高速公路智慧节能型供配电方案技术应用研究

高速公路智慧节能型供配电方案技术应用研究

刘福

重庆工业设备安装集团有限公司重庆401121

摘要：在我国，高速公路沿线机电设备的负荷小，比较分散，并且呈带状式的分布，为这些机电负载供电是高速公路建设中需要面临的一个难题。随着我国高速公路里程的不断增加，公路智能化、信息化的快速发展，公路管理者对供配电系统的要求也越来越高，功率因数、谐波电流、稳压精度等关键技术指标愈加严格，同时对系统的安全、稳定也提出了更高的要求。结合高速公路沿线机电设备的特点，研究发展智能高效的能源供给方式，可以为高速公路机电系统信息化的飞速发展提供能源保障，满足其基础建设需求，保证高速公路机电设备用电安全、通畅、合理、经济、快速、可靠、舒适等综合效益最大限度地发挥，实现高速公路运营与管理过程的现代化。我国传统的高速公路供配电方案受技术条件限制，仅从供电需求角度出发，仅限于满足供电功能需求，对于经济、节能、智能控制等方面则考虑有限，因此存在带载能力弱、电缆用量大、系统无功损耗多等技术问题。基于此，本文提出的智慧节能型供配电系统具有简化系统设计复杂度、供电质量稳定、电压可调、带载能力强、传输距离远，且自身能源损耗小，节省能耗的智慧节能型供配电系统，通过对供配电系统进行按需调节、智能控制，最终达到降低造价成本、降低能耗、节约运维费用的目的。

关键词：智慧节能；供配电系统；电能优化；智能控制；降低能耗

引言：在我国经济等方面的不断发展之下，人民生活水平的不断提高，道路交通需求日益旺盛，公路网信息化、智能化程度也越来越高，各类电子设备广泛应用于高速公路沿线，如全程监控及全程照明系统等被应用于更多的路段，也受到更多高速公路建设者的青睐。文章主要针对高速公路智慧节能型供配电方案技术应用方面进行分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。

1.常见供配电系统对比分析

1.1低压380V供电

低压380V供电系统是通过变电站低压配电柜向负载直接供电。这种供配电方式供电电缆和设施要求耐压等级低，较为经济便捷，是采用较多的一种供电方式。但此方案存在着一定的局限性，其电力传输距离短，供电能力弱，为保证长距离供电的质量问题，通常都是采用增大电缆截面积的方法，而此方法在提高供电能力的同时，也会快速增加成本，电缆成本根据传输距离和负载情况，变化幅度较大，供电距离一般在4km以内。

1.2高压10kV供电

高压10kV间接供电方案，从变电所高压柜引出10kv电压传输至负载较集中的位置，通过变电箱变压至380V向附近的负载供电。此种供配电系统虽能够满足长距离供电需求，供电能力较强，但10kV供配电系统所需供电电缆和设备耐压等级要求高，造价成本较高，且由于10kV电压通过变压器降压为380V后，还需要通过电缆传输至附近用电点，因此需要敷设10kV等级和1kV等级两条电缆，造成电缆重复敷设。同时，为保证用户端不对电网产生影响，需要配置昂贵的隔离变压器。

1.3660V升降压供电

通过上位机将380V升压至660V，传送至负载较集中的位置，再通过下位机降压至380V向附近的负载供电。此种供配电系统相当于对低压380V供电系统做了一定程度的升级，在传输距离和供电能力方面有所提高。但此供配电系统与10kV方案相似，电缆同样需要重复敷设，负载端需要三相平衡，且只适用于中距离（一般在4～10km）、中等负载容量供电，长距离、大容量供电能力仍不足。

1.4离网储能式风光互补供电

离网储能式风光互补供电方案相对于前面提高的几种供电方式，其优点有无需传统繁杂的电缆敷设，并且系统无污染、维护简便、使用寿命长、可利用能源丰富，但由于储能电池容量有限，大功率设备供电能力不足，太阳能风能转化效率低，对环境天气要求高，使用范围受限，且蓄电池寿命极短，维护成本过高。

1.5直流供电

直流供电方案同样具有传输距离远、节省电缆等优点，但缺点也同样显著，特别是直流电高压拉弧时所带来的危险性，降低用电设备使用寿命。同时安全可靠性低，维护时需要专人专用工具处理；设备端主要靠斩波振荡逆变实现稳压，大量使用电子设备，增加建设成本，且装置可靠性差；防雷性能差；发热情况严重，容易使设备过热，进而影响设备寿命；系统柔性不强，很难实现大功率设备和小功率设备的混合供电，难以满足未来扩展的需要。

1.6传统供配电系统应用效果分析

无论是低压供电还是中、高压供电，虽在我国运用较广泛，承载着高速公路供电重任，但从经济、节能、使用效率等方面还存在着较大的优化空间，具体表现为：（1）大量使用供电电缆，造价昂贵；（2）系统存在二次配电的问题，重复使用电缆；（3）照明监控供配电系统内负载端都需要三相平衡；（4）若未配备无功补偿设备，则系统功率因数低，无功损耗大；（5）大量使用电子元器件，装置可靠性差；（6）对环境要求高，适用范围受限；（7）运营维护成本高分析各种高速公路供电方案的优缺点，可以看出这些供电方案的应用存在着一定的局限性，均有其特定的使用场景。

2.智慧节能型供配电系统工作原理

智慧节能供电系统是在传统供配电系统分析基础上提出的一种带载能力强、传输距离远、系统能耗小、供电质量稳定的智能型供配电系统。该系统由上端智能均衡负载稳压电源（上位机）、下端智能终端电源（下位机）、供电电缆、通信线缆和管理终端（含软件）构成，形成一个分布式的智能电源管控系统。上位机经技术处理将低压三相交流市电通过智能均衡负载稳压电源进行功率因数补偿、滤波、稳压、谐波抑制等处理后，转换为单相高压交流电（目前主要使用1140V和3300V），经过相应等级的供电电缆将电力输送至下位机，再经下位机将母线电压转换为单相220V/380V的交流电，直接为负载供电，从而实现高压小电流远距离供电。上位机主要包含输入控制[1]、整流、逆变、升压、功率因数补偿及输出保护六大功能模块。其中：输入控制具备市电输入监测与自动保护的功能，在市电出现过压、欠压、缺相等电源故障时，系统能根据外界情况智能化的保护自身不受电源故障的影响；整流模块具备防浪涌保护措施，降低纹波系数，提高整流效率；逆变模块采用基于微机控制IGBT和PWM开关技术设计，具有体积小，效率高，多模块冗余设计，提高可靠性；升压模块采用特种干式升压变压器，噪音小，温升低，免维护；功率因素补偿模块采用过零触发技术，实时监测、跟踪负载的变化，进行实时投切功率补偿动作，加强谐波吸收率，大幅提升电能质量；输出保护模块对输出回路采用电力参数在线监测技术，实时检测回路情况，根据设定报警界线报警，保证输出安全，同时设有避雷器，防止雷电损坏设备。

图1.上位机模块原理图：

下位机主要包括降压模块、稳压模块和监控模块，其将上位机远距离传输的单相交流电进行调压处理，为负载提供相应电压等级的电能，同时能够精细化采集机电设施用电状态电力参数，对用电负载和电力电缆的工作状态进行性能衰变分析与评估，当机电设备与电力电缆出现故障时会自动预警，还可以远程控制负载的供电回路[2]。

结论：

文章主要针对常见供配电系统对比方面，重点阐述了智慧节能型供配电系统工作原理，希望能给相关人士提供重要的参考价值。

参考文献：

[1]张文亮，刘壮志，王明俊，杨旭升．智能电网的研究进展及发展趋势．电网技术，2019，33（13）：1－11．

[2]邓慧琼，李争，孙丽华，候桂祥．智能电网初探．科技创新导报，2018，34：54－55．