北京創安利市政建設（集團）有限責任公司 100012
摘要：
供配電設施是實現智慧高速公路的保障條件,如何確定與智慧高速公路需求相適應的供配電方案是公路建設者和設計人員需要認真探究的問題。本文通過對普通高速公路和智慧高速公路供配電需求的對比,分析了普通高速公路供配電方案的不足,提出智慧高速公路供配電具有長距離、分布式等特點和要求,并對相應的供配電方案做了探討,供公路建設者和設計人員參考。
關鍵詞：智慧高速公路; 供配電方案; 供配電設計; 長距離供電;
前言：
根據交通運輸部2019年8月發布的《2018年全國收費公路統計公報》，中國高速公路通車總里程已達到14.26萬公里，里程規模居世界第一，同時，仍有大量的高速公路項目還在規劃、建設中。隨著科技的發展和交通強國戰略的提出，新一代信息技術與交通運輸深度融合發展成為必然趨勢。智慧高速公路作為智慧交通的重要組成部分，日益得以重視并發展。在高速公路的設計建設過程中，供配電設施是高速公路各種機電設施得以正常工作的基礎設施，是實現智慧高速公路的保障條件。因而，如何確定與智慧高速公路需求相適應的供配電方案是公路建設者和設計人員需要認真探究的問題。本文將通過與普通高速公路供配電需求的對比分析，探討智慧高速公路的電能需求及其供配電方案。
1.智慧高速公路發展現狀
2014年全國交通運輸工作會議提出加快綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通“四個交通”發展；2019年中共中央、國務院印發《交通強國建設綱要》，提出大力發展智慧交通。智慧高速公路一直作為智慧交通的一部分不斷發展。2017、2018年交通運輸部確立了北京、河北、浙江、廣東等9個省份承擔智慧公路與新一代國家交通控制網試點工作，國內多條高速公路已陸續開展智慧高速公路建設。
目前智慧高速公路尚未形成統一的定義，已建或在建的智慧高速公路分別從不同的方面圍繞著“智慧”功能進行實施；但是從試點方向和建設實際來看，智慧高速公路建設集中在公路管理、服務、養護、行駛等的智慧化，以大數據、物聯網、互聯網、云計算、車路協同、自動駕駛、5G通信等前沿技術的實現為特征，使高速公路成為更安全、更高效的運輸系統。
智慧高速公路與普通高速公路相比，應用了多項新技術、新設備和新的建設方案，其供配電系統也有所不同。甚至某些供配電方案本身已融入智慧公路建設中，成為智慧公路的一部分。如蘇州同里的“三合一”無線充電智慧公路，已實現光伏路面發電、動態無線充電、無人駕駛三種技術的融合應用，雖然還處于短距離、低時速路段試驗階段，仍然不失為未來智慧高速公路發展方向之一。
2.分布式智慧供配電系統構成及原理
分布式智慧供配電系統作為智能、綠色、低碳、節能公路的優質解決方案應運而生。該系統由上端智能均衡負載穩壓電源(上位機)、下端智能終端電源(下位機)、供電電纜、監控管理主機構成,形成一個分布式的智能電源管控系統。本系統從市電引入380V三相電(10kV、6kV電壓可選),通過上位機進行功率因數補償、濾波、穩壓、諧波抑制等處理后,輸出純凈的單相或三相交流電(660V～10kV國家標準電壓可選),經過相應等級的供電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)由下位機將母線電壓轉變為220V/380V電壓向負載供電。如圖1所示。
圖1分布式智慧供電系統圖
上位機主要由開關模塊、整流模塊、濾波模塊、逆變模塊、升壓模塊和監控模塊組成(如圖2所示)。主要功能優勢體現在:
(1)對市電輸入端進行監測,并具備自動保護的功能,在市電出現波動時,系統能自動進行保護不受電網波動影響;
(2)具備防浪涌保護措施,降低紋波系數,提高整流效率;
(3)具有過流、過壓保護功能,軟件和硬件均采用抗干擾設計,提高抗干擾能力;
(4)基于應用PWM脈寬調制設計,及IGBT作為開關元器件,具有功率小、體積小,飽和壓降低、效率高、開關速度快的特點;
(5)采用無主均流技術,多模塊冗余設計,可熱插拔,提高可靠性,便于安裝、擴容與檢修;
(6)采用特種干式升壓變壓器,噪音小,溫升低,免維護;
(7)內部設有電力監控數據采集器,實時監測電能質量和用電情況;
(8)具有自診斷功能,便于用戶發現和排除故障;
(9)采用過零觸發技術,實時監測、跟蹤負載的變化,進行實時投切功率補償動作,加強諧波吸收率,大幅提升電能質量;
(10)采用電力參數在線監測技術,實時檢測回路絕緣阻抗,根據設定報警界線報警,保證輸出安全,同時設有避雷器,防止雷電損壞設備;
(11)可輸出多個回路,實時采集各用電設備的電壓、電流、功率等參數并傳給上端電源設備,可根據需要對任一回路單獨進行開關與調壓控制;
(12)設有遙控和無線、485、RJ45、USB通訊接口,方便與計算機控制系統連接,通過電力載波或數據通信實現上端智能控制。
圖2上位機系統構成圖
下位機主要由降壓模塊、配電開關模塊、檢測控制模塊和通信模塊組成。從上位機輸出的交流電,輸入到下位機中進行降壓處理,輸出為220/380V電壓向負載供電。同時采集機電設施用電狀態等電力參數,當機電設備與電力電纜出現故障時會自動預警,還可以遠程控制負載的供電回路。
3.智慧高速公路的供配電方案
3.1智慧高速公路的供配電要求
從智慧高速公路用電負荷的特點可以看出，智慧高速公路各類設施設備對供配電的要求包括：
3.1.1供電可靠性高。設備不能間斷工作、不能隨意中斷供電。
3.1.2電能質量要好。智慧高速公路的設備包含大量功率、測量等電子器件，對電壓、電流、頻率等變化敏感，容易損壞。
3.1.3供電距離較長。一般低壓（380/220V）合理供電距離均在1km以內，而智慧高速公路需對沿線連續幾公里甚至十幾公里范圍內的設備供電。
3.1.4便于集中管理。設備數量多、用電負荷分散，在滿足電能需求的同時還要便于集中管理和維護。
3.2適用的供配電方案
智慧高速公路的供配電方案需要在普通高速公路供配電方案的基礎上有所調整才能滿足要求。針對公路匝道收費站、服務區、停車區、養護工區等站點，可參照普通高速公路站點集中供配電方式進行。對于高速公路沿線門架系統及各種智能設施設備，若均采用太陽能或風光互補供電則在可靠性、經濟性等方面存在弊端，可采用長距離單相分布式供配電方案。該方案以單相升壓-傳輸-降壓為基本原理，從地區電網引入三相電源后，經三相平衡處理，將三相電轉換成單相電，再經長距離傳輸后為遠端負荷單相供電。
采用該方案進行供配電設計應考慮以下問題：
3.2.1需綜合分析公路全線用電負荷，合理劃分供電區間。包括全線上位機安裝數量及位置和上位機、下位機覆蓋區間，確定合理供電距離和負載率。
3.2.2根據供電區間劃分，選擇合適的長距離傳輸電壓等級及相應設備。
3.2.3根據遠端負荷重要性，確定上位機電源是否接入備用電源或應急電源系統。
此外，對于分布較遠的零星小負荷用電設備，從經濟性、功能性等方面考慮，可單獨采用太陽能或風光互補方式供電，并配以可靠的蓄電池組、智能監測及通信單元，以便于及時處理故障情況。
結語：
為實現國家建設智慧高速的需求,為提高廣東省路網的智能化水平,為提升粵港澳大灣區的交通效率,高速公路智能節能已經成為行業的發展趨勢。基于此,惠清高速公路項目中采用的分布式智慧供配電系統解決了以往項目中,供電質量不高、供電不穩定、系統安全性差、故障率高、系統節能效果不明顯等問題。該系統具有供電質量穩定、帶載能力強、供電距離遠、節省工程造價、節能效果顯著、智能化程度高等優勢,為惠清高速建設運營管理提供了強有力的支撐。從工程使用效果來看,智慧節能供電系統對于解決長距離及大負載容量設備的用電問題是一種較為科學、經濟的解決方案。
參考文獻
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