公路機電設備的智能供電技術探討

崔培梁

摘要 現(xiàn)階段，有些地區(qū)的高速公路機電設備供電穩(wěn)定性較差，且智能化程度不高。因此，文章提出了一種智能鏈式網供電技術，通過設定由電源點、能源智控站與用電負荷構成的供電鏈，互聯(lián)各個電源點和能源智控站，打造智能鏈式網供電系統(tǒng)；分析了該系統(tǒng)的主要構成、布設及運行方式，旨在為有效解決高速公路機電設備供電不穩(wěn)的問題提供參考。

關鍵詞 智能供電；分布式智能終端；高速公路機電系統(tǒng)

中圖分類號 U418.7文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0008-03

0 引言

當前，部分高速公路所用的供電系統(tǒng)成本高、性能差、質量不穩(wěn)定，而且耗電量高，無法滿足高速公路智能化的運營需求。為提升高速公路供電系統(tǒng)運行水平，實現(xiàn)高質量供電，必須切實加大智能供電技術的應用[1]。該文提出了一種智能供電技術，即智能鏈式網供電技術，論述了智能鏈式網供電系統(tǒng)的布設方式，分析了該系統(tǒng)的運行方式，通過有效調控供電系統(tǒng)，確保機電設備供電穩(wěn)定、安全，從而有效降低能耗及建設成本。

1 智能鏈式網供電技術

電能從高壓電源輸出后，經過電纜線及變壓器傳導，輸送至高速公路機電設備，確保后者平穩(wěn)運行。電源點、變壓器和能源智控站，共同構成了智能鏈式網供電系統(tǒng)。通過采用智能鏈式網供電技術，有助于機電設備供電智能化程度的全面提升[2]。

1.1 高壓電源點和交流變壓器

配電網系統(tǒng)由不同部分構成，其中的電能全部來自高壓電源點，其主要作用是為機電設備的平穩(wěn)、高效運行提供電能[3]。高壓電源點輸出電能，傳輸至交流變壓器后電能出現(xiàn)部分損失，與低壓交流母線組成的能源智控站較為匹配。

1.2 能源智控站

能源智控站的主要構成如下：

（1）低壓配電柜：斷路器以及用于數(shù)據(jù)計量、測量和系統(tǒng)保護的設備，是低壓配電柜的主要組成部分。電源點的主要功能是輸出電能，變壓器對其進行相應處理，輸出線路與配電柜相連接，電能被輸送至能源智控站，為斷路器及各種設備提供電能，從而確保公路用電負荷具備足夠的電能供給。配電設備接通電流后，實現(xiàn)電路保護，有利于確保用電安全[4]。

（2）能量路由器：其主要作用是連接線路電流，從而獲得更優(yōu)質、穩(wěn)定的電能。交流母線所在的變壓器一側電壓較低，使其與路由器相連，設計出電能鏈式網狀結構，有利于加快電能傳輸速度，確保供電穩(wěn)定[5]。能量路由器的另一個功能是整合各個電壓等級的交流電，加快電能接入速度，將光電、風電等各種綠色電能全面整合起來。

（3）分布式智能終端：其主要功能是加快數(shù)據(jù)收集速度，充分連接總協(xié)調控制單元，共享系統(tǒng)數(shù)據(jù)。采用分布式邊緣計算方法分析相關數(shù)據(jù)，并傳輸至總協(xié)調控制單元，便于控制系統(tǒng)做出科學決策。通過接收并執(zhí)行反饋指令，從而有效控制能源智控站，確保其安全穩(wěn)定運行。智能終端還能接收機電設備的運行環(huán)境數(shù)據(jù)，例如溫濕度、供電穩(wěn)定性等。

（4）清潔能源及儲能系統(tǒng)：蓄電池組是其主要構成部分，用于收存電能，電能收集完后，持續(xù)穩(wěn)定為能源智控站輸出電能，并保持其高效運行。蓄電池種類較多，通過對比分析不同的蓄電池性能及使用場景，構建電能儲能系統(tǒng)采用的是UPS蓄電池。該蓄電池安全性能良好，具有較高的放電性，且牢固結實耐用，儲能效果良好。選用清潔能源系統(tǒng)，能夠有效補充蓄電池電能，有利于降耗節(jié)能，符合綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展要求。將光伏組件布置于能源智控站外，用于太陽能發(fā)電。由于能源智控站的場所較小，需結合現(xiàn)場實際情況，最終決定是否要配套建設清潔能源系統(tǒng)。

（5）電能質量控制系統(tǒng)：當供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，電能供給能夠保持連續(xù)性，確保用戶能夠正常使用電能，這一特性就是電能質量。電能在傳輸過程中，輸電線路和設備不可避免地會損耗部分電能，為確保電能質量符合用電標準，以及電壓、電功率等參數(shù)達標，需使用電能質量控制系統(tǒng)。電能質量控制系統(tǒng)借助于靜止無功發(fā)生器中的電流，由各種同步無功補償器為供電系統(tǒng)輸入電能，可以有效控制電能質量，這就能夠保證安全穩(wěn)定地為高速公路機電設備持續(xù)提供電能。

2 智能鏈式網供電系統(tǒng)的布設

如圖1所示為智能鏈式網供電系統(tǒng)的布設圖：

2.1 布置方式簡述

高壓電源點及總協(xié)調控制單元，通過高壓斷路器與母線相連，并為高壓配電室提供電能。母線裝置中設置開關器，電能由配電室向交流變壓器傳輸，為能源智控站提供電能。配電室、智控站及變壓器相互對應，在不同智控站之間配置開關，便于控制電能供應，確保輸出電壓符合機電設備的運行需求[6]。

2.2 布設要點

布設要點主要有以下三個方面：

（1）布設過程中，選定最佳高壓電源點，確保供電的持續(xù)穩(wěn)定。供電方式分為直流供電與交流供電，對比兩種供電方式，交流供電的建站成本低，便于升降電壓，還能根據(jù)實際需要調整電能，但線路經常發(fā)生故障，線路的電能損耗較高；若保持同等功率的電能輸出，則直流供電方式的線路設置難度低，供電線路的電能損耗低，能有效抵抗外部因素的干擾，其不足在于換流站的建造成本高，需要在輸電過程中開啟換流裝置進行無功補償。通過全面比較兩種供電方式的優(yōu)缺點，該文最終選用高壓交流供電方式。

（2）選定供電電壓及高壓電源點的間距：

①當前各地所用的供電等級主要為35 kV、10 kV。電源容量的大小是選定電壓等級的主要參考因素，此外還需要全面考慮建站費用、電壓穩(wěn)定性等因素。相較于10 kV變電站的建造成本，35 kV變電站的成本更高，其優(yōu)勢在于電費低，供電穩(wěn)定。高速公路機電設備主要有通信設備、視頻監(jiān)控設備、收費系統(tǒng)及照明設備等，各種設備聯(lián)合發(fā)揮作用，以確保車輛通行安全。所以，如果條件具備應選用35 kV供電等級，使各種機電設備平穩(wěn)運行，為車輛的安全行駛奠定基礎。

②通常情況下，需要綜合考慮電能輸送容量及電纜線徑，確定高壓交流電源點的間距。若線徑較大，需要更高的輸電電容，其輸電半徑較小。因此，要求電源點間距應小于供電半徑，才能實現(xiàn)穩(wěn)定、高效供電，也就是說縮短電源點的間距，則有利于實現(xiàn)穩(wěn)定供電。

③通過了解，明確機電設備的電能輸送容量為2～

15 MVA，當供電電壓為35 kV時，其最大供電半徑為

50 km、最小供電半徑為20 km；當電壓為10 kV時，則上述兩數(shù)值分別為25 km、10 km。因此，當高壓電源點的供電電壓等級為35 kV時，則設定的電源點間距不能超過30 km，如果高壓電源點的供電電壓等級為10 kV時，電源點間距不能超過15 km。當電源點的供電電壓等級設定為35 kV時，需要通過交流變壓器將電能電壓下調至0.4 kV，之后再將電能輸送至能源智控站。

（3）明確能源智控站布局數(shù)量及總協(xié)調控制單元：

①設置能源智控站，其間距大約應設定為500 m，據(jù)此明確能源智控站的最終布設數(shù)量，并根據(jù)電壓等級設置供電半徑。若電源點的供電電壓等級為35 kV，設定供電半徑為30 km，則應布設60個能源智控站。

②該系統(tǒng)的通信主要借助于無線網絡，因此布設總協(xié)調控制單元時，必須綜合考慮方位信號強度、信號遮擋成本及控制靈敏度等參數(shù)。

如果信號強度高，且建造成本未超過整體預算，則通常是6～10個高壓電源點配置1個總協(xié)調控制單元，高壓電源點與控制單元的布設點間距應小于500 m。

3 智能鏈式網供電系統(tǒng)的運行方式

智能供電系統(tǒng)運行過程中，必須實時監(jiān)控其運行狀態(tài)。由總協(xié)調控制單元檢測各個高壓電源點，全面了解供電系統(tǒng)中各項設備的運行情況，檢查是否運行穩(wěn)定、是否出現(xiàn)運行問題。如果供電系統(tǒng)的設備出現(xiàn)故障，需要借助配電網控制中心實現(xiàn)網絡連接，探究出現(xiàn)故障的具體原因，判斷故障部位，收集故障信息并傳送至系統(tǒng)控制中心，控制中心據(jù)此安排工作人員維修設備[7]。

（1）定期巡檢設備系統(tǒng)，確保正常運行。分布式智能終端與總協(xié)調控制單元應保持正常通信，若通信出現(xiàn)問題，由此可快速鎖定出現(xiàn)故障的能源智控站位置，并將設備故障信息上報至管理中心；在保持通信穩(wěn)定時，通過分布式智能終端設備，采用邊緣計算方法分析能源智控站的實時運行數(shù)據(jù)，從而判斷智控站是不是存在故障異常。

（2）分析確定當供電系統(tǒng)的運行無故障時，終端系統(tǒng)則自動調節(jié)能源智控站設備，增強其運行的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮電能質量控制系統(tǒng)的作用，提升供電負荷質量。收集系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，并傳送至總協(xié)調控制單元。相較于能源智控站，該終端系統(tǒng)的優(yōu)先級為最高。總協(xié)調控制單元接收全部的設備調整數(shù)據(jù)、信息策略等內容，從而實現(xiàn)對全部能源智控站運行情況的協(xié)調控制，確保能源智控站的穩(wěn)定運行。

（3）通過分析發(fā)現(xiàn)智能鏈式網供電系統(tǒng)的運行存在故障，且系統(tǒng)設備不具備自動修復功能，則收集系統(tǒng)故障信息數(shù)據(jù)，并傳送至總協(xié)調控制單元；此時智能斷路器會切斷電力供應系統(tǒng)，不再向能源智控站供電。當切斷能源智控站供電時，電能存儲系統(tǒng)輸出電能，為開關系統(tǒng)、斷路器控制系統(tǒng)及信息傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行提供充足電能。

（4）當出現(xiàn)緊急停電、設備停止運轉后，應啟動備用電源，為設備提供電能。智控站中的能量路由器連為一體，通常情況下，母聯(lián)開關不會開啟[8]。此時，需要關閉智控站中能量路由器的母聯(lián)開關，完成能量互濟，具備應急電能供給，從而確保用電負荷系統(tǒng)的運行要求。當檢修完系統(tǒng)設備的故障后，一方面切斷能源智控站的供電線路，另一方面還要將電能路由器的母聯(lián)開關裝置斷開，確保為智控站持續(xù)供電，即為智能供電系統(tǒng)的一次運行循環(huán)。

4 結論

綜上所述，當前高速公路機電設備供電系統(tǒng)存在控制質量差、能耗高、智能化程度低等問題。在智能鏈式網供電技術提出后，將其應用于為高速公路機電設備系統(tǒng)提供電能，一方面，電能質量得到明顯提高，降低了電能輸送過程中的損耗，有利于綠色環(huán)保發(fā)展理念的貫徹落實；另一方面，高速公路機電設備供電系統(tǒng)的智能化程度也有大幅提高，為實現(xiàn)智能化、物聯(lián)化發(fā)展奠定了技術基礎，不但能創(chuàng)造經濟價值，還能創(chuàng)造良好的社會效益與環(huán)保效益，值得進行廣泛的推廣及應用。

參考文獻

[1]葉海濤. 高速公路機電系統(tǒng)運行狀態(tài)智能監(jiān)測平臺[J]. 中國交通信息化， 2023（7）： 94-97.

[2]秦天鵬. 信息化技術在高速公路機電系統(tǒng)維護中的應用[J]. 集成電路應用， 2023（6）： 254-255.

[3]阮應安. 高速公路機電系統(tǒng)電力監(jiān)控前端監(jiān)測預警系統(tǒng)探討[J]. 交通科技與管理， 2023（11）： 23-25.

[4]牛聰. 高速公路機電系統(tǒng)短路故障智能檢測技術研究[J]. 交通世界， 2023（12）： 196-198.

[5]門昌灝. 高速公路機電系統(tǒng)設備管理問題及優(yōu)化方法分析[J]. 中國高新科技， 2023（6）： 62-64.

[6]沈于騰. 高速公路機電系統(tǒng)智能化運行體系分析[J]. 數(shù)字通信世界， 2022（12）： 59-61.

[7]牛詩劍. 高速公路機電系統(tǒng)中現(xiàn)代通信技術的運用[J]. 交通科技與管理， 2023（3）： 10-12.

[8]鄭新建， 喻文文. 智慧化建設在高速公路機電系統(tǒng)中的應用[J]. 運輸經理世界， 2022（30）： 71-73.