分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)在特大跨徑橋梁上的應(yīng)用

張春聲

(廣東省公路建設(shè)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(jī)電系統(tǒng)提供能源配給，具有以下特點(diǎn)：(1)公路橋梁機(jī)電設(shè)備呈帶狀分布于沿線，由于供電距離遠(yuǎn)，負(fù)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(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)的變化幅度較大，用電情況復(fù)雜多變，例如情報(bào)板、檢修電梯、抽濕設(shè)備等耗能量較大的設(shè)備，在啟動初期，瞬時(shí)啟動電流比額定工作狀態(tài)下的電流高1～2倍；(3)公路機(jī)電設(shè)備的負(fù)載特性比較復(fù)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(dǎo)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(diǎn)，提出智能按需分配分布式智慧供電方案，供電系統(tǒng)實(shí)時(shí)對回路負(fù)載量進(jìn)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(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的能源配給目標(biāo)。

1 按需供電實(shí)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(shè)備和負(fù)載進(jìn)行系統(tǒng)化分類，提出機(jī)電系統(tǒng)按需分配能源的模型，實(shí)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(fù)載量的智能化分析，判別供配電的實(shí)時(shí)工作容量，將不工作的容量關(guān)停，降低供配電系統(tǒng)中變壓器、線纜的能耗損耗，實(shí)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(shù)方案如圖1所示，當(dāng)供配電系統(tǒng)中一部分負(fù)載工作，另一部分負(fù)載處于休眠狀態(tài)時(shí)，可根據(jù)工作負(fù)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(yīng)的功率工作，關(guān)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(shù)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(fù)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(yuǎn)距離智慧供電系統(tǒng)構(gòu)成

結(jié)合分布式單相供電技術(shù)，研究一種智能控制技術(shù)應(yīng)用于分布式單相供電系統(tǒng)，提高機(jī)電設(shè)施控制智能化程度，通過智能供電系統(tǒng)的單個(gè)回路遠(yuǎn)程控制及調(diào)壓方等式，實(shí)現(xiàn)簡單、易行的按需供電智能控制方法。

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

圖2 智能控制技術(shù)原理

圖3 外場監(jiān)控照明等主要設(shè)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(yīng)用

南沙大橋主線全長12.89km，主線工程均采用橋梁結(jié)構(gòu)，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(yuǎn)距離機(jī)電設(shè)備的用電問題。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

采用低壓輸入，通過升壓輸出3.3kV電壓，再通過下位機(jī)降壓向負(fù)載供電。

圖4 系統(tǒng)示意圖

3.2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和關(guān)鍵設(shè)備選型

南沙大橋在東側(cè)沙田管理所和西側(cè)大沙橋變電所共4臺上端電源柜。上端機(jī)升壓電源柜采取380V三相市電作為輸入電源，通過上端機(jī)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(jìn)行供電；下端機(jī)電源箱將3.3kV降壓為220V低壓向橋梁外場設(shè)備(路燈、攝像槍、微波車檢器、情報(bào)板、主線ETC門架、高清卡口等設(shè)備)供電。綜合智慧供電系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性分析，結(jié)合鋼箱梁橋梁空間和環(huán)境實(shí)際情況，上端機(jī)升壓電源柜具備以下技術(shù)特點(diǎn)：

(1)特種干式升壓變壓器，噪音小，溫升低，免維護(hù)；

(2)基于微機(jī)控制IGBT 和PWM 開關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)，具有體積小，效率高等特點(diǎn)；

(3)采用自動穩(wěn)壓系統(tǒng)；

(4)軟開機(jī)、軟關(guān)機(jī)，延長設(shè)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(jìn)行防潮處理，適于潮濕地區(qū)使用；

(7)專用工業(yè)級開關(guān)電源，保證系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行；

(8)設(shè)有避雷器，防止雷電損壞設(shè)備；

(9)數(shù)字顯示屏，便于電流、電壓及累計(jì)工作時(shí)間的查閱；

(10)內(nèi)部采用Can 總線通用通信協(xié)議；

(11)實(shí)時(shí)監(jiān)測回路絕緣電阻，根據(jù)設(shè)定報(bào)警界線報(bào)警；

(12)軟件和硬件均采用大量抗干擾技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)；

(13)自診斷功能，便于用戶發(fā)現(xiàn)和排除故障；

(14)旁路開關(guān)實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)；

(15)多模塊冗余設(shè)計(jì)，便于維修和維護(hù)，提高設(shè)備可靠性。

為保證上位機(jī)能不間斷供電，上位機(jī)380V進(jìn)線取自UPS供電。

圖5 上端機(jī)電源柜電氣原理

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

圖6 下端機(jī)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(gè)上位機(jī)對35個(gè)下位機(jī)將近175個(gè)回路供電，布設(shè)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(shè)

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

(2)降低線纜建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)綠色供電。橋上道路照明、樞紐互通照明和監(jiān)控設(shè)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(dá)20%。同時(shí)，特大橋預(yù)留的電力管道資源和預(yù)留電力手孔非常緊張，采取單相單個(gè)電纜解決分散的大量外場設(shè)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(shè)備造成沖擊。處理柜采用先進(jìn)的動態(tài)智能功率補(bǔ)償技術(shù)，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(jī)模塊化設(shè)計(jì)，“N+M”冗余備份，支持熱插拔；下位機(jī)以變壓器和開關(guān)為主要原器件，無故障運(yùn)行時(shí)間長，免維護(hù)。無需停機(jī)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(zhǔn)確故障定位：線路燈具可實(shí)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(hù)費(fèi)用。

4 結(jié)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(fù)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(shí)現(xiàn)按需智慧供電。優(yōu)化了高速公路機(jī)電、照明設(shè)備的用電效率，尤其適宜于供電長距離、設(shè)施負(fù)荷相對分散的特大橋梁。