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摘要：
供配电设施是实现智慧高速公路的保障条件,如何确定与智慧高速公路需求相适应的供配电方案是公路建设者和设计人员需要认真探究的问题。本文通过对普通高速公路和智慧高速公路供配电需求的对比,分析了普通高速公路供配电方案的不足,提出智慧高速公路供配电具有长距离、分布式等特点和要求,并对相应的供配电方案做了探讨,供公路建设者和设计人员参考。
关键词：智慧高速公路; 供配电方案; 供配电设计; 长距离供电;
前言：
根据交通运输部2019年8月发布的《2018年全国收费公路统计公报》，中国高速公路通车总里程已达到14.26万公里，里程规模居世界第一，同时，仍有大量的高速公路项目还在规划、建设中。随着科技的发展和交通强国战略的提出，新一代信息技术与交通运输深度融合发展成为必然趋势。智慧高速公路作为智慧交通的重要组成部分，日益得以重视并发展。在高速公路的设计建设过程中，供配电设施是高速公路各种机电设施得以正常工作的基础设施，是实现智慧高速公路的保障条件。因而，如何确定与智慧高速公路需求相适应的供配电方案是公路建设者和设计人员需要认真探究的问题。本文将通过与普通高速公路供配电需求的对比分析，探讨智慧高速公路的电能需求及其供配电方案。
1.智慧高速公路发展现状
2014年全国交通运输工作会议提出加快综合交通、智慧交通、绿色交通、平安交通“四个交通”发展；2019年中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》，提出大力发展智慧交通。智慧高速公路一直作为智慧交通的一部分不断发展。2017、2018年交通运输部确立了北京、河北、浙江、广东等9个省份承担智慧公路与新一代国家交通控制网试点工作，国内多条高速公路已陆续开展智慧高速公路建设。
目前智慧高速公路尚未形成统一的定义，已建或在建的智慧高速公路分别从不同的方面围绕着“智慧”功能进行实施；但是从试点方向和建设实际来看，智慧高速公路建设集中在公路管理、服务、养护、行驶等的智慧化，以大数据、物联网、互联网、云计算、车路协同、自动驾驶、5G通信等前沿技术的实现为特征，使高速公路成为更安全、更高效的运输系统。
智慧高速公路与普通高速公路相比，应用了多项新技术、新设备和新的建设方案，其供配电系统也有所不同。甚至某些供配电方案本身已融入智慧公路建设中，成为智慧公路的一部分。如苏州同里的“三合一”无线充电智慧公路，已实现光伏路面发电、动态无线充电、无人驾驶三种技术的融合应用，虽然还处于短距离、低时速路段试验阶段，仍然不失为未来智慧高速公路发展方向之一。
2.分布式智慧供配电系统构成及原理
分布式智慧供配电系统作为智能、绿色、低碳、节能公路的优质解决方案应运而生。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、监控管理主机构成,形成一个分布式的智能电源管控系统。本系统从市电引入380V三相电(10kV、6kV电压可选),通过上位机进行功率因数补偿、滤波、稳压、谐波抑制等处理后,输出纯净的单相或三相交流电(660V～10kV国家标准电压可选),经过相应等级的供电电缆将电力输送到各用电点,在用电点(一个、多个或串型用电点)由下位机将母线电压转变为220V/380V电压向负载供电。如图1所示。
图1分布式智慧供电系统图
上位机主要由开关模块、整流模块、滤波模块、逆变模块、升压模块和监控模块组成(如图2所示)。主要功能优势体现在:
(1)对市电输入端进行监测,并具备自动保护的功能,在市电出现波动时,系统能自动进行保护不受电网波动影响;
(2)具备防浪涌保护措施,降低纹波系数,提高整流效率;
(3)具有过流、过压保护功能,软件和硬件均采用抗干扰设计,提高抗干扰能力;
(4)基于应用PWM脉宽调制设计,及IGBT作为开关元器件,具有功率小、体积小,饱和压降低、效率高、开关速度快的特点;
(5)采用无主均流技术,多模块冗余设计,可热插拔,提高可靠性,便于安装、扩容与检修;
(6)采用特种干式升压变压器,噪音小,温升低,免维护;
(7)内部设有电力监控数据采集器,实时监测电能质量和用电情况;
(8)具有自诊断功能,便于用户发现和排除故障;
(9)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;
(10)采用电力参数在线监测技术,实时检测回路绝缘阻抗,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;
(11)可输出多个回路,实时采集各用电设备的电压、电流、功率等参数并传给上端电源设备,可根据需要对任一回路单独进行开关与调压控制;
(12)设有遥控和无线、485、RJ45、USB通讯接口,方便与计算机控制系统连接,通过电力载波或数据通信实现上端智能控制。
图2上位机系统构成图
下位机主要由降压模块、配电开关模块、检测控制模块和通信模块组成。从上位机输出的交流电,输入到下位机中进行降压处理,输出为220/380V电压向负载供电。同时采集机电设施用电状态等电力参数,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。
3.智慧高速公路的供配电方案
3.1智慧高速公路的供配电要求
从智慧高速公路用电负荷的特点可以看出，智慧高速公路各类设施设备对供配电的要求包括：
3.1.1供电可靠性高。设备不能间断工作、不能随意中断供电。
3.1.2电能质量要好。智慧高速公路的设备包含大量功率、测量等电子器件，对电压、电流、频率等变化敏感，容易损坏。
3.1.3供电距离较长。一般低压（380/220V）合理供电距离均在1km以内，而智慧高速公路需对沿线连续几公里甚至十几公里范围内的设备供电。
3.1.4便于集中管理。设备数量多、用电负荷分散，在满足电能需求的同时还要便于集中管理和维护。
3.2适用的供配电方案
智慧高速公路的供配电方案需要在普通高速公路供配电方案的基础上有所调整才能满足要求。针对公路匝道收费站、服务区、停车区、养护工区等站点，可参照普通高速公路站点集中供配电方式进行。对于高速公路沿线门架系统及各种智能设施设备，若均采用太阳能或风光互补供电则在可靠性、经济性等方面存在弊端，可采用长距离单相分布式供配电方案。该方案以单相升压-传输-降压为基本原理，从地区电网引入三相电源后，经三相平衡处理，将三相电转换成单相电，再经长距离传输后为远端负荷单相供电。
采用该方案进行供配电设计应考虑以下问题：
3.2.1需综合分析公路全线用电负荷，合理划分供电区间。包括全线上位机安装数量及位置和上位机、下位机覆盖区间，确定合理供电距离和负载率。
3.2.2根据供电区间划分，选择合适的长距离传输电压等级及相应设备。
3.2.3根据远端负荷重要性，确定上位机电源是否接入备用电源或应急电源系统。
此外，对于分布较远的零星小负荷用电设备，从经济性、功能性等方面考虑，可单独采用太阳能或风光互补方式供电，并配以可靠的蓄电池组、智能监测及通信单元，以便于及时处理故障情况。
结语：
为实现国家建设智慧高速的需求,为提高广东省路网的智能化水平,为提升粤港澳大湾区的交通效率,高速公路智能节能已经成为行业的发展趋势。基于此,惠清高速公路项目中采用的分布式智慧供配电系统解决了以往项目中,供电质量不高、供电不稳定、系统安全性差、故障率高、系统节能效果不明显等问题。该系统具有供电质量稳定、带载能力强、供电距离远、节省工程造价、节能效果显著、智能化程度高等优势,为惠清高速建设运营管理提供了强有力的支撑。从工程使用效果来看,智慧节能供电系统对于解决长距离及大负载容量设备的用电问题是一种较为科学、经济的解决方案。
参考文献
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