虎門二橋分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)施

凌思威

（廣東省公路建設(shè)有限公司灣區(qū)特大橋養(yǎng)護(hù)技術(shù)中心,廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著我國高速公路總里程數(shù)的快速增加，相應(yīng)設(shè)施設(shè)備的種類和數(shù)量明顯增多，也對(duì)與之配套的配電網(wǎng)的可靠性和安全性提出了更高要求[1]。在高速公路的眾多附屬系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)和照明系統(tǒng)是重要的組成部分，是保障高速公路正常運(yùn)營、高效管理的重要輔助系統(tǒng)[2]。如今，隨著信息化技術(shù)的全面推廣和應(yīng)用，供電系統(tǒng)已經(jīng)不再單一地向末端設(shè)備提供電能，而是要滿足不同負(fù)荷類型的供電需求，需要配置更為智能化的設(shè)施設(shè)備[3-4]。

高速公路供配電系統(tǒng)造價(jià)在機(jī)電系統(tǒng)中占有很大比例，傳統(tǒng)供電方案普遍存在投資大、施工難、損耗高、能耗大等問題。如今，傳統(tǒng)的供電方案在處理高次諧波、浪涌電流、降低線損和無功功率方面已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)今電力系統(tǒng)的實(shí)際情況。為降低供配電系統(tǒng)造價(jià)、提高系統(tǒng)節(jié)能水平、提高供電質(zhì)量，該文提出了分布式智慧節(jié)能供電方案，結(jié)合相關(guān)案例就項(xiàng)目實(shí)施的成本、供電質(zhì)量等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比和分析。

1 傳統(tǒng)供配電方案

高速公路的傳統(tǒng)配電系統(tǒng)一般采用低壓380 V 直接供電方案、高壓10 kV 間接供電方案、風(fēng)光互補(bǔ)供電方案，具體方案[5]和優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

表1 高速公路傳統(tǒng)供配電方案

整體來看，傳統(tǒng)供電方式的突出的不足之處在于：電纜的使用長度過長、二次配電的情況導(dǎo)致造價(jià)成本較高、系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載端都需要確保三相平衡、功率因素普遍偏低，供電質(zhì)量較差，無功損耗較大。

2 分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)介紹

分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)采用三相380 V、10 kV、6 kV（根據(jù)項(xiàng)目具體情況選擇）輸入，通過上端電源柜輸出單相3.3 kV（660~10 kV）電壓，如圖1 所示。通過下端電源箱將3.3 kV電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?80 V/220 V電壓向負(fù)載供電，項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用情況如圖2 所示。

圖1 分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)方案圖

圖2 系統(tǒng)的上位機(jī)和下端電源箱

該系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）不間斷供電功能。該系統(tǒng)采用智能功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)，功率因數(shù)＞0.95，提供±2.5%精度的穩(wěn)壓，可以抵抗浪涌電流沖擊，諧波分量低，配置蓄電池就可以實(shí)現(xiàn)UPS 功能，無需另行配置電容補(bǔ)償器、穩(wěn)壓器、諧波濾波器、EPS 等設(shè)備，降低了建設(shè)成本。

（2）智慧供電功能。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的電能數(shù)據(jù)采集技術(shù)和智能電源控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)變頻、軟啟動(dòng)、調(diào)壓、自動(dòng)開關(guān)控制等功能，無需另行配置額外的裝置等設(shè)備。

（3）用電大數(shù)據(jù)能耗監(jiān)測分析功能。通過對(duì)用電瞬態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類分析，根據(jù)供電對(duì)設(shè)備沖擊的情況，提前對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查檢修，提前進(jìn)行備品采購，提高設(shè)備維修維護(hù)效率，提高用電設(shè)備的完好率。

（4）上端電源柜多路輸入功能。上端電源柜可以接入多路的市電，若有必要可以加入柴油發(fā)電機(jī)，更好地保障設(shè)備的運(yùn)行，提高供電的可靠性。

（5）隔離變壓器功能。傳統(tǒng)供電系統(tǒng)需要配置隔離變壓器以防止供電線路對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響。智慧節(jié)能系統(tǒng)可以通過內(nèi)部核心處理實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的供電線路與外部電網(wǎng)隔離，即可以不再裝備隔離變壓器。

（6）系統(tǒng)功率因數(shù)補(bǔ)償功能。高速公路使用的LED燈和情報(bào)板等設(shè)施均屬于電子型負(fù)載，由于負(fù)載為脈沖式用電，造成大量無功損耗，功率因數(shù)較低。分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)可通過對(duì)負(fù)荷實(shí)時(shí)地進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，降低系統(tǒng)的無功損耗。

（7）LED 電源集中管理功能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，LED 燈具的損害80%是由于電源損害造成，LED 燈整燈壽命一般也取決于電源的壽命。電源的損害和壽命一般取決LED燈電源部分的質(zhì)量、散熱和供電質(zhì)量。通過將LED 電源集中在下端電源柜，構(gòu)建LED 電源集中平臺(tái)，向LED燈直流電輸出，以降低LED 電源總造價(jià)，提高集中電源的質(zhì)量和LED 整燈壽命，達(dá)到LED 線性智能調(diào)光，降低維修成本。

（8）分布式發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)功能。該系統(tǒng)可以允許與風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電等分布式發(fā)電系統(tǒng)接入，做到自發(fā)自用，提高供電的可靠性，減少對(duì)市電的依賴程度，具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，也可以爭取到項(xiàng)目的國家補(bǔ)貼，減少建設(shè)成本的支出。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

智慧節(jié)能供電系統(tǒng)具有可靠性、穩(wěn)定性、智能性、節(jié)能性等特點(diǎn)。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)中上位機(jī)和下位機(jī)之間可以通過有效的通訊，上位機(jī)擁有對(duì)下位機(jī)任意回路的調(diào)壓和開關(guān)等控制能力，有效地實(shí)現(xiàn)消除高次諧波、抵御市電浪涌電流、輸出穩(wěn)定的電壓、保護(hù)用電設(shè)備的安全。在光照條件較好或者車流量較小時(shí)，可以通過控制燈光的亮度，減少燈具的用電量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。

在節(jié)能方面，分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)通過上位機(jī)的處理，將功率因數(shù)綜合提高至0.95，從而降低無功損耗，節(jié)能效果明顯。對(duì)于提高高速公路系統(tǒng)的能源利用效率和減少能源消耗具有重要意義。

綜上所述，分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)通過上位機(jī)的處理和上下位機(jī)之間的智能通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力供應(yīng)的精確控制和監(jiān)測，從而提高電力設(shè)備的安全性和使用壽命，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

3 案例分析

該項(xiàng)目依托廣東省虎門二橋進(jìn)行項(xiàng)目的試驗(yàn)研究。廣龍高速南沙大橋（虎門二橋）段是粵港澳大灣區(qū)核心位置的重要東西向過江通道，起于廣州市南沙區(qū)東涌鎮(zhèn)，順接國道主干線廣州繞城公路南段，同時(shí)與廣珠北線高速公路連接，經(jīng)廣州市南沙區(qū)、番禺區(qū)，并先后跨越大沙水道、海鷗島、坭洲水道后，進(jìn)入東莞市沙田鎮(zhèn)，終點(diǎn)順接莞番高速公路，并與廣深沿江高速公路連接。路段全長12.89 km，雙向8 車道，設(shè)計(jì)行車速度100 km/h，設(shè)計(jì)使用壽命100 年。主線全部由橋梁組成，包含特大橋6 座、大橋4 座。全線設(shè)有收費(fèi)站一座、立交三座（東涌互通、海鷗島互通、沙田互通），有互通匝道橋26 座，匝道總長15.31 km。針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公路智慧型節(jié)能供配電系統(tǒng)，對(duì)供電電纜、用電質(zhì)量、穩(wěn)壓情況等進(jìn)行了優(yōu)化，并提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)了電源的智能通信和控制。

3.1 傳統(tǒng)方案和智能方案

3.1.1 原方案

在沙田管理中心海鷗島收費(fèi)站分別設(shè)置一處10/0.4 kV變電所，在沿線大橋上共設(shè)置10 kV/0.4 kV 埋地式變壓器19 座，其中下行線路燈埋地式變壓器6 座，景觀照明埋地式變壓器共4 座，樞紐互通埋地式變壓器3 座。埋地式變壓器的10 kV 供電電源均有設(shè)在沙田管理中心的變電站供給。在項(xiàng)目終點(diǎn)沙田樞紐互通處引入雙路10 kV外電，上下行方向通長敷設(shè)10 kV 電纜，將沿線埋地式變壓器、箱式變電站、變電所串聯(lián)。

3.1.2 智慧節(jié)能供電方案

該方案保留原方案的10 kV 母線回路，將智慧供電的上端電源柜設(shè)置在原方案埋地變位置處，直接由10 kV進(jìn)線，將原設(shè)計(jì)中除景觀照明埋地變?yōu)樗新竦刈儭Ｓ芍腔酃╇娚隙穗娫垂癯鼍€單相1 kV 電壓回路為沿線路燈照明、互通照明、監(jiān)控設(shè)備供電，同時(shí)智慧供電上端電源柜出線三相380 V電壓回路為沿線索塔照明、箱梁照明、錨碇照明、檢修插座供電，原景觀照明仍由原景觀埋地變供電。

智慧供電方案的路燈照明、互通區(qū)照明和監(jiān)控設(shè)備干線傳輸電壓為1 kV，沿線每五盞路燈設(shè)置一套下端電源柜為路燈和監(jiān)控設(shè)備供電。

3.2 方案綜合對(duì)比

3.2.1 工程造價(jià)

據(jù)核算傳統(tǒng)方案工程量造價(jià)大概為809 萬元，智慧供電造價(jià)估算約為750 萬元，綜合對(duì)比節(jié)省造價(jià)約59 萬元左右，節(jié)省比例為7.2%。

3.2.2 電纜

原供電設(shè)計(jì)方案采用YJV22-1 kV-4×16 mm2電纜為遠(yuǎn)端的負(fù)載供電，由于采用三相供電，需要考慮三相平衡問題，而且線徑較大。

智慧節(jié)能供電方案通過對(duì)供電形式的優(yōu)化，僅使用YJV22-3.3 kV-2×4 mm2的電纜即可滿足要求。不僅降低了電纜的截面積和芯數(shù)，并且無需三相平衡。

3.2.3 功率因數(shù)

通過實(shí)際測量，傳統(tǒng)供電方案下情報(bào)板的功率因數(shù)僅為0.657；而通過智慧節(jié)能供電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償后，系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.958。

3.2.4 提高供電質(zhì)量

國標(biāo)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》（GB12325—90）中規(guī)定，10 kV 及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%，而公路市電電壓波動(dòng)范圍常在±20%，如額定電壓380 V，實(shí)際電壓常在310~450 V 之間波動(dòng)。分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)通過處理，輸出電壓偏差范圍為±2.5 V。因此智慧供電提高供電質(zhì)量遠(yuǎn)超過30%。整體來看，分布式方案在供電質(zhì)量優(yōu)化效果明顯，上位機(jī)帶有浪涌抑制、諧波治理、穩(wěn)壓等功能，減少?zèng)_擊電流對(duì)設(shè)備電源的影響，提高設(shè)備使用壽命。

3.2.5 年耗電量

根據(jù)實(shí)際耗電量統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)供電方案耗電量為13 300 kW·h/年，智慧節(jié)能供電方案耗電量為9 100 kW·h/年。

3.2.6 后期維護(hù)運(yùn)行方面

傳統(tǒng)方案在維護(hù)燈具時(shí)需要上路排查，10 kV 箱變不可斷開，維護(hù)較困難。分布式智慧方案的主要優(yōu)勢體現(xiàn)：上位機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊支持熱插拔，將故障模塊拔出，插入備用模塊，可自動(dòng)識(shí)別工作，且不影響其他處理模塊。下位機(jī)可靠性高，可連續(xù)無人值守工作，可以通過單燈監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)故障精確定位，減少排查難度。

3.3 創(chuàng)新性分析

該項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新性可歸納為以下幾點(diǎn)：

高可靠性的供電系統(tǒng)，同功能模塊互為備份，冗余配置，并采用無主從工作模式，任意一個(gè)模塊出現(xiàn)故障，其他同功能模塊可迅速切入工作，保證設(shè)備高可靠性。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測。在不額外增加電力監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)全部電力監(jiān)控功能，可以采集供電系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的電力參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路供電系統(tǒng)的精細(xì)化管理。

智能控制。實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)間智能通信和控制，體現(xiàn)智慧公路的價(jià)值。

穩(wěn)壓系統(tǒng)。系統(tǒng)使用后可以避免市電小范圍波動(dòng)對(duì)設(shè)備的負(fù)面影響，消除電網(wǎng)電壓瞬間閃變對(duì)用戶側(cè)的沖擊，在消除高次諧波、過濾噪音、防止浪涌電流方面效果十分明顯，利于設(shè)備的安全，延長設(shè)備壽命。

綜上所述，該智能供電系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高速公路精細(xì)化、智能化管理，并提供了高可靠、高質(zhì)量的電力輸送網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)語

綜上所述，分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)可以明顯地節(jié)約工程造價(jià)、提高供電質(zhì)量和應(yīng)用效果，并通過上位機(jī)監(jiān)視用電設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人性化控制。該方案在解決提高功率因素、降低線損、處理高次諧波、解決中長距離外場監(jiān)控設(shè)備和照明設(shè)備的用電問題方面有明顯優(yōu)勢。總之，分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)是一種很好的解決方案。