智慧供電系統(tǒng)在高速公路機(jī)電工程中的應(yīng)用

趙強(qiáng)

(中交一公局電氣化工程有限公司，北京 100102)

1 引言

監(jiān)控和照明系統(tǒng)是高速公路附屬系統(tǒng)的重要組成部分，是確保高速公路有效運(yùn)行和管理的重要輔助系統(tǒng)。安全高效的供電系統(tǒng)是高速公路各項(xiàng)設(shè)施正常運(yùn)行的重要前提[1]。為降低高速公路中道路和橋梁的供配電系統(tǒng)造價(jià)，提升供電節(jié)能水平和質(zhì)量，研究高速公路智慧供電系統(tǒng)非常有必要。

2 傳統(tǒng)供配電方案

從供配電基本公式可以知道，輸電功率和電壓平方成正比例關(guān)系，也和導(dǎo)線(xiàn)面積成正比例關(guān)系，但與其長(zhǎng)度成反比例；供電功率和電壓成正比例關(guān)系，也與電流成正比例關(guān)系，電流平方則與電阻和線(xiàn)路損耗成正比例關(guān)系。即對(duì)于恒定電阻的供電線(xiàn)路而言，在保持輸送的電功率一定的情況下，電壓越高，電流和線(xiàn)路損耗均越小[2]。

2.1 低壓380 V直接供電方案

在低壓380 V 的供電系統(tǒng)中，外場(chǎng)設(shè)備一般由低壓配電柜直接進(jìn)行供電，但因存在電壓降，一般情況下，該系統(tǒng)只有4 km 以?xún)?nèi)的供電距離[3]。具體如圖1所示。

在一套供電系統(tǒng)中，若要保持輸電功率不變，則在越長(zhǎng)的供電距離下需要越大的導(dǎo)線(xiàn)面積，或越高的輸送電壓值。但若使導(dǎo)線(xiàn)橫截面積增加，即使電纜線(xiàn)徑增大，則會(huì)導(dǎo)致成本有所增加，使施工難度大大提升，因此，一般情況下會(huì)增大輸送電壓值。

低壓380 V 的直接供電的優(yōu)點(diǎn)有： 所用供電電纜和設(shè)施無(wú)須較高的耐壓等級(jí)，經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)；僅需較低的建設(shè)和維護(hù)成本，施工難度不高。但同時(shí)也有較多不足，具體有：一般只能在4 km 以下的距離進(jìn)行供電，僅有較弱的供電能力，負(fù)載端需保持三相平衡，傳輸距離以及負(fù)載情況決定了電纜的成本，變化幅度大。

2.2 中壓6kV/10kV間接供電方案

針對(duì)距離在4 km 以上的用電設(shè)備，一般采用6 kV 或10 kV的供電電壓，在負(fù)載集中的位置安裝電源，并在該位置安裝6 kV(10 kV）/0.4 kV 變壓器，使其變壓成380 V/220 V，并以此進(jìn)行二次配電，具體如圖2所示。

通常，在高速公路的大型橋梁中采用中壓10 kV 間接供電方案，該種方案的優(yōu)點(diǎn)主要是有較遠(yuǎn)的傳輸距離，傳輸距離一般在10～14 km 左右，有較強(qiáng)的供電能力。雖然該種方案適合在中長(zhǎng)距離的供電中使用，但需要將各變壓設(shè)備設(shè)置到各負(fù)荷區(qū)域中以便于二次配電，并且需要耐壓等級(jí)較高的供電電纜和設(shè)備。為確保電壓穩(wěn)定性而配置的隔離變壓器較為昂貴，需要較高的綜合造價(jià)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的6 kV 變壓設(shè)備較為少見(jiàn)，且需要較高造價(jià)。

2.3 風(fēng)光互補(bǔ)供電方案

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的原理在于將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成交流電，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，轉(zhuǎn)變后的交流電在整流器的作用下向蓄電池充電，轉(zhuǎn)變后的直流電則直接為蓄電池進(jìn)行充電[4]。在整個(gè)系統(tǒng)中，蓄電池的作用在于進(jìn)行電能的儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)。

對(duì)于不便于接入外電的區(qū)域，結(jié)合所在地域特點(diǎn)，可采用純風(fēng)電或太陽(yáng)能等供電方式。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)能源豐富，且無(wú)污染，布線(xiàn)及后期維護(hù)均較為簡(jiǎn)單。但該系統(tǒng)轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的效率較低，且供電質(zhì)量不高，造價(jià)較高，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

2.4 傳統(tǒng)供電方案的不足

傳統(tǒng)供電方案的不足包括：(1）造價(jià)高，需二次配電及相關(guān)變壓設(shè)備，電纜用量大；(2）配置難，需要較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)和施工；(3）大損耗，系統(tǒng)功率因數(shù)較低，有較大的無(wú)功損耗，需較高的電費(fèi)成本。

3 分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)

基于傳統(tǒng)供電方案存在的缺點(diǎn)，經(jīng)深入調(diào)研后，了解到分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)可較好地解決所存在的不足。

3.1 系統(tǒng)介紹

在分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)的輸入中使用的是三相380 V(可以選擇10 kV 或6 kV），輸出使用的是上端電源柜的單相3.3 kV 電壓，具體如圖3所示。

以電纜的方式進(jìn)行各用電點(diǎn)電力的輸送。用電點(diǎn)3.3 kV的電壓通過(guò)下端電源箱可以有效轉(zhuǎn)化成380 V/220 V 電壓，以為負(fù)載供電，具體如圖4所示。

分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)方案如圖5所示。分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)中的上位機(jī)的串并聯(lián)高頻變換器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)市電電能質(zhì)量電壓和電流的綜合補(bǔ)償，在不考慮市電電壓波動(dòng)和輸入電流各分量等的情況下，當(dāng)市電電壓波動(dòng)在±15%區(qū)間時(shí)，負(fù)載電壓穩(wěn)定精度可基本處于±1%的范圍。

在遠(yuǎn)距離輸電中通過(guò)提高輸電線(xiàn)路電壓可以較好地解決各項(xiàng)問(wèn)題，并使各項(xiàng)線(xiàn)路損耗有所減小，但不可將輸電線(xiàn)路電壓隨意進(jìn)行提高，原因在于高壓電絕緣要求較高，輸電線(xiàn)路電壓等級(jí)的提升會(huì)導(dǎo)致相關(guān)造價(jià)不斷增加。

在分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)中，可以根據(jù)帶載負(fù)荷以及傳輸距離選擇傳輸電壓。對(duì)于有著較大帶載負(fù)荷的全程照明系統(tǒng)而言，小于1 kV 的電壓傳輸往往難以符合供電要求，基于經(jīng)濟(jì)性的考慮可以選擇3 300 V 可用于用戶(hù)側(cè)的電壓等級(jí)作為輸電線(xiàn)路電壓。通過(guò)該等級(jí)電壓進(jìn)行輸電，既不需要高造價(jià)的高壓電纜，也不需要較粗線(xiàn)徑的低壓電纜，可有效減小造價(jià)。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.2.1 單相傳輸

在傳統(tǒng)供配電方案里，如出現(xiàn)不平衡的三相負(fù)載將會(huì)有如下危害出現(xiàn)：線(xiàn)路和配電變壓器電耗升高、配變出現(xiàn)零序電流等。而在分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)中，通過(guò)上位機(jī)對(duì)三相380 V 市電進(jìn)行處理可以使其有效轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗? 300 V 中壓，除了可以使電源負(fù)載三相平衡之外，還可以使電纜芯數(shù)得到節(jié)約。

3.2.2 高供電質(zhì)量

高次諧波可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行處理，可以對(duì)市電浪涌電流起到較好的抵抗效果，電壓輸出穩(wěn)定，可以有效確保用電設(shè)備的安全，使設(shè)備使用壽命有所增加。在分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)中，功率因數(shù)通過(guò)基于IGBT+PWM 技術(shù)的有源功率補(bǔ)償電路得到改善，可以使功率因數(shù)在0.95 以上，使用電設(shè)備能耗有所減小，大大延長(zhǎng)使用壽命。

3.2.3 智能化

所采用的電能數(shù)據(jù)采集和智能電源控制技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)等各項(xiàng)功能，無(wú)須額外設(shè)置其他設(shè)備。上下端電源具有智能通信與控制等功能。其智能通信的方式可以有效實(shí)現(xiàn)上端電源柜對(duì)下端電源箱的控制等功能。此外，下端電源箱可進(jìn)行各回路信息的采集，并以電力載波的方式輸送到上端電源柜中，以便于上端電源柜的監(jiān)測(cè)和分析等功能的開(kāi)展。

3.2.4 兼容性好

上端電源柜除了可以在多路市電中接入之外，還可在各項(xiàng)應(yīng)急發(fā)電設(shè)備中接入，在因故障而較長(zhǎng)時(shí)間斷開(kāi)市電時(shí)，也可以有效確保用戶(hù)側(cè)可以正常運(yùn)行各項(xiàng)用電設(shè)備。所配置的蓄電池可在市電出現(xiàn)故障時(shí)確保UPS 和EPS 等功能的正常運(yùn)行。且可直接并網(wǎng)其他發(fā)電方法，實(shí)現(xiàn)即發(fā)即用。

4 供電方案比選

4.1 能效對(duì)比

以主成分分析法[5]對(duì)比分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)和10 kV供電方案的能效，分析不同供電方式下的電力狀態(tài)。分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)在供配電方案不同時(shí)所采集得到的實(shí)時(shí)電力狀態(tài)如圖6所示。圖6中，實(shí)線(xiàn)表示負(fù)載供電電壓U 波形，虛線(xiàn)表示供電回路電流I 波形。

從結(jié)果可以看見(jiàn)，電力系統(tǒng)功率因數(shù)在10 kV 供電方案中較低，僅有0.622。分析圖6中的波動(dòng)情況可以看出，電力系統(tǒng)的感性負(fù)載較多，導(dǎo)致難以提高該方案的功率因數(shù)。因此，可以通過(guò)將容性負(fù)載添加到供電回路的方式使供電方案有所改變，以使電能質(zhì)量有所提高。在分布式智慧節(jié)能供電方案中，因?yàn)閷⑷菪载?fù)載添加到供電回路中，使得功率因數(shù)有所提高，約為0.984，用電效率得到有效提高。

在同一高速公路電力系統(tǒng)中以不同供電方式進(jìn)行供能，所得結(jié)果如圖7所示。其中，實(shí)線(xiàn)表示負(fù)載電壓波形，虛線(xiàn)表示供電回路電流波形。

10 kV 供電方案的功率因數(shù)為0.882，電流波形有所前置，且存在高次諧波，即電能質(zhì)量較差，會(huì)使各機(jī)電設(shè)備使用壽命有所降低。分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)中有0.900 的功率因數(shù)，該系統(tǒng)的供電回路中配置有感性負(fù)載，雖然功率因數(shù)提升較小，但電力和電流有較為契合的波形，能夠較大幅度地提升電能質(zhì)量。

4.2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

對(duì)比上述兩種供電方案所需的工程造價(jià)可知，中壓10 kV間接供電方案需要840 萬(wàn)元的造價(jià)，分布式智慧節(jié)能供電方案需要720 萬(wàn)元的造價(jià)，兩者相比之下有120 萬(wàn)元的差值，即分布式智慧節(jié)能供電方案可以使造價(jià)節(jié)約至少14.3%。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著不斷增大的智慧高速公路的需求量，高速公路各項(xiàng)感知設(shè)備的數(shù)量不斷增多，對(duì)供電系統(tǒng)提出了更高的要求。其中，智慧遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)無(wú)疑是優(yōu)先選擇的方案，有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。本文通過(guò)對(duì)比供電方案，提出低造價(jià)、施工簡(jiǎn)便的智慧遠(yuǎn)程節(jié)能供電系統(tǒng)，為高速公路設(shè)備的遠(yuǎn)程供電提供借鑒。