高速公路機(jī)電工程智慧供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：為探索高速公路智慧供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及應(yīng)用要點(diǎn)，從高速公路機(jī)電工程傳統(tǒng)供配電方式及運(yùn)行現(xiàn)狀出發(fā)，對高速公路機(jī)電工程智慧供電系統(tǒng)的構(gòu)成及總體設(shè)計(jì)展開分析，進(jìn)而分隧道機(jī)電和道路機(jī)電兩個(gè)場景探析高速公路機(jī)電工程智慧供電系統(tǒng)的應(yīng)用。研究結(jié)果表明，高速公路機(jī)電工程智慧供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用能較好地解決傳統(tǒng)供電方式以及風(fēng)光互補(bǔ)等新能源供電系統(tǒng)的劣勢與不足，有效降低能耗，提升高速公路供配電效率。

關(guān)鍵詞：高速公路；機(jī)電工程；智慧供電系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

中圖分類號：U418.7""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號：1671-0797（2025）02-0041-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.010

0""" 引言

交通運(yùn)輸作為基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)長足發(fā)展的可靠保證，智慧高速公路的建設(shè)能進(jìn)一步提升道路安全等級，緩解交通擁堵，促進(jìn)道路建設(shè)內(nèi)涵式發(fā)展。監(jiān)控、照明、通風(fēng)系統(tǒng)是高速公路重要的附屬系統(tǒng)，也是保證高速公路安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。智慧供電系統(tǒng)的出現(xiàn)為高速公路各類附屬系統(tǒng)照明提供了可靠保證，在較好克服傳統(tǒng)供電系統(tǒng)弊端的同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、智能化供電，并可實(shí)現(xiàn)電能單相傳輸，具備較好的兼容性?；诖?，本文依托祁臨高速公路實(shí)際，對高速公路機(jī)電工程智慧供電系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，以期為我國高速公路安全可靠運(yùn)行提供電力保證。

1""" 高速公路機(jī)電工程傳統(tǒng)供配電現(xiàn)狀

高速公路機(jī)電工程傳統(tǒng)供配電方式主要有低壓380 V直供、中壓6 kV及10 kV間接供電、風(fēng)光互補(bǔ)供電等。在任何供配電方式下，輸電功率與電壓平方、導(dǎo)線截面積正向相關(guān)，與導(dǎo)線長度反向相關(guān)；電流平方與線路損耗和電阻均正向相關(guān)[1]。在電阻及輸送電功率恒定的供電系統(tǒng)中，線路損耗及電流隨電壓的升高而降低。

1.1""" 低壓380 V直供

該供電系統(tǒng)通過低壓配電柜直接向外場設(shè)備供電，由于電壓降的存在，供電距離只能達(dá)到4 000 m左右。在系統(tǒng)內(nèi)輸電功率既定的情況下，供電距離越長，導(dǎo)線截面積越大，所需的輸送電壓值也越高。但隨著導(dǎo)線截面積的增大，材料成本、施工難度均會(huì)增加。低壓380 V直供系統(tǒng)如圖1所示。

該供電系統(tǒng)對全部供電設(shè)施和電纜耐壓等級無較高要求，建設(shè)和運(yùn)維成本也不高。但只適用于距離較短的供電情景，供電能力弱，負(fù)載端三相平衡要求高；電纜成本受負(fù)載及傳輸距離的影響大。

1.2""" 中壓6 kV及10 kV間接供電

該供電系統(tǒng)適用于供電距離在4 000 m以上的情形，電源通常設(shè)置在負(fù)載集中區(qū)域，通過6 kV（10 kV）/0.4 kV變壓器的安裝達(dá)到向380 V/220 V調(diào)壓的目的，同時(shí)為二次配電提供便利（圖2）。此類供配電系統(tǒng)在高等級公路橋梁工程中較為常見，傳輸距離可達(dá)到10～14 km。為保證二次配電，必須將各類變壓設(shè)施布置在相應(yīng)負(fù)荷區(qū)域，同時(shí)配備高耐壓等級電纜。為保證電壓穩(wěn)定，必須配備高性能隔離變壓器，無形中提高了供電系統(tǒng)造價(jià)。

1.3""" 風(fēng)光互補(bǔ)供電

即將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，通過整流器充入蓄電池；將太陽能轉(zhuǎn)變成直流電，直接充入蓄電池。此種供電方式適用于外電無法接入的區(qū)域，布線及運(yùn)維過程簡單，但轉(zhuǎn)化效率較低，供電質(zhì)量不高。

2""" 高速公路機(jī)電工程智慧供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1""" 智慧供電系統(tǒng)構(gòu)成

智慧供電系統(tǒng)主要包括局端供電、遠(yuǎn)端受電、電力電纜等部分，具體組成情況如圖3所示。此系統(tǒng)能夠?yàn)樨?fù)荷小、距離遠(yuǎn)的高速公路等工程提供電壓等級較高的直流電。其中，局端供電設(shè)備主要從變電所取得單路（多路）基礎(chǔ)電源，進(jìn)而借助AC/DC或DC/DC轉(zhuǎn)換模塊輸出不同等級直流電源，擴(kuò)能功能強(qiáng)大[2]。此類設(shè)備中還配備有冗余配置、連接線等設(shè)計(jì)的防雷、監(jiān)控等模塊，發(fā)揮輔助功能。

電壓等級較高的直流電通過布設(shè)在用電點(diǎn)周圍的遠(yuǎn)端受電設(shè)備轉(zhuǎn)換成相應(yīng)負(fù)載電源。該端頭同樣布設(shè)熱插拔設(shè)計(jì)的監(jiān)控、防雷模塊。此類設(shè)備在高速公路中主要指道路監(jiān)控、照明設(shè)施。

2.2""" 智慧供電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

按照以上思路，祁臨高速公路全線機(jī)電設(shè)施均通過一端變電所供電，該供電系統(tǒng)輸入三相電源，從上位機(jī)引出單相電源，并提供給同線路下位機(jī)；單相電源經(jīng)由下位機(jī)處理并降壓至220 V電源后再向隧道內(nèi)監(jiān)控、通風(fēng)、照明等用電設(shè)備供應(yīng)電能。上下位機(jī)間既能展開智能通信，又能實(shí)時(shí)控制回路供電。高速公路機(jī)電工程智慧供電系統(tǒng)如圖4所示。

該智慧供電系統(tǒng)中上位機(jī)和高頻變換器存在串聯(lián)和并聯(lián)等多種連接方式，可起到較好的市電電能質(zhì)量補(bǔ)償及電壓/電流控制、穩(wěn)定效果[3]，同時(shí)能在電流調(diào)節(jié)分量保持一致的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)市電電壓變幅不超出±15%范圍的控制目的，還能將負(fù)載電壓穩(wěn)定精度控制在±1.0%以內(nèi)[4]?？紤]到高壓電自身具有較高的絕緣要求，采取輸電線路電壓提升的方式對線路進(jìn)行降耗處理顯然不利于輸供電成本控制目標(biāo)的達(dá)成。對于該智慧供電系統(tǒng)而言，可通過控制實(shí)際傳輸距離以及調(diào)節(jié)帶載負(fù)荷等方式改變傳輸電壓，也使輸供電成本控制成為可能。對于帶載負(fù)荷較高的高速公路機(jī)電系統(tǒng)完全可以選用3.3 kV電壓，無須配置高壓電纜，也無須使用線徑較粗的低壓電纜，可較好地降低造價(jià)。

2.3""" 智慧供電系統(tǒng)在高速公路機(jī)電工程中的應(yīng)用

祁臨高速公路為所在地區(qū)省際公路干線，全線包括兩座長大隧道，隧道內(nèi)監(jiān)控等級均為A級。通過研究該公路隧道及道路機(jī)電設(shè)施功率、負(fù)載特性，針對現(xiàn)狀供配電方式存在的不足，提出智慧供電系統(tǒng)應(yīng)用思路。

2.3.1""" 在隧道機(jī)電中的應(yīng)用

高速公路隧道內(nèi)機(jī)電類型多，負(fù)荷大。隧道監(jiān)控、應(yīng)急照明、消防水泵、排煙風(fēng)機(jī)等全部屬于一級電力負(fù)荷，常規(guī)照明、通風(fēng)風(fēng)機(jī)、消防補(bǔ)水等則屬于二級電力負(fù)荷。按照J(rèn)TG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第二冊 交通工程與附屬設(shè)施》，高等級公路高負(fù)荷機(jī)電必須配置不間斷電源裝置（Uninterruptible Power System，UPS）及應(yīng)急電源裝置（Emergency Power System，EPS）。

根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)及建設(shè)思路，局端供電設(shè)備通常設(shè)置在隧道變電所內(nèi)，經(jīng)電流補(bǔ)償、穩(wěn)壓處理后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟?，向公路隧道監(jiān)控、照明等系統(tǒng)供電。故對于高速公路隧道一級電力負(fù)荷機(jī)電必須配備UPS電源柜，若突發(fā)電源故障，便會(huì)激發(fā)由電源柜供電的自動(dòng)切換功能；其余負(fù)荷機(jī)電的配電則全部通過上端電源箱實(shí)現(xiàn)；而下端電源箱主要與原照明配電箱緊挨布置，借此將高壓直流電源降為220 V的低壓電源，便于終端機(jī)電取用。對于消防等設(shè)施而言，電源負(fù)荷高，功率大，故應(yīng)配備獨(dú)立的常規(guī)供電電源，再借助變壓器將其轉(zhuǎn)換成低壓電源。

按照以上設(shè)計(jì)，高速公路機(jī)電工程中智慧供電系統(tǒng)兼具監(jiān)控、通信功能，能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)控、斷開下位機(jī)輸電回路，還能預(yù)約設(shè)置調(diào)壓、斷開時(shí)間。該系統(tǒng)還能依據(jù)隧道內(nèi)車流量、隧道外部亮度等動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)照明設(shè)施功率，節(jié)能減排性能優(yōu)異。終端用電設(shè)備關(guān)閉后，與之相連的上下端模塊也相應(yīng)關(guān)閉，系統(tǒng)能耗便于控制。

2.3.2""" 在道路機(jī)電中的應(yīng)用

高速公路外場機(jī)電布置較為分散，供電距離長，負(fù)荷相差大。局端供電系統(tǒng)在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)布設(shè)于公路沿線房建變電所中，同時(shí)配備UPS電源柜以保證性能穩(wěn)定可靠。上端電源向高壓直流電轉(zhuǎn)變過程中必須經(jīng)補(bǔ)償、穩(wěn)壓等處理，此后輸入下端電源箱，向外場監(jiān)控、照明機(jī)電提供電力。

道路監(jiān)控系統(tǒng)與照明系統(tǒng)具有不同電力負(fù)荷等級，如遇智慧供電系統(tǒng)故障，應(yīng)直接斷開照明系統(tǒng)，為監(jiān)控系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供保證。為實(shí)現(xiàn)以上操作，必須增設(shè)控制電纜，系統(tǒng)故障并切換成電源柜供電后，由其將照明系統(tǒng)供電切斷，為監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行提供電力保障。照明系統(tǒng)的控制可通過軟件平臺(tái)及時(shí)序控制器實(shí)現(xiàn)。

以上設(shè)計(jì)方案均在祁臨高速公路得到成功應(yīng)用。隧道機(jī)電與道路機(jī)電智慧供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有共同之處，即對監(jiān)控負(fù)荷等級要求高，必須借助電源柜的設(shè)置確保電源可靠穩(wěn)定等。故在以上設(shè)計(jì)中隧道機(jī)電智慧供電和道路機(jī)電智慧供電兩種局端供電方案具有通用性，可以設(shè)置兩套局端供電系統(tǒng)展開單獨(dú)供電，也可以設(shè)置一套供電系統(tǒng)同時(shí)為隧道機(jī)電和公路機(jī)電供電，并設(shè)置輔助型控制電纜。

3""" 高速公路機(jī)電工程中智慧供電系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

高速公路機(jī)電工程智慧供電系統(tǒng)與傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的比較如表1所示。

據(jù)此可以看出，風(fēng)光互補(bǔ)新能源供電系統(tǒng)受外界環(huán)境影響非常大，電源可靠性及電壓穩(wěn)定性均無法保證。而智慧供電系統(tǒng)雖起步晚，但自身電壓可自動(dòng)調(diào)節(jié)至穩(wěn)定，并待直流電源輸出后啟動(dòng)濾波功能，保證供電可靠及電壓穩(wěn)定。與此同時(shí)，智慧供電系統(tǒng)還具有較長的傳輸距離，沿線市電無須介入，管理及運(yùn)維成本均較低。

智慧供電系統(tǒng)除具備傳統(tǒng)供電系統(tǒng)功率因數(shù)補(bǔ)償、過流繼電保護(hù)、浪涌保護(hù)、抗干擾以及實(shí)時(shí)監(jiān)測等功能外，還具有以下優(yōu)勢：

1）單相傳輸。在三相負(fù)載的供配電系統(tǒng)中，配電變壓器及傳輸線路能耗高，配變?nèi)菀滓l(fā)零序電流。但對于智慧供電系統(tǒng)而言，借助上位機(jī)將三相380 V市電轉(zhuǎn)變成單相3.3 kV中壓，能達(dá)到電源負(fù)載三相平衡，并減少電纜芯數(shù)。

2）超高供電質(zhì)量。供電局端和遠(yuǎn)端間傳輸電壓等級更高，在相同功率負(fù)荷下壓降小，電壓穩(wěn)定性好。借助智慧供電系統(tǒng)的上位機(jī)可處理高次諧波，抵抗市電浪涌電流，穩(wěn)定輸出電壓，提升用電設(shè)備安全程度[5]。本文所提出的高速公路機(jī)電工程智慧供電系統(tǒng)主要通過IGBT+PWM技術(shù)及有源功率補(bǔ)償電路改善功率因數(shù)，可將功率因數(shù)提高至0.95及以上。

3）成本優(yōu)勢凸顯。供電局端和遠(yuǎn)端間主要傳輸直流電，磁感應(yīng)損耗和介質(zhì)損耗幾乎為零，完全不存在對其余通信電纜的干擾，故能與其余電纜同管敷設(shè)，施工成本低。對于LED等光源，只需對直流傳輸進(jìn)行直流變壓，能省去驅(qū)動(dòng)電源維護(hù)過程，也無須進(jìn)行三相平衡處理，節(jié)省了運(yùn)維成本。高速公路機(jī)電工程智慧供電系統(tǒng)中遠(yuǎn)端設(shè)備調(diào)壓、開斷等均可通過局端設(shè)備展開控制；在終端負(fù)載卸除后上端供電隨即切斷，設(shè)備能耗可顯著降低。

4）兼容性好。該智慧供電系統(tǒng)中上端電源柜能接入多路市電和應(yīng)急發(fā)電設(shè)備，甚至能與其余發(fā)電系統(tǒng)直接并網(wǎng)，即發(fā)即用。如遇市電故障，能確保用戶側(cè)正常供電，同時(shí)為高速公路UPS裝置和EPS裝置正常運(yùn)行提供可靠保證。

4""" 結(jié)束語

綜上所述，高速公路用電設(shè)備分散程度高，電力負(fù)荷小，并呈帶狀分布，應(yīng)用傳統(tǒng)供電系統(tǒng)成本高，供配電效率低。高速公路機(jī)電工程智慧供電系統(tǒng)為單相供電，上下位機(jī)智能控制，供電效果穩(wěn)定，造價(jià)降低，能為高速公路機(jī)電工程可靠穩(wěn)定運(yùn)行提供保證。本文所提出的高速公路機(jī)電工程智慧供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路在具體公路中得到成功實(shí)施，高速公路隧道機(jī)電與外場道路機(jī)電監(jiān)控負(fù)荷等級均較高，均需配置UPS電源柜，故該系統(tǒng)對道路機(jī)電和隧道機(jī)電具有通用性。為簡化設(shè)計(jì)、節(jié)省投資，該高速公路道路機(jī)電與隧道機(jī)電共用一套局端供電系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。

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收稿日期：2024-09-14

作者簡介：翟文君（1987—），男，山西繁峙人，工程師，從事公路管理技術(shù)工作。