智慧供电系统在高速公路机电工程中的应用

赵强

(中交一公局电气化工程有限公司，北京 100102)

1 引言

监控和照明系统是高速公路附属系统的重要组成部分，是确保高速公路有效运行和管理的重要辅助系统。安全高效的供电系统是高速公路各项设施正常运行的重要前提[1]。为降低高速公路中道路和桥梁的供配电系统造价，提升供电节能水平和质量，研究高速公路智慧供电系统非常有必要。

2 传统供配电方案

从供配电基本公式可以知道，输电功率和电压平方成正比例关系，也和导线面积成正比例关系，但与其长度成反比例；供电功率和电压成正比例关系，也与电流成正比例关系，电流平方则与电阻和线路损耗成正比例关系。即对于恒定电阻的供电线路而言，在保持输送的电功率一定的情况下，电压越高，电流和线路损耗均越小[2]。

2.1 低压380 V直接供电方案

在低压380 V 的供电系统中，外场设备一般由低压配电柜直接进行供电，但因存在电压降，一般情况下，该系统只有4 km 以内的供电距离[3]。具体如图1所示。

在一套供电系统中，若要保持输电功率不变，则在越长的供电距离下需要越大的导线面积，或越高的输送电压值。但若使导线横截面积增加，即使电缆线径增大，则会导致成本有所增加，使施工难度大大提升，因此，一般情况下会增大输送电压值。

低压380 V 的直接供电的优点有： 所用供电电缆和设施无须较高的耐压等级，经济性较强；仅需较低的建设和维护成本，施工难度不高。但同时也有较多不足，具体有：一般只能在4 km 以下的距离进行供电，仅有较弱的供电能力，负载端需保持三相平衡，传输距离以及负载情况决定了电缆的成本，变化幅度大。

2.2 中压6kV/10kV间接供电方案

针对距离在4 km 以上的用电设备，一般采用6 kV 或10 kV的供电电压，在负载集中的位置安装电源，并在该位置安装6 kV(10 kV）/0.4 kV 变压器，使其变压成380 V/220 V，并以此进行二次配电，具体如图2所示。

通常，在高速公路的大型桥梁中采用中压10 kV 间接供电方案，该种方案的优点主要是有较远的传输距离，传输距离一般在10～14 km 左右，有较强的供电能力。虽然该种方案适合在中长距离的供电中使用，但需要将各变压设备设置到各负荷区域中以便于二次配电，并且需要耐压等级较高的供电电缆和设备。为确保电压稳定性而配置的隔离变压器较为昂贵，需要较高的综合造价。当前，国内的6 kV 变压设备较为少见，且需要较高造价。

2.3 风光互补供电方案

风光互补供电系统的原理在于将风能转变成交流电，将太阳能转变为直流电，转变后的交流电在整流器的作用下向蓄电池充电，转变后的直流电则直接为蓄电池进行充电[4]。在整个系统中，蓄电池的作用在于进行电能的储存和调节。

对于不便于接入外电的区域，结合所在地域特点，可采用纯风电或太阳能等供电方式。风光互补供电系统能源丰富，且无污染，布线及后期维护均较为简单。但该系统转化太阳能的效率较低，且供电质量不高，造价较高，设计较为复杂。

2.4 传统供电方案的不足

传统供电方案的不足包括：(1）造价高，需二次配电及相关变压设备，电缆用量大；(2）配置难，需要较为复杂的设计和施工；(3）大损耗，系统功率因数较低，有较大的无功损耗，需较高的电费成本。

3 分布式智慧节能供电系统

基于传统供电方案存在的缺点，经深入调研后，了解到分布式智慧节能供电系统可较好地解决所存在的不足。

3.1 系统介绍

在分布式智慧节能供电系统的输入中使用的是三相380 V(可以选择10 kV 或6 kV），输出使用的是上端电源柜的单相3.3 kV 电压，具体如图3所示。

以电缆的方式进行各用电点电力的输送。用电点3.3 kV的电压通过下端电源箱可以有效转化成380 V/220 V 电压，以为负载供电，具体如图4所示。

分布式智慧节能供电系统方案如图5所示。分布式智慧节能供电系统中的上位机的串并联高频变换器可以实现对市电电能质量电压和电流的综合补偿，在不考虑市电电压波动和输入电流各分量等的情况下，当市电电压波动在±15%区间时，负载电压稳定精度可基本处于±1%的范围。

在远距离输电中通过提高输电线路电压可以较好地解决各项问题，并使各项线路损耗有所减小，但不可将输电线路电压随意进行提高，原因在于高压电绝缘要求较高，输电线路电压等级的提升会导致相关造价不断增加。

在分布式智慧节能供电系统中，可以根据带载负荷以及传输距离选择传输电压。对于有着较大带载负荷的全程照明系统而言，小于1 kV 的电压传输往往难以符合供电要求，基于经济性的考虑可以选择3 300 V 可用于用户侧的电压等级作为输电线路电压。通过该等级电压进行输电，既不需要高造价的高压电缆，也不需要较粗线径的低压电缆，可有效减小造价。

3.2 系统特点

3.2.1 单相传输

在传统供配电方案里，如出现不平衡的三相负载将会有如下危害出现：线路和配电变压器电耗升高、配变出现零序电流等。而在分布式智慧节能供电系统中，通过上位机对三相380 V 市电进行处理可以使其有效转变为单相3 300 V 中压，除了可以使电源负载三相平衡之外，还可以使电缆芯数得到节约。

3.2.2 高供电质量

高次谐波可通过上位机进行处理，可以对市电浪涌电流起到较好的抵抗效果，电压输出稳定，可以有效确保用电设备的安全，使设备使用寿命有所增加。在分布式智慧节能供电系统中，功率因数通过基于IGBT+PWM 技术的有源功率补偿电路得到改善，可以使功率因数在0.95 以上，使用电设备能耗有所减小，大大延长使用寿命。

3.2.3 智能化

所采用的电能数据采集和智能电源控制技术可以有效实现软启动等各项功能，无须额外设置其他设备。上下端电源具有智能通信与控制等功能。其智能通信的方式可以有效实现上端电源柜对下端电源箱的控制等功能。此外，下端电源箱可进行各回路信息的采集，并以电力载波的方式输送到上端电源柜中，以便于上端电源柜的监测和分析等功能的开展。

3.2.4 兼容性好

上端电源柜除了可以在多路市电中接入之外，还可在各项应急发电设备中接入，在因故障而较长时间断开市电时，也可以有效确保用户侧可以正常运行各项用电设备。所配置的蓄电池可在市电出现故障时确保UPS 和EPS 等功能的正常运行。且可直接并网其他发电方法，实现即发即用。

4 供电方案比选

4.1 能效对比

以主成分分析法[5]对比分布式智慧节能供电系统和10 kV供电方案的能效，分析不同供电方式下的电力状态。分布式电力监控系统在供配电方案不同时所采集得到的实时电力状态如图6所示。图6中，实线表示负载供电电压U 波形，虚线表示供电回路电流I 波形。

从结果可以看见，电力系统功率因数在10 kV 供电方案中较低，仅有0.622。分析图6中的波动情况可以看出，电力系统的感性负载较多，导致难以提高该方案的功率因数。因此，可以通过将容性负载添加到供电回路的方式使供电方案有所改变，以使电能质量有所提高。在分布式智慧节能供电方案中，因为将容性负载添加到供电回路中，使得功率因数有所提高，约为0.984，用电效率得到有效提高。

在同一高速公路电力系统中以不同供电方式进行供能，所得结果如图7所示。其中，实线表示负载电压波形，虚线表示供电回路电流波形。

10 kV 供电方案的功率因数为0.882，电流波形有所前置，且存在高次谐波，即电能质量较差，会使各机电设备使用寿命有所降低。分布式智慧节能供电系统中有0.900 的功率因数，该系统的供电回路中配置有感性负载，虽然功率因数提升较小，但电力和电流有较为契合的波形，能够较大幅度地提升电能质量。

4.2 经济性对比

对比上述两种供电方案所需的工程造价可知，中压10 kV间接供电方案需要840 万元的造价，分布式智慧节能供电方案需要720 万元的造价，两者相比之下有120 万元的差值，即分布式智慧节能供电方案可以使造价节约至少14.3%。

5 结语

随着不断增大的智慧高速公路的需求量，高速公路各项感知设备的数量不断增多，对供电系统提出了更高的要求。其中，智慧远程供电系统无疑是优先选择的方案，有较大的推广应用价值。本文通过对比供电方案，提出低造价、施工简便的智慧远程节能供电系统，为高速公路设备的远程供电提供借鉴。