高速公路供電方案的研究探討

李明霞

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)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(yīng)用，越來越多的機(jī)電設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、信息化設(shè)備投入到高速公路運(yùn)營中，供電方式由原來的服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站等集中站點(diǎn)式供電變?yōu)槿處钍焦╇姡覍?duì)供電的質(zhì)量和可靠性方面的要求也越來越高。同時(shí)，結(jié)合國家碳達(dá)峰碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)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(yuǎn)、供電能力強(qiáng)、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(shè)的用電設(shè)施和設(shè)備

目前，越來越多的高速公路都增設(shè)了以下設(shè)施/設(shè)備：

a）智能感知設(shè)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(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)等。

b)智能安全設(shè)施 智能護(hù)欄、電子標(biāo)志標(biāo)線、智能信息提示和匝道控制系統(tǒng)等。

c）智慧行駛設(shè)施 實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同等。

d）智慧服務(wù)設(shè)施 智慧路燈、智慧廁所、智慧充電樁等。

e）智慧管理/養(yǎng)護(hù)設(shè)施 消冰融雪系統(tǒng)等。

隨著高速公路智慧化等級(jí)的提高，必將有更多的智能設(shè)施/設(shè)備應(yīng)用在新建或改建的高速公路中，這些以電能驅(qū)動(dòng)的智能設(shè)施/設(shè)備，使得高速公路的運(yùn)營對(duì)電能的依賴程度越來越高。

1.2 高速公路用電負(fù)載特點(diǎn)

目前已實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，交通行業(yè)只有《高速公路交通工程及沿線設(shè)施設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D80—2006）對(duì)交通工程及沿線設(shè)施用電設(shè)備的電力負(fù)荷等級(jí)做了具體的規(guī)定，除主要附屬設(shè)施的消防設(shè)備、監(jiān)控、收費(fèi)和通信系統(tǒng)的報(bào)警裝置及管理中心和綜合服務(wù)樓的照明設(shè)施為二級(jí)以上負(fù)荷外，其余均為三級(jí)負(fù)荷[1]。其中對(duì)于因智慧高速建設(shè)而增設(shè)機(jī)電設(shè)施的用電負(fù)荷等級(jí)尚未有具體規(guī)定。而依據(jù)《供配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50052—2009）的相關(guān)條文，電力負(fù)荷等級(jí)的劃定主要根據(jù)用電設(shè)備對(duì)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(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)實(shí)現(xiàn)公路智慧化而設(shè)置的各類用電負(fù)荷等級(jí)，至少應(yīng)設(shè)定為二級(jí)負(fù)荷，其中部分重要供電項(xiàng)目（如車路協(xié)同、無人駕駛等），用電負(fù)荷應(yīng)確定為一級(jí)負(fù)荷。

2 現(xiàn)有高速公路供電系統(tǒng)簡(jiǎn)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(fēng)光互補(bǔ)供電以及分布式遠(yuǎn)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(jí)的電能，通過低壓線纜將其輸送到負(fù)荷中心，向負(fù)載直接供電，對(duì)供電設(shè)施和電纜耐壓等級(jí)要求低，不需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)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(jí)為10 kV（少數(shù)為3 kV），通過高壓電纜將其輸送至負(fù)荷中心,然后通過變壓器降壓至380 V后，向負(fù)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(jí)變換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且供電設(shè)備和電纜耐壓等級(jí)較高，價(jià)格較貴，故經(jīng)濟(jì)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(fù)荷中心，再降壓至380 V后向負(fù)載供電。此方案的供電距離、供電能力和經(jīng)濟(jì)性介于上述兩種方案之間。

2.4 風(fēng)光互補(bǔ)供電方案

該方案是在風(fēng)能或太陽能較為充沛的地方，將風(fēng)能或太陽轉(zhuǎn)化為電能，向負(fù)載供電。此方案的優(yōu)勢(shì)在于充分利用了自然資源，有利于環(huán)境保護(hù)，但其供電能力受環(huán)境影響大，后期運(yùn)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(fù)載，多作為補(bǔ)充供電方案。

2.5 分布式遠(yuǎn)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(jī)（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(jí)進(jìn)行傳輸，到達(dá)用電點(diǎn)后再經(jīng)過下位機(jī)（隔離電源轉(zhuǎn)換器）降壓為滿足用電設(shè)備額定電壓等級(jí)的電能供電。此方案采用了先進(jìn)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(yuǎn)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(jì)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(duì)比，為在高速公路用電規(guī)劃設(shè)計(jì)選擇最佳方案。

表1 不同供電方案對(duì)比表

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

3 分布式遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)的原理分析

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

3.1 交流遠(yuǎn)供系統(tǒng)原理

在變配電室的上位機(jī)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(jí)（660 V～3 kV可選）后輸送至各用電點(diǎn)。在用電點(diǎn)，再通過下位機(jī)將電壓變?yōu)闈M足用電設(shè)備額定電壓等級(jí)的電壓后，向設(shè)備供電（如圖2所示），整流、逆變過程都在上位機(jī)處，其核心技術(shù)主要是在上位機(jī)處。

圖2 交流遠(yuǎn)供系統(tǒng)原理圖

3.2 直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)原理

和交流遠(yuǎn)供系統(tǒng)相似，直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)是在上位機(jī)（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(shè)備升壓至一定的電壓等級(jí)（300～1 500 V可選），輸送到設(shè)備端，再經(jīng)下位機(jī)（遠(yuǎn)端）降壓、逆變（適用于交流負(fù)載），將電壓變?yōu)闈M足設(shè)備額定電壓的電能向設(shè)備供電。整流模塊在上位機(jī)（局端），逆變模塊在下位機(jī)（遠(yuǎn)端），其核心部件在下位機(jī)處。其原理如圖3所示[4]。

圖3 直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)原理圖

3.3 交、直流遠(yuǎn)供電方案對(duì)比

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

表2 交、直流遠(yuǎn)距離供電方案對(duì)比

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

3.4 分布式遠(yuǎn)距離供電的優(yōu)勢(shì)

3.4.1 供電能力強(qiáng)

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

3.4.2 安全可靠

用電設(shè)備與電網(wǎng)隔離，減少電網(wǎng)的影響；實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的絕緣狀況，智能感知用電設(shè)備的用電情況，發(fā)現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)報(bào)警處理，確保用電設(shè)備和人身的安全。

3.4.3 經(jīng)濟(jì)節(jié)能

采用升壓?jiǎn)蜗喙╇娂夹g(shù)，減少電纜芯數(shù)和線徑，大大節(jié)省建設(shè)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(fù)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(yùn)維

通過供電網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)，采用先進(jìn)的物聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)供/用電設(shè)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(luò)的故障發(fā)現(xiàn)和排除，智能感知、調(diào)壓及三級(jí)遠(yuǎn)距離調(diào)控便于能源的靈活管控，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)維養(yǎng)護(hù)[4]。

4 工程實(shí)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(biāo)準(zhǔn)》及運(yùn)營管理需求，該段高速公路按A級(jí)高速公路設(shè)計(jì)，全線設(shè)置視頻監(jiān)控、動(dòng)態(tài)信息發(fā)布及交通誘導(dǎo)設(shè)施，在服務(wù)區(qū)、互通式立交等重點(diǎn)或有特殊需求路段設(shè)置高清攝像機(jī)、全景攝像機(jī)、交通事件檢測(cè)、高清卡口、可變信息標(biāo)志、氣象檢測(cè)器、車輛檢測(cè)器等設(shè)施。

以該高速大盂東互通段的監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備供電系統(tǒng)方案為例，進(jìn)行具體說明。該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)給大盂樞紐和大盂東互通附近的監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備供電，具體包括：攝像機(jī)8套（CCTV31～38），微波車輛檢測(cè)器4套（MVD4～7），全景攝像機(jī) 3套（QCCTV6～8），門架式可變情報(bào)板5套（CMS5～9），其中距電源點(diǎn)最遠(yuǎn)的設(shè)備距離為14.2 km，最近的設(shè)備距離為300 m。

4.2 監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)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(yuǎn)供相結(jié)合的供電方案。

4.2.1 低壓直接供電方式

服務(wù)區(qū)場(chǎng)區(qū)及附近設(shè)置的監(jiān)控設(shè)施采用就近低壓供電方式；收費(fèi)站入口島及匝道附近設(shè)置的監(jiān)控設(shè)備采用就近低壓供電方式；隧道變電所附近設(shè)置的監(jiān)控設(shè)備采用就近低壓供電方式。

4.2.2 交流遠(yuǎn)距離供電方式

距離服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站、隧道變電所等主要附屬設(shè)施距離2 km以上的監(jiān)控設(shè)備采用交流遠(yuǎn)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(jī)柜設(shè)置在沿線相關(guān)主體設(shè)施的變配電室內(nèi)，主要配置浮動(dòng)電壓電源發(fā)生器、空氣開關(guān)、防雷器、智能配電儀表等設(shè)施；在外場(chǎng)設(shè)備處設(shè)置隔離電源轉(zhuǎn)換機(jī)柜及基礎(chǔ)，主要配置隔離變送器、空氣開關(guān)、維修插座、防雷器、智能配電儀表等設(shè)施；供電電力電纜型號(hào)根據(jù)外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備用電負(fù)載的具體情況選擇，在路側(cè)采用PVC管保護(hù)敷設(shè)，過路面時(shí)采用Φ114×4鍍鋅鋼管保護(hù)。

系統(tǒng)電源引自大盂東收費(fèi)站變電所，經(jīng)過穩(wěn)壓器后，由室內(nèi)配電箱分成4個(gè)主回路：其中3個(gè)主回路給距離較近的大盂東收費(fèi)站和大盂東樞紐處的監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備供電，電纜截面根據(jù)距離遠(yuǎn)近和負(fù)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(yuǎn)的大盂樞紐附近的監(jiān)控設(shè)備處，在設(shè)備處再通過電源轉(zhuǎn)換器將電壓降至220 V,供給用電設(shè)備。該供電系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 大盂東互通監(jiān)控設(shè)備供配電系統(tǒng)圖

5 結(jié)語

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