直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)在高速公路行業(yè)的應(yīng)用

胥婷、華實(shí)、林渡

（1.湖南省高速公路集團(tuán)有限公司長(zhǎng)沙分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015）

0 引言

高速公路車流量比較大，車輛速度較快。如果不采取科學(xué)的管理措施，就容易引發(fā)擁堵甚至更嚴(yán)重的交通事故。為此，在高速公路的建設(shè)中，需要配套構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)等各種機(jī)電系統(tǒng)，以維護(hù)高速公路的有序運(yùn)行。機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行離不開穩(wěn)定的電力支持，而直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以解決遠(yuǎn)端設(shè)備供電問題，還能夠有效提高路網(wǎng)的通行能力，減少交通事故，對(duì)保障我國(guó)高速公路事業(yè)的高水平發(fā)展有十分重要的意義。

1 直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)是指局端設(shè)備通過直流—直流（DC-DC）變換器將機(jī)房?jī)?nèi)穩(wěn)定的-48V 電源通過復(fù)合光纜或者電纜輸送至遠(yuǎn)端設(shè)備，然后進(jìn)行降壓處理（直流—交流或直流—直流），最終變換成遠(yuǎn)端設(shè)備所需要使用的穩(wěn)定電源，確保相關(guān)設(shè)備運(yùn)行能夠獲得高質(zhì)穩(wěn)定的直流電支持的供電技術(shù)，其工作原理如圖1所示[1]。

圖1 直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)原理圖

直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)主要由DC-DC 升壓模塊、監(jiān)控模塊、輸入輸出配電單元、偵測(cè)保護(hù)單元等組成。其遠(yuǎn)端設(shè)備主要由電源分配箱和降壓適配器等組成，其中電源分配箱主要承擔(dān)對(duì)遠(yuǎn)端的多個(gè)設(shè)備分路配電的任務(wù)，同時(shí)起到一定的保護(hù)、防雷的功能。在應(yīng)用實(shí)踐中，直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)有諸多優(yōu)勢(shì)：

一是施工簡(jiǎn)便。由于直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)采用的是高壓直流傳輸方式，因此穩(wěn)定的電流電壓不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾而影響其他機(jī)電設(shè)備，施工時(shí)利用高速公路的通信管道就可以完成敷設(shè)工作，不需要額外開挖，因此施工較為簡(jiǎn)便。

二是安全性較高，直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)使用的是直流懸浮傳輸技術(shù)，人體接觸任何一個(gè)極性都不會(huì)發(fā)生觸電的危險(xiǎn)，而且該技術(shù)具備開路保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)等功能，安全性較高。

三是具有良好的經(jīng)濟(jì)性，該技術(shù)不僅施工簡(jiǎn)便，施工成本低，而且維護(hù)成本較低。主要是因?yàn)橹绷鬟h(yuǎn)供電系統(tǒng)局端設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，支持熱插拔，設(shè)備更換和維護(hù)非常方便，在維護(hù)成本方面可以節(jié)約40%以上。

四是可靠性較高，直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)局端模塊采用N+1 冗余設(shè)計(jì)，而且局端模塊具備短路保護(hù)設(shè)計(jì)、自動(dòng)限流、欠壓關(guān)機(jī)等功能，即使是在停電或故障發(fā)生時(shí)也可以更快地采取相應(yīng)保障措施，有效保障系統(tǒng)運(yùn)行。

五是具有靈活性，由于遠(yuǎn)端設(shè)備體積小，便于安裝，因此安裝方式可以靈活選擇。加上其具備雷擊保護(hù)等功能，電路設(shè)計(jì)高效、適應(yīng)能力強(qiáng)，可以適應(yīng)各種運(yùn)行環(huán)境。

六是具備可監(jiān)控性。局端設(shè)備可采用485 串口進(jìn)行通信，并具備干接點(diǎn)報(bào)警功能，遠(yuǎn)端用電設(shè)備終端也可配置干接點(diǎn)報(bào)警功能，能夠保障系統(tǒng)運(yùn)行安全。

七是能夠降低無功損耗。在智能技術(shù)的支持下，直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)的上下端電源都可以采用智能化手段進(jìn)行控制，具體的控制內(nèi)容包括設(shè)備運(yùn)行與否、照明設(shè)備的亮度等，其原理是通過關(guān)閉回路或調(diào)節(jié)電壓來滿足設(shè)備的實(shí)際需求，以此有效降低無功損耗，具備良好的節(jié)能性能[2]。

2 直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)在高速公路行業(yè)中的應(yīng)用

2.1 直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)組成

2.1.1 主設(shè)備系統(tǒng)組成

直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)由局端設(shè)備（ZYYG-JD）和遠(yuǎn)端設(shè)備（ZYYG-YD）組成，采用的是PMW 脈寬調(diào)制技術(shù)。為了保障供給電源的質(zhì)量，會(huì)借助局端設(shè)備進(jìn)行電能的輸送，電能經(jīng)由復(fù)合光纜、電力線纜進(jìn)入到遠(yuǎn)端設(shè)備，最終通過降壓處理供給相關(guān)設(shè)備穩(wěn)定的電源，從而滿足設(shè)備的用電需求，保障相關(guān)生產(chǎn)工作順利進(jìn)行。

2.1.2 設(shè)備功能

直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)主要包括以下功能：

一是輸入過欠壓保護(hù)。主要作用是保障局端設(shè)備的安全。該功能會(huì)在機(jī)房-48V 電壓高于60V 或低于40V 時(shí)啟動(dòng)，通過停止輸出避免機(jī)房電池組出現(xiàn)放電過量的問題。

二是輸出過壓保護(hù)。局端設(shè)備輸出電壓高于DC400V時(shí)，直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)就會(huì)激發(fā)輸出過壓保護(hù)而停止輸出，輸入電壓的可靠性能得到較好的保障。

三是輸出過流保護(hù)。傳輸電纜的電流在規(guī)定范圍內(nèi)能夠確保電流的穩(wěn)定，這對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備也是一種保護(hù)，但是經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)傳輸電纜的電流大于額定值的情況，這種情況下就需要局端設(shè)備停止輸出，以此確保傳輸電纜運(yùn)行的安全與可靠。

四是開路保護(hù)。傳輸回路部分或全部被破壞時(shí)就會(huì)切斷高壓輸出，從而保障人員和設(shè)備的安全。

五是短路保護(hù)。電纜的正極與負(fù)極短接時(shí)或者正極與負(fù)極任一極與大地短接時(shí)就會(huì)切斷高壓輸出。

六是強(qiáng)電入侵保護(hù)。系統(tǒng)會(huì)通過切斷局端的高壓輸出來解決市電與電源傳輸線路產(chǎn)生搭接的短路問題。

七是線—地漏電流保護(hù)。系統(tǒng)會(huì)直接切斷局端的高壓輸出，有效避免人觸電產(chǎn)生的線—地漏電流；

八是故障報(bào)警，不同顏色指示燈亮可以指示相應(yīng)故障類型，以便提醒相關(guān)人員進(jìn)行處理[3]。

2.1.3 系統(tǒng)組網(wǎng)原則

系統(tǒng)組網(wǎng)要遵循以下原則。

一是負(fù)載功耗。要求設(shè)計(jì)人員能夠掌握設(shè)備負(fù)載功耗（峰值），在選擇供電方案的時(shí)候也要考慮一定的冗余度，確保功率配置適宜。

二是傳輸距離。由局端設(shè)備（供電網(wǎng)點(diǎn)）至遠(yuǎn)端設(shè)備負(fù)載之間的距離還存在長(zhǎng)短不一的情況，應(yīng)嚴(yán)格按照傳輸距離進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)，尤其是傳輸線纜的選擇要合乎所要求的技術(shù)規(guī)格。

三是傳輸線纜程式、線質(zhì)、線徑。應(yīng)充分考慮設(shè)備負(fù)載功耗（峰值）、傳輸距離、技術(shù)參數(shù)（銅線、鋁線）、應(yīng)用場(chǎng)景（復(fù)合纜、專用纜）、敷設(shè)條件（城市、農(nóng)村、管道、架空）及線纜技術(shù)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)因素，從而保障線路傳輸安全、可靠[4]。

2.2 直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.2.1 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)供電現(xiàn)狀

在高速公路的運(yùn)行過程中，全程監(jiān)控是保障高速公路有序運(yùn)行的關(guān)鍵，但是目前監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中還存在一些問題。就目前來看，高速公路主要采用的供電方式有以下幾種：

一是交流電源直接供電。由于可以直接從電網(wǎng)取電，因此供電較為便捷，投資成本也低，但是需要遠(yuǎn)距離鋪設(shè)線路，管線施工較為復(fù)雜，而且每個(gè)設(shè)備都需要配備用電表，導(dǎo)致核算比較麻煩，在供電運(yùn)行中還可能出現(xiàn)供電電壓忽高忽低的情況，甚至可能遭受雷電襲擊等。

二是交流電源與UPS 不間斷電源供用。主要是通過在各設(shè)備前配備UPS 不間斷電源來解決交流電源直接供電所存在的問題。但UPS 不間斷電源的電池壽命較短，隨著氣溫的升高還會(huì)縮短壽命，而且對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較差，在惡劣的環(huán)境中容易損壞，因此維護(hù)成本較高。

三是太陽(yáng)能電池板。其具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但是也會(huì)受到外界環(huán)境的影響，一旦長(zhǎng)時(shí)間處于無風(fēng)或者陰雨天氣，會(huì)導(dǎo)致供電不足。

通過對(duì)上述供電方式的分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的供電方式存在一定的不足，而采用直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)可有效解決上述問題[5]。

2.2.2 直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)方案

通過對(duì)直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行分析可以得知其具備施工簡(jiǎn)便、安全性高、成本低、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其是不需要另行鋪設(shè)專用線路，更不需要安裝體積較大的UPS 不間斷電源等，在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值更高。

（1）直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)的發(fā)送部分

直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)的發(fā)送部分采用的是模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)保護(hù)、智能通信、繼電器硬觸點(diǎn)報(bào)警功能。如果出現(xiàn)過載、線路開路、蓄電池電壓低等情況都可以進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并發(fā)送報(bào)警信號(hào)，以便及時(shí)處理，這一功能有力地強(qiáng)化了系統(tǒng)供電的可靠性。此外，系統(tǒng)輸入和輸出中還采用了電氣隔離的方式，直流傳輸可浮出地面輸出，即使碰到其中的一極也不會(huì)發(fā)生觸電事故，即使在單極接地的時(shí)候也能夠保障直流傳輸系統(tǒng)正常工作，從而確保發(fā)送部分的安全性與可靠性[6]。

（2）直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)的接收部分

遠(yuǎn)供接收部分主要由直流—交流或直流—直流轉(zhuǎn)換器組成，其中需要使用交流電源的設(shè)備采用直流—交流變換器，在變換器的支持下，可以將其接收到的直流電能轉(zhuǎn)換為所需交流電能。需要注意的是，某些可以使用直流電的設(shè)備應(yīng)該采用直流—直流變換器，確保設(shè)備所需直流電壓的穩(wěn)定性。在運(yùn)行中可以發(fā)現(xiàn)，線路傳輸距離的長(zhǎng)短存在較大的不同，這就要求接收部分的變換器能適應(yīng)大的輸入電壓變化范圍[7]。此外，需要考慮外場(chǎng)攝像機(jī)等高空設(shè)備容易引發(fā)雷擊的情形，這就需要接收部分一方面在輸出端加防雷器件，另一方面對(duì)轉(zhuǎn)換設(shè)備輸入輸出進(jìn)行電氣隔離。

（3）發(fā)送端電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

遠(yuǎn)程供電的發(fā)送端主要由交流—直流變換組件組成，在實(shí)際運(yùn)行中主要是將交流電源經(jīng)交流—直流變換裝置變換為所需直流電源。該設(shè)備可設(shè)置在就近的變電所或通信電源室。當(dāng)市電正常時(shí)，由市電提供遠(yuǎn)端設(shè)備電能并對(duì)蓄電池組充電，當(dāng)市電異常（如停電）時(shí)系統(tǒng)仍能正常使用[8]。此外，在通信機(jī)房中設(shè)置通信電源系統(tǒng)，遠(yuǎn)程供電的發(fā)送端能夠完成直流—直流變換，將機(jī)房中的通信電源經(jīng)直流—直流變換裝置變換為所需直流電源。

2.3 關(guān)于直流遠(yuǎn)供輸電線纜的選用

2.3.1 光電復(fù)合纜

目前，除了銅芯、鋁芯直流遠(yuǎn)供輸電線纜，光電復(fù)合纜的應(yīng)用也越來越常見。光電復(fù)合纜可以結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景的不同設(shè)計(jì)成鎧裝護(hù)套，更加方便直埋施工。光電復(fù)合纜在傳輸過程中不僅不會(huì)出現(xiàn)光、電信號(hào)相互干擾的現(xiàn)象，而且具有以下優(yōu)勢(shì)：

一是外徑比較小，因此重量輕，在施工中也不會(huì)占用較大的空間。

二是成本低，一方面是購(gòu)置成本較低，另一方面是施工成本以及維護(hù)成本比較低。

三是可提供巨大的寬帶接入。

四是可以解決通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的設(shè)備用電問題，避免重復(fù)布放供電線路。

五是能夠支持多種傳輸技術(shù)，而且同設(shè)備的可擴(kuò)展性也比較強(qiáng)[9]。

總的來說，光電復(fù)合纜在直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)中有較高的應(yīng)用價(jià)值。

2.3.2 使用普通電力電纜時(shí)的線纜選型

如果使用普通電力電纜，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行線纜選型時(shí)應(yīng)嚴(yán)格調(diào)查高速公路外場(chǎng)機(jī)電設(shè)備的負(fù)載功率、供電距離、電纜線徑、線纜的電阻率以及遠(yuǎn)端設(shè)備工作電壓，在此基礎(chǔ)上合理地確定選型，計(jì)算時(shí)主要按照歐姆定律[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高速公路承擔(dān)著較重的運(yùn)輸通行任務(wù)，各系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量更是直接關(guān)系到高速公路的運(yùn)行水平，因此必須重視直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，確保高速公路各機(jī)電系統(tǒng)在運(yùn)行中能夠獲得可靠的供電來源，滿足實(shí)際上生產(chǎn)的需求。相關(guān)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)也要結(jié)合工程特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)該技術(shù)應(yīng)用的可靠性、經(jīng)濟(jì)性等，使其可以在高速公路行業(yè)中得到有效的應(yīng)用，從而全面保障我國(guó)高速公路事業(yè)的健康、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。