基于綠色環(huán)保視域下高速公路分布式配電設(shè)計

羅 方

(廣東新粵交通投資有限公司，廣東 廣州 510700)

1 基于綠色環(huán)保視域下高速公路分布式配電原理

1.1 基于綠色環(huán)保視域下高速公路分布式配電的基本形式

高速公路分布式配電系統(tǒng)由上端供電設(shè)備、下端供電設(shè)備、上端監(jiān)控模塊、供電電纜和監(jiān)控管理主機構(gòu)成(如圖1所示)。分布式配電系統(tǒng)需要從供電中心接入380 V三相電，首先進入負(fù)載穩(wěn)壓電源對電壓功率進行濾波和諧波抑制處理，而后形成較為純凈、符合國家標(biāo)準(zhǔn)的單相或三相交流電，交流電通過等級電纜進入各個用電端口，在用電處還需要下端供電設(shè)備將電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V/380 V。高速公路的隧道照明與監(jiān)控需要220 V，外場情報板需要380 V，場外監(jiān)控需要220 V，隧道風(fēng)機需要380 V[1]。

1.2 將綠色環(huán)保理念應(yīng)用于高速公路分布式配電的核心思路

分布式配電方式可將可再生清潔能源以分布式接入配電網(wǎng)，降低了化石燃料在供電體系內(nèi)的占比，減少了整體的碳排放，是目前推廣度極高的一類配電形式，也是當(dāng)前電網(wǎng)整體改革的重點發(fā)展方向。但由于風(fēng)力、光伏等發(fā)電效率取決于氣候，具有不穩(wěn)定性，若分布式配電比例過大，將會導(dǎo)致配電網(wǎng)整體運行狀態(tài)不穩(wěn)，存在雙向潮流、線路損耗等問題。

因此，若要解決上述問題，提升高速公路分布式配電的可控性是本次設(shè)計的核心思想。實現(xiàn)可控性目標(biāo)后，各控制器與相鄰控制器之間可形成通信信息交互，利用迭代計算的方式獲取控制信號，在區(qū)域集群內(nèi)形成協(xié)調(diào)控制，形成對局部故障的魯棒性，且魯棒性較強。并且，在通信控制正常運行的情況下，可有效采集配電終端的通信信息，有效控制配電終端等重要控制器，使得配電網(wǎng)整體受控性較強，可選用單點接入、多點接入、電壓接入等級區(qū)分等方式控制電壓值，保證電壓的可控性和穩(wěn)定性。

1.3 高速公路分布式配電上端供電設(shè)備的功能

高速公路分布式配電上端供電設(shè)備負(fù)責(zé)電流的補償、監(jiān)控和穩(wěn)定，主要由開關(guān)、整流、濾波、逆變、升壓、變壓器、顯示通信監(jiān)控等模塊組成。分布式配電上端供電設(shè)備需要對供電處的電流輸入端進行監(jiān)測，若輸入電流出現(xiàn)異常波動，分布式配電系統(tǒng)可自動受到保護。上端供電設(shè)備的軟硬件設(shè)施都具有抗外部干擾的作用，可對電流進行過流、過壓保護，并運用了PWM脈寬調(diào)制設(shè)計和IGBT作為開關(guān)模塊的重要配置，在不需要耗費過多功率的情況下就可快速高效實現(xiàn)配電開關(guān)。高速公路分布式配電上端供電設(shè)備運用了無主均流技術(shù)、多模塊冗余設(shè)計以及特種干式升壓變壓器，為分布式配電系統(tǒng)的檢修、優(yōu)化與拆卸帶來極大便利，系統(tǒng)運作速率高、溫度低且低噪音。

同時，分布式配電系統(tǒng)的上端供電設(shè)備通過電力監(jiān)控數(shù)據(jù)采集器和零觸發(fā)技術(shù)，可全面實時監(jiān)控供電處電流的補償、濾波和分配情況，并及時跟蹤配電均衡負(fù)載變化，對異常功率進行補償，有效提升諧波吸收率和配電質(zhì)量[2]。

1.4 高速公路分布式下端供電設(shè)備的主要構(gòu)成

高速公路分布式下端供電設(shè)備由變壓器(1 kV/220 V)、配電開關(guān)模塊、通信模塊、負(fù)載檢測控制模塊、降壓模塊組成。由供電處輸入的交流電經(jīng)過上端供電設(shè)備后再進入下端供電設(shè)備進行降壓處理，而后將電流配送到各個用電設(shè)備。對于高速公路分布式配電系統(tǒng)的用電參數(shù)而言，可以通過電力設(shè)備或電纜實現(xiàn)故障預(yù)警和緊急制動，遠(yuǎn)程實時監(jiān)控下端供電設(shè)備的配電情況，以確保分布式配電系統(tǒng)穩(wěn)步運行。

2 高速公路分布式配電的實際應(yīng)用案例

2.1 案例概況

河惠莞高速公路龍紫段項目路線全長約152 km，位于廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃廣龍高速(S6)的最北端，起于贛粵兩省交界處，終點位于紫金縣紫城鎮(zhèn)，是粵港澳大灣區(qū)出省和連通粵北贛南的重要通道，也是廣東省綠色公路建設(shè)的典型示范工程項目。河惠莞高速公路龍紫段項目運用了分布式智慧配電系統(tǒng)，實行了高速公路配電系統(tǒng)的智能化管理，在項目主線的ETC門架系統(tǒng)的左幅和右幅都設(shè)置了10 kV業(yè)擴配套延長線，從供電中心引入三相380 V輸入，經(jīng)由上端供電設(shè)備輸出單相3.3 kV電壓，而后再通過下端供電設(shè)備進行降壓，將3.3 kV轉(zhuǎn)變?yōu)?80 V/220 V的配電電壓。

2.2 分布式配電方案

該項目若使用傳統(tǒng)380 V的供電方案，則難以滿足各用電設(shè)備距離過大的用電需求，門架機電設(shè)備無法正常運轉(zhuǎn)，且造價高達(dá)145.46萬元。因此，該項目設(shè)計了分布式智慧配電方案，在主線的各ETC收費站增設(shè)1 kV的上端供電設(shè)備，在K9+320、K12+380 ETC附近設(shè)置下端供電設(shè)備，運用中壓電纜連接上、下端供電設(shè)備，下端供電設(shè)備可對傳輸?shù)碾妷哼M行降壓處理，降至0.4 kV，以此有效滿足項目主線ETC門架和各項設(shè)備的用電需求。

2.3 傳統(tǒng)配電與分布式配電方案對比

高速公路傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的建造方案主要有低壓三相380 V、升降壓三相660 V、中壓三相10 kV三種配電方案。低壓三相380 V供電方案的系統(tǒng)造價與維修成本低，但只能支撐4 km的配電傳輸距離，且難以為各個用單設(shè)施提供平衡充足的電能；升降壓三相660 V配電方案能夠支持10 km的配電傳輸距離，但長距離的配電路徑需要多次敷設(shè)電纜，配電能力減弱；中壓三相10 kV配電方案的配電能力較強，能夠支持較長距離的配電傳輸路徑，但配電系統(tǒng)的建造價格較高，運用維修費用高，使用壽命難以估計。而分布式配電方案增設(shè)了20 kVA智能上端供電設(shè)備，并在ETC門架分別裝配了K9+740、ZK11+545、ZK12+380的下位供電設(shè)備。分布式配電方案能夠有效監(jiān)控和采集系統(tǒng)中每個節(jié)點的運作情況和電力參數(shù)，有效防止系統(tǒng)受到外部電壓波動的影響，使各用電設(shè)備都可免于浪涌電流的危害，配電系統(tǒng)的使用壽命也能夠得到保證。

2.4 方案效益對比

河惠莞高速公路龍紫段項目運用分布式配電方案的最終造價為56.64萬元，大幅提高項目建造的經(jīng)濟效益，可為項目主線提供高達(dá)95%的用電有功因數(shù)，相較于傳統(tǒng)中壓10 kV配電每年可節(jié)省4.75萬度電，并能夠減輕與弱化電路系統(tǒng)的閃變沖擊和高次諧波，有效降低了用電成本和設(shè)備維護費用，可滿足高度公路配電網(wǎng)綠色低碳的發(fā)展要求，實現(xiàn)高速公路配電系統(tǒng)的精細(xì)化管理。

表1 高速公路傳統(tǒng)配電方案和分布式配電方案造價對比

3 基于綠色環(huán)保視域下高速公路分布式配電設(shè)計方案

3.1 高速公路分布式配電設(shè)計思路

為早日達(dá)成“雙碳”目標(biāo)，高速公路配電網(wǎng)接入分布式電源勢在必行，通過分布式形式接入電網(wǎng)的可再生能源是未來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中不可替代的重要能源。因此，為落實綠色環(huán)保思想，本研究配電網(wǎng)設(shè)計的方案選用分布式配電的形式。

高速公路分布式配電設(shè)計方案包括單點接入方案和多點接入方案，提供10 kV、220 V/380 V兩類電壓等級。單點接入方案根據(jù)配電系統(tǒng)各用電設(shè)備的電壓等級，按照系統(tǒng)中的上端供電設(shè)備、下端供電設(shè)備、用電設(shè)備的位置，接入配電室、開閉站、環(huán)網(wǎng)柜和線路，并分別接入高速公路用電網(wǎng)和公共電網(wǎng)。多點接入方案是將高速公路單個項目進行多點接入，制定配電系統(tǒng)多個項目的組合配電方案。根據(jù)用電設(shè)備的用電需求，設(shè)計多點接入10 kV、380 V的組合方案。同時，還要設(shè)計計量點，計量點的設(shè)置用于對配電系統(tǒng)的上端供電設(shè)備、下端供電設(shè)備的輸入和輸出端口的用電量進行計量，還需要配置配電量的計量電能表，可進行配電計算和電價計量[3]。

高速公路分布式配電系統(tǒng)設(shè)計還需要防孤島監(jiān)測和保護發(fā)電的逆變器，以實時監(jiān)測系統(tǒng)中的孤島問題，捕捉異常情況后可立刻斷開與配電系統(tǒng)的連接，并接入10 kV的配電項目，為高速公路分布式配電系統(tǒng)打造雙重保護和監(jiān)測的結(jié)構(gòu)。380 V電壓通過配電系統(tǒng)的逆變器發(fā)揮孤島問題監(jiān)測與保護功能，并與配電系統(tǒng)的上、下供電設(shè)備的開關(guān)模塊進行連接，以此充分保障分布式配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。分布式配電系統(tǒng)接入10 kV的項目，對配電系統(tǒng)中的電流、電壓、功率、配電量等運行狀態(tài)進行信息采集；接入380 V的項目，需要單純采集配電系統(tǒng)的電能信息，提前預(yù)留系統(tǒng)中各設(shè)備的信息采集能力[4]。

3.2 高速公路分布式配電系統(tǒng)的單點接入設(shè)計方案

單點接入可將光伏等可再生能源有效接入電網(wǎng)，是節(jié)能減排的重要手段，是落實綠色環(huán)保理念的重要形式。單點接入方案適用于高速公路具有多個公共連接點的配電系統(tǒng)，并將公共連接點作為公共變電站的10 kV母線，或上端供電設(shè)備的開關(guān)模塊、環(huán)網(wǎng)室、配電室的10 kV母線如圖1所示，配電系統(tǒng)的裝機容量可設(shè)置為1～6 MW或400 kW～6 MW。高速公路分布式配電系統(tǒng)的單點接入方案還可以運用三相接入的方式，系統(tǒng)的裝機容量需要控制在400 kW以下；也可以采用單相接入，裝機容量需要保持在8 kW及以下，或?qū)⑴潆娤到y(tǒng)的配電室、變壓器、箱變等作為連接點，裝機容量需設(shè)置為20～400 kW。

圖1 單點接入設(shè)計圖

3.3 高速公路分布式配電系統(tǒng)的多點接入設(shè)計方案

除單點接入形式外，多點接入也是光伏等清潔能源接入配電網(wǎng)的重要形式，做好多點接入對風(fēng)力、光伏等新能源領(lǐng)域的發(fā)展、對綠色環(huán)保理念的落實具有重要作用。多點接入設(shè)計方案需要接入配電系統(tǒng)的配電箱或線路、箱變或配電室低壓母線，接入電壓為380 V或220 V；或接入10 kV電壓的母線或配電室；還可運用接入電壓為380 V的單點或多點接入配電系統(tǒng)的配電箱，以10 kV單點或多點接入系統(tǒng)10 kV母線或箱變。高速公路分布式配電系統(tǒng)還可以380 V或220 V的接入電壓多點連接配電箱或配電室低壓母線(見圖2)；或運用380 V的接入電壓連接配電系統(tǒng)的配電箱或配電室低壓母線，以10 kV的接入電壓鏈接配電系統(tǒng)的上端供電設(shè)備的開關(guān)模塊和變電站等設(shè)備[5]。

圖2 多點接入設(shè)計圖

4 基于綠色環(huán)保視域下高速公路分布式配電技術(shù)效益分析

4.1 減少電纜線徑，降低配電系統(tǒng)的造價

高速公路分布式配電系統(tǒng)可使功率、電纜的使用率大幅度降低，減少電纜芯數(shù)的配置，相較于高速公路傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)，分布式配電的造價更為低廉。傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)直接由供電處輸入380 V的電源，流經(jīng)開關(guān)柜、應(yīng)急照明燈母線回路，再到達(dá)高速公路的照明配電箱，來為外部照明設(shè)施和隧道照明設(shè)施配電，通過低壓開關(guān)柜控制母線回路。分布式配電系統(tǒng)將供電設(shè)備配置在變電所，可將供電處的輸入電流直接輸送到高速公路的各個用電設(shè)備，可以從單洞輸出兩條回路，以保證高速公路的不間斷配電。分布式配電系統(tǒng)的下端供電設(shè)備替代了原有的傳統(tǒng)式配電箱，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操控電流供應(yīng)與配送，按照不同天氣和時間進行人性化的配電開關(guān)。所以分布式配電系統(tǒng)可有效優(yōu)化配電路徑，減少配電系統(tǒng)的建設(shè)成本，具有較為優(yōu)越的經(jīng)濟效益[6]。

4.2 切實滿足用電設(shè)備的負(fù)載運行要求，動態(tài)采集回路數(shù)據(jù)

高速公路分布式配電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離供電，將供電處的電流轉(zhuǎn)變?yōu)? 140 V和3 300 V的單相電，再經(jīng)過下端供電設(shè)備將電流降壓到220 V或380 V。分布式配電系統(tǒng)的上端供電設(shè)備的運作方式為無主均流和逆變模塊并聯(lián)，若配電系統(tǒng)的某個部位發(fā)生故障或異常，不會影響其他配電系統(tǒng)的運行，可為所有用電設(shè)備提供500～600 kVA的電流容量，真正滿足系統(tǒng)中用電系統(tǒng)的所有負(fù)載要求。高速公路分布式配電系統(tǒng)的上、下端供電設(shè)備都能開展遠(yuǎn)程的開關(guān)和通信控制，在配電過程中可對下端供電設(shè)備實行精準(zhǔn)的回路調(diào)壓控制，按照各用電處的用電規(guī)格和用戶的配電需要可及時完成調(diào)壓，并且遠(yuǎn)程操作和控制的調(diào)壓和開關(guān)并不會影響配電運作系統(tǒng)的正常運作。分布式配電系統(tǒng)的上、下端供電設(shè)備還能夠?qū)崟r監(jiān)控電力傳輸狀態(tài)，通過設(shè)備的輸入和輸出端口動態(tài)采集回路數(shù)據(jù)，全程監(jiān)控配電系統(tǒng)的運作情況、故障與異常、溫度和濕度、升壓速率等參數(shù)，并利用光纖鏈路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，工作人員可通過檢測軟件直接監(jiān)測配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)和能耗情況。

4.3 有效實現(xiàn)不間斷供配電，減輕高壓電流的負(fù)面影響

高度公路分布式配電系統(tǒng)的上端供電設(shè)備能夠接入供電中心的多路電流，可與系統(tǒng)中的應(yīng)急設(shè)備相連接，為各用電設(shè)備提供冗余保護，確保電路系統(tǒng)中發(fā)生異?；蚬收虾笙到y(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。由于分布式配電系統(tǒng)的電源柜中配置了蓄電池，所以當(dāng)供電處的電流切斷后，依然可為配電系統(tǒng)中的用電設(shè)備提供電流，以此實現(xiàn)配電系統(tǒng)的不間斷供配電和應(yīng)急配電。當(dāng)分布式配電系統(tǒng)的輸入端口和輸出端口都為高壓，需要通過核心處理方法將供電處的電流和系統(tǒng)的線路進行隔離，此項功能具有與隔離變電器相似的作用。分布式配電系統(tǒng)還能夠避免供電處發(fā)生浪涌，有效減輕不良電流對配電系統(tǒng)和用電設(shè)備的負(fù)面影響[7]。并且，用戶側(cè)的電網(wǎng)也會免受供電處的異常觸點影響，通過上端供電設(shè)備進行功率優(yōu)化與補償，分布式配電系統(tǒng)的功率補償效果可超過95%。

5 結(jié) 論

高速公路采用分布式配電系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益與社會效益，是一條實現(xiàn)智慧高速和環(huán)保公路的重要路徑，可提高配電系統(tǒng)的可靠性、靈活性與高效性。相較于傳統(tǒng)的配電技術(shù)，分布式配電系統(tǒng)能夠減少電纜路徑，降低系統(tǒng)故障率和電能消耗，有效提升配電質(zhì)量和應(yīng)對系統(tǒng)故障的能力，并能夠滿足用電設(shè)備的負(fù)載運行要求，實現(xiàn)配電系統(tǒng)的不間斷供配電和應(yīng)急配電。通過對高速公路分布式配電系統(tǒng)的單點接入和多點接入的方案設(shè)計，可明確不同接入方式和配電方式的電壓要求，實現(xiàn)配電系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)和信息的動態(tài)采集，助力我國高速公路配電網(wǎng)智能化水平和低碳水平的持續(xù)提升。