高速公路ETC門架供電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陸文新

（福建省高速公路集團(tuán)有限公司南平管理分公司，福建 武夷山 354300）

0 引言

為落實(shí)2020年1月1日零時(shí)取消省界收費(fèi)站采用ETC門架計(jì)費(fèi)的相關(guān)政策，ETC門架各項(xiàng)設(shè)備正常運(yùn)行將成為高速公路開展通行費(fèi)計(jì)費(fèi)的重要條件。ETC門架系統(tǒng)主要作用包括：一是對行駛在高速公路上的車輛進(jìn)行路徑識(shí)別及通行費(fèi)計(jì)費(fèi)；二是承擔(dān)著通行車輛的車牌識(shí)別、車輛圖像等信息收集、上傳等功能。因此，高速公路ETC門架系統(tǒng)設(shè)備（RSU天線、高清車牌識(shí)別一體機(jī)、高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、天線控制器、工控機(jī)及空調(diào)等）需確保7×24h持續(xù)供電。高速公路上ETC門架供電線纜布設(shè)距離較長以及自然災(zāi)害等不利因素導(dǎo)致供電線纜等設(shè)施時(shí)常損壞，同時(shí)，高速公路突發(fā)性外線路停電的情況時(shí)有發(fā)生。因此，目前ETC門架的供電系統(tǒng)穩(wěn)定性有提高的空間。為進(jìn)一步提高ETC門架設(shè)施供電的穩(wěn)定性，需要對現(xiàn)有ETC門架供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 ETC門架供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，福建省ETC門架系統(tǒng)主要從門架附近的高速公路收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)及隧道等配電房中的配電柜進(jìn)行取電。大部分配電房到ETC門架的距離較長，電纜出現(xiàn)損壞的概率較大。ETC門架一體化機(jī)柜內(nèi)設(shè)配電箱和不間斷電源（UPS電源）等設(shè)施。其中，UPS蓄電池組對門架主要設(shè)備的供電時(shí)間按照后備4h配置。當(dāng)遇到自然因素或外力破壞等造成高速公路沿線供電線纜或設(shè)備損壞時(shí)，ETC門架設(shè)施將采用UPS蓄電池組進(jìn)行臨時(shí)供電。為確保門架設(shè)備不會(huì)斷電，需在一定時(shí)間內(nèi)外接移動(dòng)式汽油發(fā)電機(jī)等移動(dòng)發(fā)電設(shè)備對門架設(shè)備進(jìn)行應(yīng)急供電，同時(shí)組織隊(duì)伍對供電線路故障進(jìn)行排查和修復(fù)。但受供電線纜布設(shè)距離較長以及高速公路戶外作業(yè)惡劣天氣等影響，在短時(shí)間內(nèi)排查、修復(fù)故障點(diǎn)恢復(fù)正常供電存在客觀條件限制，同時(shí)也增加了高速公路作業(yè)人員的不安全因素。

福建省ETC門架供電線路大多采用單回路供電模式，當(dāng)供電線路出現(xiàn)故障時(shí)將直接影響ETC門架系統(tǒng)的市電輸送和使用，只能依靠UPS蓄電池作為門架設(shè)備的應(yīng)急電源進(jìn)行供電。目前，ETC門架UPS蓄電池按設(shè)計(jì)要求維持約4h的供電保障時(shí)間，然而高速公路上搶修電纜或者供電設(shè)備有時(shí)是一項(xiàng)繁雜、耗時(shí)的工作。首先需要組織維修人員到現(xiàn)場對故障點(diǎn)進(jìn)行排查，然后經(jīng)過故障點(diǎn)確認(rèn)、修復(fù)以及測試等一系列操作后才能排除故障恢復(fù)門架供電，時(shí)間往往要長于門架蓄電池后備電源供電時(shí)間4h。當(dāng)UPS蓄電池組電量耗盡或不足時(shí)，門架設(shè)備將存在停止運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，給供電保障工作增加了較大難度。同時(shí)，高速公路ETC門架設(shè)備數(shù)量大，對電量的需求大，設(shè)備用電占維護(hù)費(fèi)用的比例高。目前ETC門架較為單一的供電回路將會(huì)影響ETC門架設(shè)施供電的穩(wěn)定性。以上問題對ETC門架運(yùn)行增加了供電保障的難度及運(yùn)營成本，不利于高速公路實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)營降本增效和維護(hù)工作的開展。為解決以上問題，使ETC門架系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，需對高速公路門架系統(tǒng)的供電線路及供電方式進(jìn)行改造和優(yōu)化：對ETC門架供電單回路模式進(jìn)行優(yōu)化；同時(shí)引進(jìn)太陽能光伏式發(fā)電方式作為ETC門架設(shè)備用電的主要來源。

2 ETC門架供電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為改善現(xiàn)有門架單一供電回路的供電模式，保證門架設(shè)備能7×24h持續(xù)得到供電保障，需通過增加一條備用供電回路來提高ETC門架供電的穩(wěn)定性。依托高速公路得天獨(dú)厚的土地資源優(yōu)勢，結(jié)合現(xiàn)有高速公路供電系統(tǒng)的有利條件，利用太陽能光伏發(fā)電[1]和市電相結(jié)合的方式為ETC門架設(shè)備供電。同時(shí)增加一條ETC門架系統(tǒng)供電回路，兩條供電回路具備相鄰且互不干擾的取電點(diǎn)，如圖1所示。同時(shí)，在ETC門架機(jī)柜中增加可自行切換的電源控制器，當(dāng)其中一條回路故障時(shí)可不間斷地切換到另一條供電回路上繼續(xù)供電，使ETC門架設(shè)施能夠持續(xù)得到太陽能、市電供應(yīng)，繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 ETC門架雙供電回路示意圖

2.1 高速公路開展太陽能發(fā)電的優(yōu)勢

高速公路沿線的收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、互通樞紐以及隧道口隔離帶均有較為充足的可供太陽能發(fā)電的場所[3]，且日照較為充足。因此，高速公路運(yùn)營公司可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的太陽能發(fā)電場地，如收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)的屋頂和空閑區(qū)域、互通樞紐閑置土地、隧道口隔離帶以及硬質(zhì)大面積邊坡等區(qū)域均是開展太陽能發(fā)電的絕佳場所。且高速公路以上場所均配備相關(guān)的電網(wǎng)接入點(diǎn)（配電室等），便于太陽能發(fā)電后并網(wǎng)工作的開展。

2.2 太陽能光伏發(fā)電

福建省地處北緯：23°30'～28°2'，東經(jīng)：115°40'～120°30'，是太陽能資源較豐富區(qū)，部分地區(qū)為很豐富區(qū)，年總輻射量在1 055～1 500kW·h/m2，具有太陽總輻射量大、直接輻射多、太陽能利用率高等特點(diǎn)，綜合利用太陽能的潛力巨大[2]。

目前，太陽能光伏發(fā)電類型主要分為獨(dú)立光伏發(fā)電和分布式光伏發(fā)電，隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)不斷成熟，發(fā)電效率不斷提高，結(jié)合兩種太陽能發(fā)電方式特點(diǎn)和高速公路的自身特點(diǎn)，在高速公路上開展分布式光伏發(fā)電較有優(yōu)勢。分布式光伏發(fā)電主要設(shè)施包括：光伏組件、控制器、蓄電池組及逆變器等。為滿足高速公路ETC門架設(shè)備特殊供電需求，可在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中配備蓄電池組來儲(chǔ)備多余的電能，在陽光充足時(shí)段對蓄電池組進(jìn)行充電，當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)在夜晚或陰雨天氣時(shí)段發(fā)電不足時(shí)可由太陽能蓄電池組繼續(xù)為ETC門架供電，進(jìn)一步提高ETC門架后備電源的保障時(shí)間。通過對ETC門架設(shè)備功率的實(shí)際測量，單個(gè)ETC門架主要設(shè)備的功率總和約為1 800W左右，正常情況下一個(gè)門架設(shè)備一天約耗43.2kW·h電量。按每天發(fā)電50kW·h測算，需配置8kW左右的光伏組件進(jìn)行約6.25h有效發(fā)電，可根據(jù)不同區(qū)域光照強(qiáng)度和時(shí)長來調(diào)整光伏組件功率，確保太陽能一天的發(fā)電量滿足ETC門架設(shè)備使用。太陽能蓄電池組容量可按照ETC門架設(shè)備功率進(jìn)行相應(yīng)的配備。

2.3 高速公路太陽能發(fā)電的實(shí)施

利用福建省高速公路現(xiàn)有優(yōu)勢條件開展太陽能分布式發(fā)電，可以達(dá)到節(jié)能增效的目標(biāo)。當(dāng)前，太陽能分布式光伏發(fā)電以硬件成熟可靠、相關(guān)配件易采購、建設(shè)與養(yǎng)護(hù)成本低等優(yōu)勢，成為推廣太陽能分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的有利條件[4]。在開展太陽能發(fā)電項(xiàng)目前需對高速公路沿線收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、互通樞紐、隧道等區(qū)域進(jìn)行勘察，選擇最適合分布式光伏組件安裝、布設(shè)的地點(diǎn)建設(shè)分布式光伏發(fā)電站。高速公路太陽能光伏發(fā)電及并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。高速公路太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)工作原理為：

（1）光伏組件（光伏板）在太陽光照射下產(chǎn)生直流電；

（2）直流電可通過充電控制器對蓄電池組進(jìn)行充電備用；

（3）同時(shí)多余的直流電通過匯流箱接入逆變器；（4）逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電；

（5）逆變器輸出的交流電統(tǒng)一送往高速公路附近的收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、隧道等配電室中將太陽能發(fā)電進(jìn)行并網(wǎng)。

在以上場所配電室中布設(shè)并網(wǎng)箱、配電箱、變壓柜、光伏電能表和雙向電能表等設(shè)備，具有以下作用：

（1）并網(wǎng)箱輸出穩(wěn)定的可直接使用的交流電經(jīng)配電箱送往ETC門架負(fù)載使用；

（2）光伏電能表用來計(jì)量太陽能發(fā)電量；

（3）雙向計(jì)量電能表用來計(jì)量余電上網(wǎng)電量和市電使用量；

（4）如遇光伏發(fā)電的電量不夠門架設(shè)備使用時(shí)，則電網(wǎng)將補(bǔ)充市電給門架使用；

（5）當(dāng)光伏發(fā)電的電量有余，則將多余的電量經(jīng)變壓器處理后銷售給國家電網(wǎng)。形成“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”的太陽能發(fā)電模式。

2.4 ETC門架供電系統(tǒng)優(yōu)化

高速公路ETC門架供電系統(tǒng)優(yōu)化思路為：將原ETC門架單回路供電改造為雙回路供電，形成兩條回路互補(bǔ)的模式。從而當(dāng)一條回路出現(xiàn)故障無法正常供電時(shí)，可由另一條供電回路對門架設(shè)備進(jìn)行供電，提高ETC門架供電穩(wěn)定性。

同時(shí)對ETC門架配電箱進(jìn)行雙電源自動(dòng)切換的電路改造，如圖3所示。兩條供電回路形成一主一備，若兩條回路中只有一條供電回路具備太陽能供電的情況時(shí)，一般情況下將具備太陽能發(fā)電供電回路作為主回路優(yōu)先給門架一體機(jī)柜UPS蓄電池充電及門架設(shè)備供電；若兩條回路均具備太陽能發(fā)電供電時(shí)，可任意選擇其中一條回路作為主回路。門架一體機(jī)柜配電箱內(nèi)設(shè)置自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)主供電回路無法正常供電時(shí)將自動(dòng)切換至備用供電回路進(jìn)行供電，主回路恢復(fù)后重新切換至主回路供電。使門架供電系統(tǒng)具備“自投自復(fù)”的功能，確保能為ETC門架設(shè)備持續(xù)不間斷的供電。

圖2 高速公路太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖3 雙電源自動(dòng)切換的電路

3 ETC門架供電系統(tǒng)改進(jìn)后的成效

優(yōu)化后的ETC門架供電系統(tǒng)更加穩(wěn)定，降低了ETC門架設(shè)備斷電和供電搶修維護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，使門架設(shè)備持續(xù)供電得到雙重保障。太陽能光伏發(fā)電作為自給自足的供電方案，從長遠(yuǎn)發(fā)展角度考慮，此方案是一項(xiàng)可以節(jié)能降本的供電方案?？梢越档透咚俟稥TC門架對市電的需求量，從而提升企業(yè)綜合競爭力。

4 結(jié)語

經(jīng)優(yōu)化后的高速公路ETC門架供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性有顯著的提高，解決了原有單回路供電系統(tǒng)存在的不足，使ETC門架各項(xiàng)設(shè)備功能和數(shù)據(jù)指標(biāo)維持較高的水平。同時(shí)在一定程度上為ETC門架供電線路的搶修爭取更多寶貴時(shí)間。從可持續(xù)發(fā)展的角度分析，高速公路作為長期營運(yùn)企業(yè)，各系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備對電量的需求巨大，且成不斷增長趨勢。太陽能分布式發(fā)電的應(yīng)用在高速公路上可以進(jìn)一步擴(kuò)展和開發(fā)，高速公路優(yōu)越的土地資源開展太陽能發(fā)電不僅符合國家發(fā)展的政策向?qū)В瑫r(shí)高速公路電量需求大的特點(diǎn)使開展太陽能發(fā)電項(xiàng)目具備投資成本回收周期短等優(yōu)勢。因此，太陽能開發(fā)項(xiàng)目在高速公路運(yùn)營和機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)中具有良好的發(fā)展前景。