智慧高速公路供配電方案

（中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089）

根據交通運輸部2019年8月發布的《2018年全國收費公路統計公報》，中國高速公路通車總里程已達到14.26萬公里，里程規模居世界第一，同時，仍有大量的高速公路項目還在規劃、建設中。隨著科技的發展和交通強國戰略的提出，新一代信息技術與交通運輸深度融合發展成為必然趨勢。智慧高速公路作為智慧交通的重要組成部分，日益得以重視并發展。在高速公路的設計建設過程中，供配電設施是高速公路各種機電設施得以正常工作的基礎設施，是實現智慧高速公路的保障條件。因而，如何確定與智慧高速公路需求相適應的供配電方案是公路建設者和設計人員需要認真探究的問題。本文將通過與普通高速公路供配電需求的對比分析，探討智慧高速公路的電能需求及其供配電方案。

一、智慧高速公路發展現狀

2014年全國交通運輸工作會議提出加快綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通“四個交通”發展；2019年中共中央、國務院印發《交通強國建設綱要》，提出大力發展智慧交通。智慧高速公路一直作為智慧交通的一部分不斷發展。2017、2018年交通運輸部確立了北京、河北、浙江、廣東等9個省份承擔智慧公路與新一代國家交通控制網試點工作，國內多條高速公路已陸續開展智慧高速公路建設。

目前智慧高速公路尚未形成統一的定義，已建或在建的智慧高速公路分別從不同的方面圍繞著“智慧”功能進行實施；但是從試點方向和建設實際來看，智慧高速公路建設集中在公路管理、服務、養護、行駛等的智慧化，以大數據、物聯網、互聯網、云計算、車路協同、自動駕駛、5G通信等前沿技術的實現為特征，使高速公路成為更安全、更高效的運輸系統。

智慧高速公路與普通高速公路相比，應用了多項新技術、新設備和新的建設方案，其供配電系統也有所不同。甚至某些供配電方案本身已融入智慧公路建設中，成為智慧公路的一部分。如蘇州同里的“三合一”無線充電智慧公路，已實現光伏路面發電、動態無線充電、無人駕駛三種技術的融合應用，雖然還處于短距離、低時速路段試驗階段，仍然不失為未來智慧高速公路發展方向之一。

二、智慧高速公路的電能需求分析

（一）普通高速公路的電能需求

普通高速公路的用電負荷集中在收費站、服務區、停車區、隧道等區域，主要用于收費、通信、監控等機電設施和辦公、生活以及隧道照明、通風、消防等設施。同時，由于南北方地域與氣溫不同，使得高速公路的用電需求也存在很大不同，比如，北方冬季寒冷，需要在辦公和生活區設置電暖氣、電鍋爐等電力供暖設施；為防止隧道消防管道凍裂，需設置電伴熱裝置等，一個站點的用電負荷往往高達數百甚至上千伏安。而南方則不需要這些設施，但在夏季空調又是必需品。普通高速公路供電多以集中供電為主，既符合供配電設計規范要求，又便于管理和維護。對于公路沿線分布的少量小負荷機電設施，如監控攝像頭、情報板等，或采用太陽能、風能供電，或單獨從電網接引電源獨立供電，均可滿足其電能需求。

（二）智慧高速公路的用電設施和設備

全程視頻監控、交通流感知、交通事件感知、交通環境感知和基礎設施監測等設施是智慧高速公路的基本配置。根據高速公路路段所屬地域情況還需配置消冰融雪系統、匝道控制系統、電子標志標線、智能護欄、智慧路燈等智能設施、車路協同相關設施等；在服務區、停車區需增加智慧服務功能、電動汽車充電設施等。而智慧高速公路的管理中心也將布置管養一體化數據平臺等綜合管理平臺。總而言之，隨著信息技術的發展，智慧高速公路必將集成更多以電能驅動的智能設施設備，對電能的依賴程度將不斷增加。

（三）智慧高速公路用電負荷特點

智慧高速公路與普通高速公路相比，站點的集中負荷可能會有所減小，但以電能驅動的各種智能設施設備將遍布公路全域范圍。公路監視、檢測、引導、提示、聯網等功能為主的智能設施設備，單點用電負荷較小；但為保障公路數據的實時性、大流量的通信，就要求電能供應穩定、不間斷。目前標準規范中尚未形成針對智慧高速公路機電設施用電負荷性質的具體規定，但從智慧高速公路需要實現的功能來看，為實現公路智慧化而設置的各類用電負荷，至少應歸為二級負荷；部分負荷應為一級負荷。智慧高速公路用電負荷的特點如表1所示。

表1.智慧高速公路用電負荷特點

三、普通高速公路供配電方案存在的不足

普通高速公路用電負荷多以站點式集中分布，供電方案以集中供電方式為主，即通過各站點從就近電網接引電源至站點變電所，再向具體設施供應配電。同時，為滿足一級負荷和主要二級負荷的供電要求，采用雙重電源供電或設置柴油發電機組作為備用電源，設置UPS或EPS作為應急電源。對于公路沿線分布的少量小負荷機電設施，例如監控攝像頭、情報板等，采用太陽能供電、風光互補供電；技術經濟合理時單獨從就近電網接引電源獨立供電。但如果公路沿線小負荷、多點分布的設備較多、對供電可靠性要求較高，或穿越人煙稀少路段且該地區附近無電網時，這些設施的供電可靠性就難以保障了。但是，即便就近地區有電網時，直接從電網接引電源供電一方面經濟性較差，另一方面與電網接口較多時，也增加了管理與維護的難度。

四、智慧高速公路的供配電方案

（一）智慧高速公路的供配電要求

從智慧高速公路用電負荷的特點可以看出，智慧高速公路各類設施設備對供配電的要求包括：

1.供電可靠性高。設備不能間斷工作、不能隨意中斷供電。

2.電能質量要好。智慧高速公路的設備包含大量功率、測量等電子器件，對電壓、電流、頻率等變化敏感，容易損壞。

3.供電距離較長。一般低壓（380/220V）合理供電距離均在1km以內，而智慧高速公路需對沿線連續幾公里甚至十幾公里范圍內的設備供電。

4.便于集中管理。設備數量多、用電負荷分散，在滿足電能需求的同時還要便于集中管理和維護。

（二）適用的供配電方案

智慧高速公路的供配電方案需要在普通高速公路供配電方案的基礎上有所調整才能滿足要求。針對公路匝道收費站、服務區、停車區、養護工區等站點，可參照普通高速公路站點集中供配電方式進行。對于高速公路沿線門架系統及各種智能設施設備，若均采用太陽能或風光互補供電則在可靠性、經濟性等方面存在弊端，可采用長距離單相分布式供配電方案。該方案以單相升壓-傳輸-降壓為基本原理，從地區電網引入三相電源后，經三相平衡處理，將三相電轉換成單相電，再經長距離傳輸后為遠端負荷單相供電。其系統組成意如圖1所示。

圖1.長距離單相分布式供配電示意

采用該方案進行供配電設計應考慮以下問題：

1.需綜合分析公路全線用電負荷，合理劃分供電區間。包括全線上位機安裝數量及位置和上位機、下位機覆蓋區間，確定合理供電距離和負載率。

2.根據供電區間劃分，選擇合適的長距離傳輸電壓等級及相應設備。

3.根據遠端負荷重要性，確定上位機電源是否接入備用電源或應急電源系統。

此外，對于分布較遠的零星小負荷用電設備，從經濟性、功能性等方面考慮，可單獨采用太陽能或風光互補方式供電，并配以可靠的蓄電池組、智能監測及通信單元，以便于及時處理故障情況。

五、結語

未來智慧高速公路供配電系統應向高效、低耗和節能等方向不斷完善。隨著信息、電力等技術的發展，智慧高速公路供配電系統也必將不斷發展，逐步實現“智慧”供配電。