李明霞

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著無人駕駛、車路協(xié)同、全程監(jiān)控等技術(shù)在智慧化高速公路中的應用，越來越多的機電設備、監(jiān)控設備、信息化設備投入到高速公路運營中，供電方式由原來的服務區(qū)、收費站等集中站點式供電變?yōu)槿處钍焦╇姡覍╇姷馁|(zhì)量和可靠性方面的要求也越來越高。同時，結(jié)合國家碳達峰碳中和的戰(zhàn)略目標和綠色高速的發(fā)展理念，傳統(tǒng)高速公路的供電系統(tǒng)方案已不能滿足智慧高速、綠色高速的發(fā)展需求。目前高速公路需要的是一種傳輸距離遠、供電能力強、電能質(zhì)量高、系統(tǒng)損耗小的智慧節(jié)能型供配電系統(tǒng)。

1 高速公路的用電需求分析

1.1 高速公路增設的用電設施和設備

目前，越來越多的高速公路都增設了以下設施/設備：

a）智能感知設備 全程視頻監(jiān)控、交通流感知、交通事件感知、交通環(huán)境感知和基礎設施監(jiān)測等。

b)智能安全設施 智能護欄、電子標志標線、智能信息提示和匝道控制系統(tǒng)等。

c）智慧行駛設施 實現(xiàn)車路協(xié)同等。

d）智慧服務設施 智慧路燈、智慧廁所、智慧充電樁等。

e）智慧管理/養(yǎng)護設施 消冰融雪系統(tǒng)等。

隨著高速公路智慧化等級的提高，必將有更多的智能設施/設備應用在新建或改建的高速公路中，這些以電能驅(qū)動的智能設施/設備，使得高速公路的運營對電能的依賴程度越來越高。

1.2 高速公路用電負載特點

目前已實施的標準規(guī)范中，交通行業(yè)只有《高速公路交通工程及沿線設施設計通用規(guī)范》（JTG D80—2006）對交通工程及沿線設施用電設備的電力負荷等級做了具體的規(guī)定，除主要附屬設施的消防設備、監(jiān)控、收費和通信系統(tǒng)的報警裝置及管理中心和綜合服務樓的照明設施為二級以上負荷外，其余均為三級負荷[1]。其中對于因智慧高速建設而增設機電設施的用電負荷等級尚未有具體規(guī)定。而依據(jù)《供配電設計規(guī)范》（GB 50052—2009）的相關條文，電力負荷等級的劃定主要根據(jù)用電設備對供電可靠性的要求及中斷供電可能造成的影響程度[2]，那么結(jié)合智慧高速公路需要實現(xiàn)的功能，對實現(xiàn)公路智慧化而設置的各類用電負荷等級，至少應設定為二級負荷，其中部分重要供電項目（如車路協(xié)同、無人駕駛等），用電負荷應確定為一級負荷。

2 現(xiàn)有高速公路供電系統(tǒng)簡介

目前,我國高速公路常見的供電方案有以下幾種：低壓（380 V/220 V）直接供電、高壓（10 kV）間接供電、660 V升降壓供電、風光互補供電以及分布式遠距離供電等[3]。

2.1 低壓（380 V/220 V）直接供電

該方案是從變電站（所）的低壓配電柜引出380 V電壓等級的電能，通過低壓線纜將其輸送到負荷中心，向負載直接供電，對供電設施和電纜耐壓等級要求低，不需要進行電壓轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)構(gòu)成簡單，經(jīng)濟性好，但供電距離較短，一般不超2 km，是目前高速公路使用最多的一種供電方式。

2.2 高壓（10 kV）間接供電

該方案的電能引自變電站（所）的高壓柜，電壓等級為10 kV（少數(shù)為3 kV），通過高壓電纜將其輸送至負荷中心,然后通過變壓器降壓至380 V后，向負載供電。此方案的供電距離和供電能力都優(yōu)于低壓直接供電方案,但由于存在電壓等級變換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復雜，且供電設備和電纜耐壓等級較高，價格較貴，故經(jīng)濟性低于低壓直接供電方案。

2.3 660 V升降壓供電

該方案是在變電所（或配電室）內(nèi)先將低壓配電柜中引出的電能由380 V升壓至660 V后，通過線纜輸送至負荷中心，再降壓至380 V后向負載供電。此方案的供電距離、供電能力和經(jīng)濟性介于上述兩種方案之間。

2.4 風光互補供電方案

該方案是在風能或太陽能較為充沛的地方，將風能或太陽轉(zhuǎn)化為電能，向負載供電。此方案的優(yōu)勢在于充分利用了自然資源，有利于環(huán)境保護，但其供電能力受環(huán)境影響大，后期運維成本較高、系統(tǒng)較不穩(wěn)定，該方案僅適用于供電可靠性要求不高的負載，多作為補充供電方案。

2.5 分布式遠距離供電方案

該方案是將從低壓配電柜引出的380 V三相電能，經(jīng)上位機（電源發(fā)生器）轉(zhuǎn)換為（交/直流）單相電，升壓至一定電壓等級進行傳輸，到達用電點后再經(jīng)過下位機（隔離電源轉(zhuǎn)換器）降壓為滿足用電設備額定電壓等級的電能供電。此方案采用了先進的感知技術(shù)和物聯(lián)技術(shù)，通過智能電網(wǎng)控制手段，減少了系統(tǒng)損耗，是一種智慧型分布式電能供給系統(tǒng)。方案構(gòu)成如圖1所示。

圖1 分布式遠距離供電方案構(gòu)成圖

2.6 各種供電方案之間的比較

以上幾種供電方案在供電距離、供電能力、經(jīng)濟性及安全性等方面都存在較大的差異，表1分析了其差異性，通過方案對比，為在高速公路用電規(guī)劃設計選擇最佳方案。

表1 不同供電方案對比表

由表1可見，分布式遠距離供電方案在供電能力、經(jīng)濟性、安全性及智能化等方面比其他幾種方案更具優(yōu)勢，故而其在公路行業(yè)的應用越來越廣。

3 分布式遠距離供電系統(tǒng)的原理分析

目前，常用的分布式遠距離供電系統(tǒng)有交流分布式遠距離供電系統(tǒng)（以下簡稱交流遠供系統(tǒng)）和直流分布式遠距離供電系統(tǒng)（以下簡稱直流遠供系統(tǒng)）兩種方式。

3.1 交流遠供系統(tǒng)原理

在變配電室的上位機處將380 V三相交流電整流逆變成單相交流電，升壓至一定的電壓等級（660 V～3 kV可選）后輸送至各用電點。在用電點，再通過下位機將電壓變?yōu)闈M足用電設備額定電壓等級的電壓后，向設備供電（如圖2所示），整流、逆變過程都在上位機處，其核心技術(shù)主要是在上位機處。

圖2 交流遠供系統(tǒng)原理圖

3.2 直流遠供系統(tǒng)原理

和交流遠供系統(tǒng)相似，直流遠供系統(tǒng)是在上位機（局端）將三相380 V交流電整流成單相直流電，經(jīng)局端系統(tǒng)的設備升壓至一定的電壓等級（300～1 500 V可選），輸送到設備端，再經(jīng)下位機（遠端）降壓、逆變（適用于交流負載），將電壓變?yōu)闈M足設備額定電壓的電能向設備供電。整流模塊在上位機（局端），逆變模塊在下位機（遠端），其核心部件在下位機處。其原理如圖3所示[4]。

圖3 直流遠供系統(tǒng)原理圖

3.3 交、直流遠供電方案對比

根據(jù)交流遠供和直流遠供系統(tǒng)的原理不同，結(jié)合公路行業(yè)用電的特性，對交流遠供系統(tǒng)和直流遠供系統(tǒng)進行對比分析如表2所示。

表2 交、直流遠距離供電方案對比

綜上，對于高速公路需要遠距離（大于等于2 km）供電時，若用電負荷較小、大多為直流負載時，宜選用直流遠供方案，這樣可以減少施工成本，不需要逆變裝置，維護成本較低；若用電負荷較大、大多為交流負載時，宜選用交流遠供方案，這樣方便系統(tǒng)擴展，降低運維成本，提高安全性。

3.4 分布式遠距離供電的優(yōu)勢

3.4.1 供電能力強

分布式遠距離供電系統(tǒng)的供電距離可達25 km，單機容量可達1 000 kW。

3.4.2 安全可靠

用電設備與電網(wǎng)隔離，減少電網(wǎng)的影響；實時監(jiān)控系統(tǒng)的絕緣狀況，智能感知用電設備的用電情況，發(fā)現(xiàn)故障時及時報警處理，確保用電設備和人身的安全。

3.4.3 經(jīng)濟節(jié)能

采用升壓單相供電技術(shù)，減少電纜芯數(shù)和線徑，大大節(jié)省建設成本；提高功率因數(shù)（大于0.95），大大降低無功損耗；根據(jù)負荷大小，智能調(diào)整分配電能，降低了空載能耗，減少了系統(tǒng)自身能耗。

3.4.4 智能運維

通過供電網(wǎng)絡與通信網(wǎng)絡，采用先進的物聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)各個供/用電設備間的能源與信息的互聯(lián)互通。全覆蓋監(jiān)控便于供電網(wǎng)絡的故障發(fā)現(xiàn)和排除，智能感知、調(diào)壓及三級遠距離調(diào)控便于能源的靈活管控，實現(xiàn)智能化運維養(yǎng)護[4]。

4 工程實例

4.1 工程概況

G2003太原繞城高速公路義望至凌井店段（太原西北二環(huán)），全長約160.260 km。根據(jù)《公路工程技術(shù)標準》及運營管理需求，該段高速公路按A級高速公路設計，全線設置視頻監(jiān)控、動態(tài)信息發(fā)布及交通誘導設施，在服務區(qū)、互通式立交等重點或有特殊需求路段設置高清攝像機、全景攝像機、交通事件檢測、高清卡口、可變信息標志、氣象檢測器、車輛檢測器等設施。

以該高速大盂東互通段的監(jiān)控外場設備供電系統(tǒng)方案為例，進行具體說明。該系統(tǒng)主要負責給大盂樞紐和大盂東互通附近的監(jiān)控外場設備供電，具體包括：攝像機8套（CCTV31～38），微波車輛檢測器4套（MVD4～7），全景攝像機 3套（QCCTV6～8），門架式可變情報板5套（CMS5～9），其中距電源點最遠的設備距離為14.2 km，最近的設備距離為300 m。

4.2 監(jiān)控外場設備供電方案選擇

根據(jù)用電頁荷的性質(zhì)和供電距離，選擇采用低壓直供和交流遠供相結(jié)合的供電方案。

4.2.1 低壓直接供電方式

服務區(qū)場區(qū)及附近設置的監(jiān)控設施采用就近低壓供電方式；收費站入口島及匝道附近設置的監(jiān)控設備采用就近低壓供電方式；隧道變電所附近設置的監(jiān)控設備采用就近低壓供電方式。

4.2.2 交流遠距離供電方式

距離服務區(qū)、收費站、隧道變電所等主要附屬設施距離2 km以上的監(jiān)控設備采用交流遠供方式。

該系統(tǒng)主要由電源發(fā)生器、隔離電源轉(zhuǎn)換器、供電電纜等組成。電源發(fā)生器機柜設置在沿線相關主體設施的變配電室內(nèi)，主要配置浮動電壓電源發(fā)生器、空氣開關、防雷器、智能配電儀表等設施；在外場設備處設置隔離電源轉(zhuǎn)換機柜及基礎，主要配置隔離變送器、空氣開關、維修插座、防雷器、智能配電儀表等設施；供電電力電纜型號根據(jù)外場監(jiān)控設備用電負載的具體情況選擇，在路側(cè)采用PVC管保護敷設，過路面時采用Φ114×4鍍鋅鋼管保護。

系統(tǒng)電源引自大盂東收費站變電所，經(jīng)過穩(wěn)壓器后，由室內(nèi)配電箱分成4個主回路：其中3個主回路給距離較近的大盂東收費站和大盂東樞紐處的監(jiān)控外場設備供電，電纜截面根據(jù)距離遠近和負載大小選擇（10 mm2或25 mm2）；另一主回路通過5 kVA的電源發(fā)生器，將三相交流變?yōu)閱蜗嘟涣麟?，升壓?00 V，輸送至距離較遠的大盂樞紐附近的監(jiān)控設備處，在設備處再通過電源轉(zhuǎn)換器將電壓降至220 V,供給用電設備。該供電系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 大盂東互通監(jiān)控設備供配電系統(tǒng)圖

5 結(jié)語

分布式遠距離供電系統(tǒng)以其高效、經(jīng)濟、智能等優(yōu)勢，被公路行業(yè)快速認可，并得以推廣應用。在選擇高速公路供電方案時，要根據(jù)高速公路用電設施的具體情況（負荷性質(zhì)和供電距離等），結(jié)合不同供電方案的優(yōu)缺點，選擇最適合、最經(jīng)濟的供電方案。