智能遠程供電系統在南友高速公路的應用

蔣新花

(廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

廣西南寧至友誼關高速公路距離越南很近，不法分子為使走私車輛通過便道進出高速公路，對護欄進行了拆除，在高速公路道路旁鑿開許多走私路口。為了嚴防打擊走私和偷逃公路通行費行為，本項目計劃在南寧至友誼關高速公路的憑祥至夏石之間的路段建設防逃費系統，通過加裝監控攝像機和交通信息采集設備來監控現場情況。南友路憑祥至夏石段約15 km，從樁號K193+700～K207+950每隔約1 km左右布設一處監控設備，由于2個收費站之間沒有服務區或停車區可供取電的地方，選擇從一端敷設電纜又面臨著線路長的情況，土路肩上挖溝敷設電纜工程量較大，會對現有土建設施造成較大破壞，同時防盜壓力巨大；若建設箱式變電站，路段附近又沒有合適的10 kV架空線路，所以急需找到一種更加適合本項目特點的安全可靠的供電方案。

1 現有供電方案比較分析及存在的問題

高速公路沿線外場設備一般包括遙控攝像機、車輛檢測器、交通流量調查站、可變信息標志等，除了可變信息標志功率在3～5 kW外，其它設備功率基本在1 kW以內。各種設備負荷功率差別大，供電點多且分散，但總功率又不大，常規供電方式難以滿足日益增加的監控系統配電需求。目前高速公路外場設備的供電方式主要有三種：

(1)10/0.4 kV變電所、箱式變電站或地埋變。比較接近收費站、管理區或服務區的外場設備如互通立交處的攝像機、情報板等，一般距離大約在1～2 km范圍內，采取直接從站區變電所或箱式變電站通過直埋電纜供電，這種方式的優點是供電質量安全穩定有保障，缺點是供電距離受限，若要加大距離，則供電線路損耗大，壓降厲害，只能加大電纜線徑，勢必造成投資增加；在外場設備相對集中且負載相對較大的路段，又遠離站區取電點，這種情況下只能采取建設箱式變電站或地埋變的方式，可以很好地解決外場設備的供電問題，優點是比較適合于高速公路隧道用電，缺點同樣是供電距離受限，也不適合距離長、負荷小、供電點分散的高速公路外場供電，因為不可能按照全程監控系統布設方案，在約2 km左右設置一處10/0.4 kV箱式變電站，這種方式不僅使箱變的設備投資巨大，而且10 kV外電桿塔、征地、青苗補償、架空線路的投資也不小，更有眾多與當地供電部門對接的接口。綜合起來看，該供電方案投資大且運營維護成本高。

(2)變壓器升降壓供電方式。電源取自變電所低壓側，根據負載的距離以及負荷大小，采用隔離變壓器或自耦變壓器調整電壓至800 V左右傳輸至用電點，再降壓至220 V，該方案通過電壓調整與增大電纜截面積，解決5 km內單點大容量負荷供電時有一定的優勢，但在大小負載混合且供電點分散的需求情況下優勢不明顯，各用電點的線路壓降差異較大，電壓不穩定。例如可變情報板等設備，其負荷大小會隨著顯示內容不同而發生變化，此種方式需要增加電纜截面以保證其供電穩定。采用大截面電纜，需要在路側開挖土方直埋敷設，成本較大，并且如果遭到盜竊，經濟損失極大。

(3)為小功率的外場監控設備配置太陽能裝置或者是風光互補系統。這種方式的優點是不需要敷設電纜，單個投資省。缺點：①因為供電能量有限，太陽能的轉換效率低，通常最大只有數百瓦。廣西南友路的太陽能資源較為匱乏，作為沿線各類監控設施的供電保障需要比較大的規模，性價比不高。②供電質量不穩定，廣西南方多雨季節，連續陰雨天氣較多，會對光伏與風電系統造成比較大的影響。③投資大，壽命短，維護成本高。太陽能系統需要使用大量的蓄電池作為儲能裝置，在目前廣西的氣候條件下，大約不超過三年就要對蓄電池進行更換，同時廢舊電池對環境的污染也大。綜合上述分析，南友路打逃系統的全程監控供電方案宜選用智能遠程供電系統。

2 遠程供電系統設計

智能遠程供電系統是一種整合了集中式與分布式配電的電力傳輸系統。可以實現三相交流電輸入，220 V交流額定輸出的功能。還具有可遠程監控管理、完善的輸入和輸出及防雷保護等優點，適用于長距離大負載供配電系統。該供電方式與傳統供電方式相比大大節約了材料和人工成本，同時縮短了工期，減少了安全隱患。

2.1 系統組成

圖1 遠距離供電系統連接示意圖

如圖1所示，智能遠程供電系統由一個帶有升壓功能的電源發生器、遠距離輸電母線、若干個帶有降壓功能的隔離電源轉換器組成。電源發生器和隔離電源轉換器采用串聯連接的模式，使整個系統具備雙重穩壓的功能，兩者均采用帶電熱插拔模塊化結構，當其中的一個因故障轉為旁路工作時，另一個仍然具備穩壓功能，當電源發生器和隔離電源轉換器兩者都因故障轉為旁路工作時，系統仍然能像傳統遠程供電方案的原理繼續為負載供電。核心設備由電源發生器和隔離電源轉換器組成，系統的局端在變電所內通過電源發生器將遠程供電配電系統與電網隔離，輸出電流一般在10 A以下，負載通過隔離電源轉換器產生220 V電壓使用，配電電纜視負載大小可采用2×10 mm2或2×6 mm2的電纜進行輸電，降低系統造價。

電源發生器安裝在變電所內，通過升壓隔離變壓器將遠端供電系統與低壓電網、電源發生器、升壓變壓器、補償變壓器和PWM控制調壓模塊及電流電壓采樣電路組成一個閉環的高精密穩壓系統，補償變壓器受控于PWM控制調壓模塊起到調壓穩壓的作用，其穩壓范圍≥市電電壓的±15%，經過隔離升壓后的輸出電壓Vout=800 V+KI(I為輸出負載電流，K為負載電流補償系數)，由于是遠距離輸電，即使電壓升高到800 V，在輸電過程中線路上仍然存在著損耗，所以該系統引入了輸出電壓的電流補償功能，最大補償電壓KI<輸出電壓的10%，補償系數可根據輸電線路的距離，線纜的直徑等情況綜合設定；其中PWM控制調壓模塊采用模塊化熱插拔式結構，當調壓模塊出現故障時，內部的自動電子旁路動作，閉合維修旁路可實現PWM控制調壓模塊的帶電熱插拔操作，調壓模塊轉入旁路狀態后，電源發生器相當于升壓變壓器的工作狀態，其系統結構圖如圖2所示。

圖2 電源發生器系統結構圖

隔離電源轉換器由補償變壓器、PWM控制調壓模塊和維修旁路及熱插拔連接器組成高精密穩壓電源，系統結構圖如圖3所示。當調壓模塊出現故障時，內部的自動電子旁路動作，閉合維修旁路可實現PWM控制調壓模塊的帶電熱插拔操作，調壓模塊轉入旁路狀態后，補償變壓器由變壓器功能轉變成導線功能，此時隔離電源轉換器相當于降壓變壓器的工作狀態；隔離電源轉換器中的軟啟動模塊確保降壓變壓器在電壓過零點接入電路，大大降低了啟動沖擊電流，減小了降壓變壓器在上電時對整個供電系統的大電流沖擊，使系統平穩地上電并投入工作。

圖3 隔離電源轉換器系統結構圖

2.2 系統特性

(1)供電系統在遠距離、大負載能量傳送中，無需配備任何升壓中繼設備，線路結構簡單，成本更低，適合于超過10 km距離的配電系統；(2)供電系統有利于供電系統末端有大功率負載時的線路損耗控制；(3)遠端設備不受長距離中線路壓降影響，具有更好的擴展性與兼容性；(4)輸出電壓為800～1 000 V可變交流供電，避免使用箱式變電站供電，不需要去供電部門進行用電申請等工作；(5)系統局端電源發生器設備根據線路上負載變化調整輸出，在確保供電穩定的條件下降低線路損耗；(6)系統遠端隔離電源轉換器設備根據不同線路輸入電壓，調整內部參數，提升設備轉換效率，節約能源；(7)在系統允許范圍內，可以任意移動設備或增減負荷，應用靈活方便，易維護；(8)隔離電源轉換器設備輸出一致、穩定，且不受負載變化影響；(9)可以有效抑制雷擊或操作過電壓干擾；(10)系統功率可根據需求調整，在負載功率、傳送距離和造價之間平衡；(11)電源發生器和隔離轉換器自帶通信接口，通過外場設備的通信接口即可上傳各類監測信息；(12)方案采用線纜不超過10 mm2，可吹纜或穿管敷設，降低工程造價，不易被盜。

2.3 設備主要技術指標

2.3.1 局端設備(電源發生器)的主要技術指標

額定工作電壓：220 V AC±15%，或380 VA±15%；額定工作頻率：50 Hz±15%；額定輸出功率：10 kVA；額定輸出電壓交流：給定值±1%；輸出電壓范圍為交Vout=800 V+KI，當高于設定值10%時能自動保護；輸出方式：交流兩相；效率：>95%；工作溫度：-20 ℃～+65 ℃；存儲溫度：-40 ℃～+85 ℃；相對濕度：10%～95%，無凝露；海拔高度0～3 500 m；工作噪聲距1 m處≤50 dB。

2.3.2 遠端設備(隔離電源轉換器)的主要技術指標

額定工作電壓：220 V AC±15%，或380 VA±15%；額定工作頻率：50 Hz±15%；額定輸出功率：0.5 kVA、1 kVA或3 kVA；額定輸出電壓：220 V±1%；輸出方式：交流兩相；效率：>95%；工作溫度：-20 ℃～+65 ℃；存儲溫度：-40 ℃～+85 ℃；相對濕度：10%～95%，無凝露；海拔高度0～3 500 m；工作噪聲距1 m處≤50 db。

3 典型應用案例分析

南友路憑祥至夏石段遠程供電系統具體組成為：在憑祥變電所安裝了1臺NPS-10 kVA的電源發生器，在各個用電點各安裝了1臺NPS-1 kVA的隔離電源轉換器，可變信息標志處安裝了1臺NPS-5 kVA的隔離電源轉換器，供電線路采用2×10 mm2電纜，使用中央分隔帶其中一根硅芯管，通過氣吹敷設完成。與傳統升降壓供電方式比較，單電纜由原來的4×35 mm2降至現在的2×10 mm2，原材料節省較多，節能減排效果明顯。同時由于電纜線徑減小，可以使用原來中央分隔帶預埋剩余的通信管道氣吹敷設，不僅節省了工期，免除了直埋開挖對現有道路的損壞，而且降低了電纜被盜幾率。

4 結語

南友路打逃監控系統于2017年8月正式投入使用以來，系統運行穩定，供電質量有保障，系統能耗低，不僅節省了工程造價，而且運營管理簡單便捷，基本免維護。經過抽測，電壓穩定，三相平衡效果好。通過后臺軟件平臺可在線監測系統設備運行狀況，大大節省了維護的工作量。隨著人們對智慧高速公路需求的日益加大，路上感知設備將不斷加密布設，如全程監控技術設備的建設，智能遠程供電系統無疑是這些外場設備的首選方案，具有極大的推廣應用價值。目前外省類似應用逐漸增多，廣西區內的全黃路、南寧繞城、南壇路石埠至壇洛段等幾個路段的全程監控改造項目中也已經采納該種供電方式的設計方案。

[1]賈大鑫.山東德商高速公路機電工程遠程供電應用[J].中國交通信息化，2017(3)：126-128.