上位機380V進線取自UPS供電。

圖5 上端機電源柜電氣原理

下端機電源柜處于1kVA～25kVA容量選用，可根據(jù)需要實現(xiàn)在對下端機輸出開關智能控制。環(huán)境溫度：-25℃～+65℃，要求具有過流保護功能。同時，為實現(xiàn)監(jiān)測，要求能通過載波或數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)與上位機進行通信。

圖6 下端機電源柜電氣原理

南沙大橋主跨主跨1 200m的大沙水道橋左幅分布式智慧供電系統(tǒng)采取1個上位機對35個下位機將近175個回路供電，布設如圖7所示。

圖7 南沙大橋(大沙水道橋)左幅分布式智慧供電系統(tǒng)布設

3.3 系統(tǒng)應用優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的高速公路供電系統(tǒng)相比，分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

(1)實時對回路負載量的智能化檢測分析，實現(xiàn)智慧供電。對照橋梁不同的用電設備和供電負荷等級進行分類和回路供電。上端電源設備輸出單相3.3kV電壓后，在各用電點通過下端電源設備將電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20V電壓分回路向負載供電，或同時采用多個上端電源設備直接分回路進行控制。系統(tǒng)可監(jiān)測任意一條回路用電設備情況，精細化監(jiān)測供電設備和負載的用電情況，及時調(diào)整控制各用電回路開啟，實現(xiàn)智慧供電。

(2)降低線纜建設成本，實現(xiàn)綠色供電。橋上道路照明、樞紐互通照明和監(jiān)控設備采用分布式智慧供電，可以減少低壓銅纜線徑。據(jù)分析，3km以上供電半徑電纜的投資成本降幅可達20%。同時，特大橋預留的電力管道資源和預留電力手孔非常緊張，采取單相單個電纜解決分散的大量外場設備現(xiàn)場供電問題，施工簡單、容易操作。

(3)自帶回路控制系統(tǒng)，可以提供遙測遙控，按需供電,節(jié)省照明能耗。具有軟起動功能，不會對電網(wǎng)以及設備造成沖擊。處理柜采用先進的動態(tài)智能功率補償技術，有效提高系統(tǒng)功率因數(shù)，功率因數(shù)0.95以上，降低無功功率，節(jié)省電能。

(4)上位機模塊化設計，“N+M”冗余備份，支持熱插拔；下位機以變壓器和開關為主要原器件，無故障運行時間長，免維護。無需停機將故障模塊拔出，插入備用模塊，不影響其他模塊正常工作。準確故障定位：線路燈具可實現(xiàn)單回路控制、單回路監(jiān)測，可快速定位故障燈具，減少排查帶來的維護費用。

4 結語

分布式智慧供電采取上端智能電源柜升壓至3.3kV、下端電源柜降壓至220V，通過回路負載量的智能化檢測，供電回路自動動態(tài)智能調(diào)節(jié)和故障快速定位，實現(xiàn)按需智慧供電。優(yōu)化了高速公路機電、照明設備的用電效率，尤其適宜于供電長距離、設施負荷相對分散的特大橋梁。