高速公路項(xiàng)目機(jī)電設(shè)備的智能供電技術(shù)探討

韋杰

摘要 高速公路機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行，需要有穩(wěn)定的供電，但當(dāng)前高速公路機(jī)電設(shè)備供電技術(shù)智控水平較差?；诖?，文章提出一種智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電技術(shù)，采用此項(xiàng)技術(shù)，可將電源點(diǎn)、能源智控站及用電負(fù)荷相互連接起來，構(gòu)成完整的智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)，并論述了此系統(tǒng)的主要構(gòu)成，分析了系統(tǒng)的布設(shè)及運(yùn)行方式，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明該技術(shù)具有較高的實(shí)用性，可廣泛推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 公路項(xiàng)目；機(jī)電工程；智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電網(wǎng)；分布式智能終端

中圖分類號 U418.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）11-0177-03

0 引言

高速公路機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行，需要有配套的供電技術(shù)及系統(tǒng)作為支撐，當(dāng)前機(jī)電設(shè)備穩(wěn)定供電和智控水平較低，會(huì)消耗過多電能。因此，必須采取有效措施實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高智能供電。該文分析了智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控供電，確保供電穩(wěn)定，減少能耗。

1 智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電網(wǎng)構(gòu)成

高壓電源點(diǎn)輸出電能，電纜線將其輸送至交流變壓器，高速公路機(jī)電設(shè)備從而獲得運(yùn)轉(zhuǎn)所必需的電能，此為其供電方式。通過運(yùn)用智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電技術(shù)，將能源智控站、總協(xié)調(diào)控制單元、電源點(diǎn)與交流變壓器串聯(lián)起來，形成鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)，以提升機(jī)電設(shè)備供電智能化水平[1]。

1.1 高壓電源點(diǎn)和交流變壓器

高壓電源點(diǎn)為高速公路機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行提供電能，是配電網(wǎng)絡(luò)的重要構(gòu)成。交流變壓器降低供電的電壓值，確保電能與能源智控站更加匹配[2]。

1.2 能源智控站

能源智控站是智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電網(wǎng)的主要構(gòu)成部分，它包含以下設(shè)備及系統(tǒng)：

1.2.1 低壓配電柜

構(gòu)成低壓配電柜的主體為斷路器及計(jì)量設(shè)備，并附有各種測量和保護(hù)設(shè)備。電源點(diǎn)輸出電能，流經(jīng)變壓器后，其電壓會(huì)變低，電纜線連接到配電柜，電能流入能源智控站，除了滿足站內(nèi)用電外，主要為高速公路機(jī)電設(shè)備供電。低壓配電柜的主要作用是為機(jī)電設(shè)備接入電能，并實(shí)現(xiàn)有效控制及保護(hù)[3]。

1.2.2 能量路由器

其功能是將電能連接起來，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的電能接入。借助于路由器，將交流母線連接起來，電能受其影響，成為鏈?zhǔn)骄W(wǎng)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)，供電穩(wěn)定性得到明顯提高。此外，它還能整合不同電壓等級交直流電的接入及電能，主要應(yīng)用于光電和風(fēng)電的整合。

1.2.3 分布式智能終端

采集電能數(shù)據(jù)是分布式智能終端的主要功能。數(shù)據(jù)信息收集完畢后，傳輸至總協(xié)調(diào)控制單元，兩者之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)經(jīng)過分析后，將其作為系統(tǒng)控制決策的重要依據(jù)，終端設(shè)備接收指令后，及時(shí)有效地控制站點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。智能終端主要收集溫度、濕度、電壓等涉及設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2.4 清潔能源及儲(chǔ)能系統(tǒng)

該系統(tǒng)中設(shè)置有蓄電池組，收集電能后做好保存，主要作為后備選項(xiàng)，向能源智控站提供電源，確保站內(nèi)機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行。蓄電池分為UPS、鉛酸、磷酸鐵鋰等多種類型，特點(diǎn)各不相同，適用環(huán)境也存在一定的差異。經(jīng)對比，UPS蓄電池的安全性較高，可高效釋放電能，而且經(jīng)久耐用，在電能儲(chǔ)備方面的應(yīng)用價(jià)值較高。低碳環(huán)保是當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主流理念，通過設(shè)計(jì)清潔能源系統(tǒng)，有效補(bǔ)充傳統(tǒng)電能，降低電能消耗[4]。光伏太陽能發(fā)電屬于一種清潔能源，站外布設(shè)光伏太陽能板，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，可為智控站提供補(bǔ)充電能。太陽能板占地面積較大，而智控站面積有限，因此必須根據(jù)具體需要來決定是否設(shè)計(jì)清潔能源系統(tǒng)。

1.2.5 電能質(zhì)量控制系統(tǒng)

供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，連續(xù)供電且對用戶的正常用電不產(chǎn)生影響的性能被稱之為電能質(zhì)量。向高速公路機(jī)電設(shè)備供電，其系統(tǒng)電路及設(shè)備會(huì)消耗部分電能，為防止電能質(zhì)量受影響，確保電壓及電功率等指標(biāo)符合供電要求，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的質(zhì)控系統(tǒng)用于控制電能質(zhì)量。該系統(tǒng)控制電能質(zhì)量，主要是通過靜止無功發(fā)生器對系統(tǒng)內(nèi)電流進(jìn)行有效控制，并借助于各種補(bǔ)償器補(bǔ)償供電系統(tǒng)的電能，且沒有任何能耗，最終實(shí)現(xiàn)有效控制電能質(zhì)量的目的，確保為高速公路機(jī)電設(shè)備提供的電能具有較高的穩(wěn)定性和安全性[5]。

2 智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)的布設(shè)

高速公路沿線安裝有各種外場機(jī)電設(shè)備，其中可變信息標(biāo)志的功率大約為3～5 kW，其他設(shè)備的功率都不超過1 kW。由此可知，場外設(shè)備的功率較小且存在較大差異，由于分布于公路沿線，供電點(diǎn)數(shù)量眾多，傳統(tǒng)供電方式無法有效滿足這類供電需求?，F(xiàn)階段，為高速公路外場設(shè)備提供電能，所用方式有以下幾種：①采用10/0.4 kV變電所、箱式變電站等方式進(jìn)行供電，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所需電能來自站區(qū)變電所，或者通過埋設(shè)電纜，由箱式變電站供電[6]。此方式不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電，線路消耗較多的電能，而且電壓會(huì)有較大下降，若為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電，需要鋪設(shè)大量電纜，這會(huì)增加資金投入。②通過變壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)供電。變電所低壓側(cè)為輸出電源，結(jié)合供電遠(yuǎn)近及電負(fù)荷量，使用變壓器將電壓升至800 V，當(dāng)電能送至用電地點(diǎn)后，再將電壓降到220 V。如果供電所需的電負(fù)荷較大，則該方式較為適用，但如果設(shè)備所需電負(fù)荷大小不一，則用電點(diǎn)線路的電壓值存在顯著差異。③安裝太陽能或風(fēng)能裝置，為小功率設(shè)備供電。此供電方案需配置較多數(shù)量的蓄電池，建設(shè)成本高，且使用年限短，后期維保費(fèi)用較高。

（1）向高速公路機(jī)電設(shè)備提供電能，若采用常規(guī)供電方式，供電電壓穩(wěn)定性較差，建設(shè)各類硬件設(shè)施的成本高，而且后期維保難度大，需要投入較大人力和財(cái)力資源[7]。該文設(shè)計(jì)了智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)，可解決上述問題，實(shí)現(xiàn)高效供電，圖1所示為其布置方式。

（2）布置方式簡述：使用高壓斷路設(shè)備，將不同的電源點(diǎn)連接到母線，后者也與總協(xié)調(diào)控制單元連在一起，電能被輸送至高壓配電室中，在其母線間安裝有開關(guān)裝置。電能流經(jīng)配電室和變壓器，被輸送至能源智控站，它們之間都是一一對應(yīng)關(guān)系。兩兩智控站之間安裝有斷路開關(guān)，根據(jù)實(shí)際情況有效控制機(jī)電設(shè)備的供電線路。

（3）布設(shè)智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)時(shí)，要注意高壓電源點(diǎn)供電方式的選擇：①供電方式有直流和交流之分，對比兩種供電方式可知，交流供電方式配套建設(shè)的基站費(fèi)用較低，便于進(jìn)行電壓升降，不足之處在于故障率高，供電線路會(huì)消耗部分電能，經(jīng)濟(jì)性較低。②傳輸同等功率的電能，直流供電方式配套的線路較為簡單，相同絕緣性能的電纜可傳輸更高電壓的電能，電能傳輸過程中不會(huì)有較大損耗，還能有效抵抗外部干擾，不足之處在于需要建設(shè)配套的換流站，建設(shè)投資大，且供電過程中換流設(shè)備的運(yùn)行要求必須有較高的無功補(bǔ)償；③通過全面比較直流供電和交流供電方式，該文設(shè)計(jì)的智能供電系統(tǒng)采用了后者[8]。

（4）供電電壓等級的選擇、高壓交流電源點(diǎn)之間距離的控制：①當(dāng)前各地的供電等級主要分為10 kV和35 kV兩類，電容量是選定供電電壓等級的主要參考依據(jù)。②建設(shè)成本、耗電量以及穩(wěn)定性也是選擇電壓等級的重要參考，相較于10 kV變電站，35 kV的建站成本高，但耗電量小，且具有較高的穩(wěn)定性。③汽車行駛在高速公路上，其安全性是通過各種機(jī)電設(shè)備來保障的，機(jī)電設(shè)備主要用于控制高速公路沿線的通信、照明等。各類機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，要求具備35 kV供電等級，連續(xù)向機(jī)電設(shè)備供電。

（5）電能容量及輸送電纜線徑?jīng)Q定了高壓交流電源點(diǎn)的間距：①當(dāng)電纜線徑裕量較大時(shí)，可輸送更大電容量，供電半徑較小。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電，則要求各電源點(diǎn)的間距不能超過供電半徑，電能供應(yīng)的穩(wěn)定性，隨著供電半徑的減小而增強(qiáng)。②據(jù)了解，為確保高速公路機(jī)電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，要求電能輸送容量不能低于2 MVA，最高為15 MVA，例如電壓等級為35 kV時(shí)，則供電半徑超過20 km，最大為50 km。若智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)的電源點(diǎn)電壓為35 kV，電源點(diǎn)間距不能超過30 km；若智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)的電源點(diǎn)電壓為10 kV，則電源點(diǎn)的間距不能超過15 km。如果該系統(tǒng)所選的電源點(diǎn)電壓為35 kV，電能被輸送至能源智控站前，需通過交流變壓器將流經(jīng)電能的電壓由35 kV降到0.4 kV，并轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟奫9]。

（6）確定能源智控站和總協(xié)調(diào)控制單元的布設(shè)數(shù)量：①布設(shè)智控站，應(yīng)設(shè)定各站間距大約為500 m，由此可知，供電半徑的設(shè)定應(yīng)重點(diǎn)考慮電壓等級情況，在各站間距明確后，可測算出站點(diǎn)布設(shè)數(shù)量。例如設(shè)定電源點(diǎn)的電壓為35 kV，若假設(shè)供電半徑等于30 km，此時(shí)就可計(jì)算出需要布設(shè)60個(gè)能源智控站。②智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)內(nèi)部信息的溝通交流，主要通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，所以布設(shè)總協(xié)調(diào)控制單元時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度、信號收發(fā)、通信設(shè)備建設(shè)成本、設(shè)備的靈敏程度等因素，都需要考慮在內(nèi)，以確保布設(shè)數(shù)量合理。如果無線網(wǎng)絡(luò)信號較強(qiáng)，且擁有較為充足的資金保障，則每6～10個(gè)高壓電源可匹配總協(xié)調(diào)控制單元，其布設(shè)位置與電源點(diǎn)的距離不能超過500 m。

3 智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式

為確保高速公路機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需對智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況實(shí)施監(jiān)測，通過總協(xié)調(diào)控制單元的檢測，及時(shí)了解各個(gè)電源點(diǎn)的運(yùn)行情況。除此之外，還需對站外構(gòu)成供電系統(tǒng)的各類設(shè)備進(jìn)行檢測，掌握其運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中是否有故障。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，工作人員可快速確定發(fā)生故障的部位，分析具體原因，并通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，將故障信息報(bào)送至控制中心。

對智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)進(jìn)行檢查時(shí)，智能終端與控制單元通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，如果不能正常通信或出現(xiàn)異常，就可明確智控站的方位，故障信息會(huì)經(jīng)通信設(shè)備后被傳輸至控制中心，為后續(xù)維修工作的開展奠定基礎(chǔ)；若智能終端與控制單元保持穩(wěn)定通信，所收集的智控站運(yùn)行數(shù)據(jù)由終端設(shè)備實(shí)施邊緣計(jì)算，由此判斷智控站設(shè)備是否正常運(yùn)行。經(jīng)過邊緣計(jì)算，若確定智控站運(yùn)行無問題后，智能終端可自動(dòng)調(diào)節(jié)站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀況，確保實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行；若智控站運(yùn)行異常，且不能進(jìn)行自我調(diào)整時(shí)，智能終端會(huì)將系統(tǒng)故障信息上報(bào)，控制單元發(fā)出控制信息，智控站的智能斷路器將站內(nèi)電力供應(yīng)線路切斷[10]。當(dāng)電源被切斷后，系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)的備用電源向智控站供應(yīng)電能，開關(guān)裝置、斷路器及通信設(shè)備運(yùn)行所需的電能也來自備用電源。

當(dāng)電力故障問題排除后，切斷備用電源，停止向智控站提供電能。此外，還需將能量路由器母聯(lián)開關(guān)斷開，實(shí)現(xiàn)對智控站提供穩(wěn)定電能，這就是一次運(yùn)行完整的系統(tǒng)智能供電循環(huán)。

4 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前高速公路機(jī)電設(shè)備供電智控化程度相對較低，質(zhì)控水平差，采用智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電技術(shù)，可有效解決上述問題。該技術(shù)與電網(wǎng)發(fā)展方向相一致，有利于高速公路機(jī)電設(shè)備供電技術(shù)向智能化和物聯(lián)化方向發(fā)展，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益，值得大范圍推廣應(yīng)用。

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