高壓直流供電在高速公路監控系統中的應用

摘要：高速公路全程監控系統作為一種能夠輔助高速公路相關管理運營單位有效緩解高速公路安全、效率問題的工具，越來越受到高速公路相關管理運營單位的重視。高速公路全程監控系統具有公路沿線外場設備多，供電點分散、供電負荷小、供電傳輸距離遠的特點。高壓直流供電方式相對其他供電方式在安全性、穩定性以及建設成本方面有一定優勢，能一定程度上緩解交流供電方式、風光供電方式所建供電系統面臨的建設運營問題。

關鍵詞：高速公路；全程監控；直流供電；交流供電；風光供電

中圖分類號：TM563.1 文獻識別碼：A 文章編號：1001-828X（2016）022-000-02

一、前言

近年來，我國高速公路的高速發展態勢為我國經濟、社會的迅速發展奠定了基礎。但經濟社會發展所帶來的高速公路事故頻發、擁堵嚴重等問題阻礙著高速公路作用的發揮。高速公路全程監控系統作為一種能夠輔助高速公路相關管理運營單位有效緩解高速公路安全、效率問題的工具，越來越受到高速公路相關管理運營單位的重視。

高速公路全程監控系統主要由攝像機、可變信息標志、氣象環境檢測器、車輛檢測器等外場設備構成，這些設備的實際運行效果決定了全程監控系統效用的發揮，而這些設備能夠正常運行的基礎條件之一就是穩定可靠的電力配送。從電力輸送的角度來看，高速公路全程監控系統具有公路沿線設備多，供電點分散、供電負荷小、傳輸距離遠的特點。如何根據結合高速公路全程監控系統的供配電需求特點以及實際的設備運行環境，設計采用合理的外場設備供配電方式保證系統可靠運行就成了亟待解決的問題。

二、供電方式概述

目前，全程監控系統外場設備供電方式主要有交流供電、風光互補供電、高壓直流供電等方式。

1.交流供電方式

交流供電方式一直以來都是高速公路外場設備普遍采用的最簡單、最直接的供電方式。對于距供電間距小于5km的外場設備，通常采用低壓直接輸送的方式供電。當供電距離超過10km時，需通過高速公路設置的變電站等變壓設備，將電壓升至6～10kV，利用電力電纜傳輸到外場設備側，再通過降壓埋地式變壓器等降壓設備變換至220V電源，實現外場設備的供電需要。

2.風光供電方式

風光供電方式是指在外場設備旁配置風力發電、太陽能發電或風力發電與太陽能結合的風光互補供電系統。主要由小型風力發電機或太陽能電池板、蓄電池組、充放電控制器以及逆變器等部件構成，其中，風力發電機和太陽能電池板能夠將風能和太陽能轉化為電能，通過充放電控制器對充電、放電的控制以及對短路、過流、反接等異常的約束，將電能存儲在蓄電池組中，再通過逆變器將直流轉變為交流電向外場用電設備供電。

3.高壓直流供電方式

高壓直流供電方式的原理是從配電室內基礎電源（AC220V/AC380V/DC48V）取電，經過局端設備轉換升壓，將電源局端設備隔離升壓到200-400V，再將直流高壓電通過傳輸線纜傳輸到遠端設備處，傳輸過程中電源處于對地懸浮狀態，通過遠端設備進行電壓逆變，將直流高壓變換成遠端設備所需電壓等級（如DC48V/AC220V），最終實現整個系統用電設備的正常供電。

高壓直流供電系統由配電室設備、傳輸線纜以及用電負載三部分構成，配電室設備配電室設備包括基礎電源系統（﹣48V基礎電源和220V交流市電）以及局端設備。傳輸線纜可以使用電纜或者復合光纜。負載設備包括DC/DC變換器、DC/AC逆變器以及外場用電設備。系統工作時，會在配電室將直流﹣48V基礎電源或交流220V市電升壓轉換為直流280V（±140V）后，通過電纜或復合光纜將電能傳輸至外場用電設備側，可以直接為具有整流功能的交流220V用電設備供電，或經DC/DC變換后為各種直流用電設備（5V/12V/24V）供電，或經DC/AC逆變器變換后為各種交流用電設備供電。如果用電設備電壓需要為﹣48V時，則可以直接由配電室的﹣48V基礎電源通過電纜或復合光纜供電。

三、高壓直流供電方案特性分析

本文從高速公路全程監控系統各供電方案的工作特性：安全性與穩定性以及各供電方案的投資、使用、維護成本。

1.安全性

直流供電方式局端發送設備的輸入輸出端在電氣上完全隔離，輸出的直流高壓電平對地懸浮，線路不接地，因此，在傳輸電纜和外場用電設備處，即使有一極被人或動物觸碰或發生接地短路時，均不會造成觸電危害；同時，相對于交流供電方式在遭受雷擊時，可能會引起供電段全線所掛接的設備損壞，直流供電方式的電氣隔離使得外場設備在遭受雷擊時僅能影響到遭受雷擊的設備，不會導致其他外場設備的遠端接收設備與局端發送設備的故障，防雷效果更好。綜上，直流供電方式的應用安全性更高。

相對于交流供電系統，風光供電系統有施工簡單、經濟節能、清潔環保的特點，但風光供電對建設運營環境要求較高，在風力資源或太陽能資源較為豐富的地區，該供電方式較為適用，對于存在長時間陰雨天氣的地區，該供電方式無法保證外場用電設備的供電需要。同時，風光供電系統中的蓄電池組對運行環境敏感，且每3-5年需更換新電池，維護量大、使用成本較高。

2.穩定性

用AC-DC變換器進行隔離變換，可以提供穩定的直流輸出電壓，并且能夠隔離電網對遠端設備的浪涌干擾；當利用直流電作為供電電源進行供電時，則使用DC-DC變換器，以確保為遠端設備提供不間斷的供電保障。

由于直流供電系統局端發送設備采用4直流不間斷供電的形式，用AC-DC變換模塊可以提供穩定的直流輸出電壓，并且能夠隔離電網對外場設備的浪涌干擾；同時，AC-DC變換模塊容易實現“N+1”冗余并聯形式以備份系統，使得供電傳輸過程中，供電區段局部發生市電停電或者單個AC/DC變換模塊出現故障時，并不會影響整個系統的正常供電，有效的提高了系統的穩定性。而采用交流供電方式時，交流電的正弦波形相位變化使得并機冗余技術要求高、實現復雜，即使采用UPS方案來提高穩定性，整個系統的運行穩定性仍相比直流供電方式低。同時，高壓交流強電的傳輸會對附近的通信信號、視頻信號和語音信號造成較大的干擾，而直流輸電就不存在這個問題。

直流遠供的傳輸質量相對較高，在傳輸線路上不存在感抗和容抗成分，比交流電阻小，功率損耗小，傳輸距離遠；另外，直流遠供線纜傳輸時，介質損耗、電磁感應損耗和電磁干擾小，電磁兼容性好。加之，質量遠供線纜傳輸絕緣電壓相對較低，符合目前國家提出的節能降耗和環保要求，屬于綠色環保供電方案。因此，直流遠供系統更能體現節能環保。

3.經濟性

為了全面對比各種供電方式的經濟性，本文從投資成本、使用成本和維護成本三部分來分析各種供電方式的經濟特點。

（1）投資成本

本文所分析的投資成本主要為供電系統所包含設備成本、線纜成本與施工成本。

高壓直流供電方式的局端、遠端設備建設投資成本較高，功率為1.5kw局端模塊單價約在2萬，遠端模塊的單價約在5000元。而風光供電設備的成本約為5萬每套，投資成更高。

直流供電方式的輸出為單相電源，與交流供電方式相比，直流供電方式在達到同等傳輸效率所需要的電纜截面積相對較小，例如：當采用400V直流供電電壓時，達到同等傳輸效率所需要的電纜截面積僅為交流220V傳輸電纜30%，小線徑電纜作為供電電纜就可以保障外場設備的供電需要。

由于交流電電纜會干擾通信信號，無法走弱電管路，需采取路側挖溝直埋方式單獨進行管道施工開挖敷設，會一定程度上增加建設成本。而直流供電方式則無需另行開挖埋深、鋪設管道，可采用氣吹法直接敷設在通信管道中，同時，由于電纜可布設在通信管道內，可以選用無鋼帶的普通電纜，相比交流供電方式可節省電纜費用。

為了便于對比分析各種供電方式的投資成本，本文按供電段10公里、每1公里設置一個200W的負載估算。交流供電方式中，線纜費用約為40萬，施工費用為20萬，合計約為60萬。太陽能供電方式中，系統6套共27萬，電池井6套共3萬，合計約為30萬。高壓直流供電方式中，局端設備估計為2.5萬，遠端模塊估計為3萬，電纜估計為12萬，施工費用估計為1.5萬，合計為19萬。由此可見，高壓直流供電方式的投資成本較低。

（2）使用成本

風光系統為綠色環保的供電形式，因而使用過程中不會產生電量使用的成本。交流供電方式的線路損耗約為5%，則2kw×24小時×365天×105%=18396kwh，按照每kwh電費為1元計算，交流供電方式的年使用成本為18396元。而高壓直流供電方式的線路損耗較高，這里按照20%計算，則2kw×24小時×365天×120%=21024kwh，則高壓直流供電方式的年使用成本為21024元。由此，可見，高壓直流供電方式的使用成本相對較高。

（3）維護成本

由于直流供電方式的傳輸電纜不需要在高速公路兩側重新進行開挖深埋、鋪設管道，可以直接放置在高速公路中央分隔帶中的通信管道里，降低了因電纜埋在路邊容易被盜的風險。同時，直流供電方式采用遠程供電模式，蓄電池可以設置在環境相對較好的機房內，相比交流供電方式與風光供電方式中蓄電池的安裝環境，直流供電方式中蓄電池的使用壽命更長，從而減少蓄電池更新的速度，降低維護成本。

4.高壓直流供電的缺點

直流供電方式仍存在一些缺點。

（1）遠端設備有些復雜，在交流負載的情況下，還要配置DC-AC逆變器；

（2）限于現有的產品性能情況，局端設備輸出功率比交流遠供系統要低，故要提供同樣的輸出功率，局端設備會復雜一些；

（3）受到局端設備輸出功率的局限，供電距離較近，一股情況下以不超過10公里為宜。當供電距離較遠時，耍增加中繼設備。會增加建設投資的成本。我國現有高速公路的實際供電段基本會小于10km，在外場用電設備用電負荷小的情況下，直流供電方式具有較好的經濟管理效益。

四、結語

高速公路全程監控的正常運行能夠有效的提升高速公路服務管理水平，其供電方式選擇對其效用發發揮有重要的影響作用，不同供電方式在安全性、穩定性、經濟性等方面的差異較大。相對于交流供電方式，直流供電方式具有節省投資、施工簡單、供電穩定的優勢，相對于風光供電方式，直流供電方式具有供電穩定、維護量小優勢。在供電距離不超過10公里的情況下，能一定程度上緩解交流供電方式、風光供電方式所建供電系統面臨的建設運營問題。

參考文獻：

[1]陳有為.直流遠供電技術在高速公路行業的應用[J].城市建筑，2015，（12）：359-360.

[2]秦夷.高速公路直流遠程供電方案分析[J].中國交通信息化，2012，（11）：137-139.

[3]趙忠杰，陳廣交，趙亮等.風光互補技術及高亮LED系統在公路隧道照明中的應用[J].公路交通科技，2012，29（4）：96-100.

[4]錢建波，施展.直流遠程供電在錫宜高速全程監控改造中的應用[J].中國交通信息化，2013，（1）：109-110.

[5]龐宏源.直流遠供在高速公路監控系統中的應用[J].山西電子技術，2014，（2）：25-26.

[6]沈恂達.直流遠供系統在高速公路上的應用[J].中國交通信息化，2015，（2）：113-117.

作者簡介：鮑東玉（1978-），女，陜西西安人，工程師，本科。