高速公路机电工程智慧供电系统的设计与应用

0    引言

交通运输作为基础性产业是社会经济长足发展 的可靠保证 , 智慧高速公路的建设能进一步提升道路安全等级 ,缓解交通拥堵 ,促进道路建设内涵式发展 。监控 、照明 、通风系统是高速公路重要的附属系统 ,也是保证高速公路安全稳定运行的前提。智慧供电系统的出现为高速公路各类附属系统照明提供了 可靠保证 ,在较好克服传统供电系统弊端的同时 , 能 实现高质量 、智能化供电 , 并可实现电能单相传输 , 具备较好的兼容性。基于此 ,本文依托祁临高速公路 实际 ,对高速公路机电工程智慧供电系统展开设计及应用研究 , 以期为我国高速公路安全可靠运行提 供电力保证。

1    高速公路机电工程传统供配电现状

高速公路机电工程传统供配电方式主要有低压 380 V直供 、中压6 kV及10 kV间接供电 \风光互补供 电等 。在任何供配电方式下 ,输电功率与电压平方 、导线截面积正向相关 ,与导线长度反向相关; 电流平 方与线路损耗和电阻均正向相关^[1]。在电阻及输送电 功率恒定的供电系统中 ,线路损耗及电流随电压的 升高而降低。

1.1    低压380 V直供

该供电系统通过低压配电柜直接向外场设备供 电 , 由于电压降的存在 ,供电距离只能达到4 000 m 左右。在系统内输电功率既定的情况下 ,供电距离越 长 ,导线截面积越大 ,所需的输送电压值也越高 。但随着导线截面积的增大 ,材料成本 、施工难度均会增 加 。低压380 V直供系统如图1所示。

该供电系统对全部供电设施和电缆耐压等级无 较高要求 ,建设和运维成本也不高。但只适用于距离 较短的供电情景 ,供电能力弱 , 负载端三相平衡要求 高 ; 电缆成本受负载及传输距离的影响大。

1.2    中压6 kV及10 kV间接供电

该供电系统适用于供电距离在4 000 m以上的 情形 , 电源通常设置在负载集中区域 , 通过6 kV (10 kV)/0.4 kV变压器的安装达到向380 V/220 V调 压的目 的 , 同时为二次配电提供便利(图2)。此类供 配电系统在高等级公路桥梁工程中较为常见 ,传输 距离可达到10~14 km 。为保证二次配电 ,必须将各 类变压设施布置在相应负荷区域 , 同时配备高耐压 等级电缆。为保证电压稳定 ,必须配备高性能隔离变 压器 ,无形中提高了供电系统造价。

1.3    风光互补供电

即将风能转变为交流电 ,通过整流器充入蓄电 池;将太阳能转变成直流电 ,直接充入蓄电池 。此种 供电方式适用于外电无法接入的区域 ,布线及运维过程简单 ,但转化效率较低 ,供电质量不高。

2    高速公路机电工程智慧供电系统的设计与 应用

2.1    智慧供电系统构成

智慧供电系统主要包括局端供电、远端受电、电 力电缆等部分 ,具体组成情况如图3所示 。此系统能 够为负荷小、距离远的高速公路等工程提供电压等 级较高的直流电。其中 ,局端供电设备主要从变电所 取得单路 (多路)基础 电源 , 进而借助AC/DC或 DC/DC转换模块输出不同等级直流电源 ,扩能功能 强大 ^[2]。此类设备中还配备有冗余配置、连接线等设 计的防雷、监控等模块 ,发挥辅助功能。

电压等级较高的直流电通过布设在用电点周围 的远端受电设备转换成相应负载电源 。该端头同样 布设热插拔设计的监控、防雷模块。此类设备在高速 公路中主要指道路监控、照明设施。

2.2    智慧供电系统总体设计

按照以上思路 , 祁临高速公路全线机电设施均 通过一端变电所供电 ,该供电系统输入三相电源 ,从 上位机引出单相电源 ,并提供给同线路下位机;单相电源经由下位机处理并降压至220 V电源后再向隧 道内监控、通风、照明等用电设备供应电能 。上下位 机间既能展开智能通信 ,又能实时控制回路供电。高 速公路机电工程智慧供电系统如图4所示。

该智慧供电系统中上位机和高频变换器存在串 联和并联等多种连接方式 ,可起到较好的市电电能 质量补偿及电压/电流控制、稳定效果^[3] , 同时能在电 流调节分量保持一致的基础上 , 实现市电电压变幅 不超出±15%范围的控制目的 ,还能将负载电压稳定 精度控制在±1 .0%以内 ^[4]。考虑到高压电自身具有 较高的绝缘要求 ,采取输电线路电压提升的方式对 线路进行降耗处理显然不利于输供电成本控制目标 的达成。对于该智慧供电系统而言 ,可通过控制实际 传输距离以及调节带载负荷等方式改变传输电压 , 也使输供电成本控制成为可能 。对于带载负荷较高 的高速公路机电系统完全可以选用3.3 kV电压 ,无须 配置高压电缆 ,也无须使用线径较粗的低压电缆 ,可 较好地降低造价。

2.3    智慧供电系统在高速公路机电工程中的应用

祁临高速公路为所在地区省际公路干线 ,全线 包括两座长大隧道 ,隧道内监控等级均为A级 。通过 研究该公路隧道及道路机电设施功率、负载特性 ,针 对现状供配电方式存在的不足 ,提出智慧供电系统 应用思路。

2.3. 1   在隧道机电中的应用

高速公路隧道内机电类型多 , 负荷大 。隧道监 控、应急照明、消防水泵、排烟风机等全部属于一级 电力负荷 , 常规照明、通风风机、消防补水等则属于 二级电力负荷 。按照JTG D70/2—2014《公路隧道设 计规范 第二册 交通工程与附属设施》,高等级公路高负荷机电必须配置不间断电源装置(Uninterruptible Power  System , UPS)及应急 电源装置 (Emergency Power System,EPS)。

根据现行设计及建设思路 , 局端供电设备通常  设置在隧道变电所内 ,经电流补偿、稳压处理后转变  为高压直流电 , 向公路隧道监控、照明等系统供电 。 故对于高速公路隧道一级电力负荷机电必须配备  UPS电源柜 ,若突发电源故障 ,便会激发由电源柜供  电的自动切换功能;其余负荷机电的配电则全部通  过上端电源箱实现;而下端电源箱主要与原照明配  电箱紧挨布置 ,借此将高压直流电源降为220 V的低  压电源 ,便于终端机电取用 。对于消防等设施而言 ,  电源负荷高 , 功率大 , 故应配备独立的常规供电电  源 ,再借助变压器将其转换成低压电源。

按照以上设计 , 高速公路机电工程中智慧供电 系统兼具监控、通信功能 , 能远程实时调控、断开下 位机输电回路 ,还能预约设置调压、断开时间 。该系 统还能依据隧道内车流量、隧道外部亮度等动态调 节隧道内照明设施功率 ,节能减排性能优异。终端用 电设备关闭后 ,与之相连的上下端模块也相应关闭 , 系统能耗便于控制。

2.3.2   在道路机电中的应用

高速公路外场机电布置较为分散 ,供电距离长 , 负荷相差大 。局端供电系统在具体设计时应布设于 公路沿线房建变电所中 , 同时配备UPS电源柜以保证 性能稳定可靠 。上端电源向高压直流电转变过程中 必须经补偿、稳压等处理 ,此后输入下端电源箱 , 向外场监控、照明机电提供电力。

道路监控系统与照明系统具有不同电力负荷等 级 ,如遇智慧供电系统故障 ,应直接断开照明系统 , 为监控系统可靠运行提供保证。为实现以上操作 ,必 须增设控制电缆 ,系统故障并切换成电源柜供电后 , 由其将照明系统供电切断 ,为监控系统运行提供电 力保障 。照明系统的控制可通过软件平台及时序控 制器实现。

以上设计方案均在祁临高速公路得到成功应 用 。隧道机电与道路机电智慧供电系统的设计有共 同之处 , 即对监控负荷等级要求高 ,必须借助电源柜 的设置确保电源可靠稳定等 。故在以上设计中隧道 机电智慧供电和道路机电智慧供电两种局端供电方 案具有通用性 ,可以设置两套局端供电系统展开单 独供电 , 也可以设置一套供电系统同时为隧道机电 和公路机电供电 ,并设置辅助型控制电缆。

3    高速公路机电工程中智慧供电系统应用 优势

高速公路机电工程智慧供电系统与传统供电系 统的比较如表1所示。

据此可以看出 ,风光互补新能源供电系统受外 界环境影响非常大 , 电源可靠性及电压稳定性均无 法保证。而智慧供电系统虽起步晚 ,但自身电压可自 动调节至稳定 ,并待直流电源输出后启动滤波功能 , 保证供电可靠及电压稳定。与此同时 ,智慧供电系统 还具有较长的传输距离 ,沿线市电无须介入 ,管理及运维成本均较低。

智慧供电系统除具备传统供电系统功率因数补 偿、过流继电保护、浪涌保护、抗干扰以及实时监测 等功能外 ,还具有以下优势:

1)单相传输。在三相负载的供配电系统中 ,配电  变压器及传输线路能耗高 ,配变容易引发零序电流 。 但对于智慧供电系统而言 ,借助上位机将三相380 V  市电转变成单相3.3 kV中压 ,能达到电源负载三相平  衡 ,并减少电缆芯数。

2)超高供电质量 。供电局端和远端间传输电压 等级更高 , 在相同功率负荷下压降小 , 电压稳定性 好。借助智慧供电系统的上位机可处理高次谐波 ,抵 抗市电浪涌电流 ,稳定输出电压 ,提升用电设备安全 程度^[5]。本文所提出的高速公路机电工程智慧供电系 统主要通过IGBT十PWM技术及有源功率补偿电路改 善功率因数 ,可将功率因数提高至0.95及以上。

3)成本优势凸显 。供电局端和远端间主要传输 直流电 ,磁感应损耗和介质损耗几乎为零 ,完全不存 在对其余通信电缆的干扰 ,故能与其余电缆同管敷 设 ,施工成本低 。对于LED等光源 , 只需对直流传输 进行直流变压 ,能省去驱动电源维护过程 ,也无须进 行三相平衡处理 ,节省了运维成本。高速公路机电工 程智慧供电系统中远端设备调压、开断等均可通过 局端设备展开控制;在终端负载卸除后上端供电随 即切断 ,设备能耗可显著降低。

4)兼容性好 。该智慧供电系统中上端电源柜能 接入多路市电和应急发电设备 ,甚至能与其余发电 系统直接并网 , 即发即用 。如遇市电故障 , 能确保用 户侧正常供电 , 同时为高速公路UPS装置和EPS装置 正常运行提供可靠保证。

4   结束语

综上所述 ,高速公路用电设备分散程度高 , 电力 负荷小 , 并呈带状分布 ,应用传统供电系统成本高 , 供配电效率低 。高速公路机电工程智慧供电系统为 单相供电 ,上下位机智能控制 ,供电效果稳定 ,造价 降低 , 能为高速公路机电工程可靠稳定运行提供保 证 。本文所提出的高速公路机电工程智慧供电系统 设计思路在具体公路中得到成功实施 , 高速公路隧 道机电与外场道路机电监控负荷等级均较高 ,均需 配置UPS电源柜 ,故该系统对道路机电和隧道机电具 有通用性 。为简化设计、节省投资 ,该高速公路道路 机电与隧道机电共用一套局端供电系统 ,经济效益 和社会效益十分显著。

[参考文献]

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[2]  张震.基于智慧化的高速公路机电工程建设[J]. 智能建 筑与智慧城市 ,2023(7): 169—171.

[3]  李磊.智慧供电系统在高速公路机电工程中的应用[J]. 电子技术 ,2023 ,52(5): 184—185.

[4]  赵强.智慧供电系统在高速公路机电工程中的应用[J]. 工程建设与设计 ,2022(21): 120—123.

[5]  滕宇 ,赵勇 . 高速公路机电工程的智慧供电设计[J]. 公 路 ,2021 ,66(5):210—212.

2025年第2期第10篇