高速公路機電設備的智能供電技術研究

符方睿

（廣東新粵交通投資有限公司，廣東廣州 510700）

0 引言

現階段，高速公路機電設備的供電技術與系統存在造價高、穩定性不夠、質量控制差、能耗較高、智能化水平較低等現象，鑒于此，提高供電技術的供電質量與智能化水平具有重要作用。本文提出了智能鏈式網供電技術，可以智能地對供電進行調節、控制，在保證質量與穩定性的前提下，達到降低能耗及建設成本的目的。

1 智能鏈式網供電技術

高速公路機電設備主要供電方式可概括如下：電能由高壓電源點出發，流經供電電纜、交流變壓器，最終為機電設備進行供能。智能鏈式網供電技術通過在電源點與交流變壓器之間設置能源智控站、總協調控制單元，實現鏈式及網狀結構，從而構建智能鏈式網供電系統，實現高速公路機電設備的智能供電。

1.1 高壓電源點和交流變壓器

高壓電源點是隸屬于配電網的供能節點，為高速公路機電設備的用電負荷能源來源。交流變壓器的作用是將高壓電源點提供的電能降壓處理，使其滿足低壓交流母線下能源智控站的使用要求。

1.2 能源智控站

能源智控站由多種設備及系統構成，主要包括低壓配電柜、能量路由器、分布式智能終端、清潔能源及儲能系統、電能質量控制系統。

1.2.1 低壓配電柜

低壓配電柜主要由斷路器、計量設備、測量設備、保護設備等組成[1]。電能由電源點供給，經變壓器降壓處理，低壓配電柜與其輸出線路進行連接，將電能引入能源智控站，并為能源智控站中的構成部分供電，為高速公路用電負荷提供電能的接入，通過柜內設備實現電能接入、控制和保護作用。

1.2.2 能量路由器

能量路由器的主要作用是實現電能互聯，提高電能接入質量[2]。能量路由器通過自身將交流變壓器低壓側的交流母線進行連接，使電能的流動形成鏈式網狀結構，提高了末端供電系統的穩定性，并且能量路由器還能對其他多種電壓等級、多種類型交直流電的接入和電能進行整合，例如光伏發電、風力發電產生的電能以及儲能系統儲存的電能。

1.2.3 分布式智能終端

分布式智能終端主要的作用是進行數據的采集，然后與總協調控制單元進行信息的互通，通過對數據進行分布式邊緣計算分析、傳遞，為總協調控制單元的控制決策提供數據支撐，執行反饋回來的指令，對能源智控站的運行進行控制。數據的采集主要包括有關設備的環境數據、運行數據，例如環境溫濕度、交直流電壓、電源以及漏電情況等。

1.2.4 清潔能源及儲能系統

清潔能源及儲能系統主要的作用是為能源智控站的運行提供后備電源，通過蓄電池組對電能進行收集儲存。對比不同種類例如鉛酸蓄電池、UPS蓄電池、磷酸鐵鋰電池等的特點和應用環境等，UPS蓄電池因具有良好的安全和放電性能以及高耐用性，作為儲能系統具有較好的應用效果。為滿足節能環保要求，減少電能損耗，還可設置清潔能源系統，對蓄電池中的電能進行補充，例如可采用光伏發電系統，通過在能源智控站外部設置光伏組件獲取太陽能，但能源智控站的占地面積較小，而且清潔能源系統為非必要系統，因此在選用清潔能源系統時應充分考慮實際情況。

1.2.5 電能質量控制系統

供電系統在正常工作的情況下，不中斷和干擾用戶使用電力的特性被稱為電能質量。由于高速公路供電系統線路、設備的損耗，為保證電能質量需設置質量控制系統，從而使供電系統的輸入電壓、功率因數等滿足使用要求。電能質量控制系統通過無功補償進行電能質量的控制，利用靜止無功發生器控制系統側的電流，并通過靜態同步補償器、靜止無功補償器等實現對于供電系統的無功補償[3]，為對電流質量敏感的高速公路機電設備提供穩定、可靠的電能。

2 智能鏈式網供電系統的布設

智能鏈式網供電系統的布置方式示意圖如圖1所示。

圖1 智能鏈式網供電系統布設示意圖

2.1 布置方式簡述

各個高壓電源點通過高壓斷路器接入母線，總協調控制單元也與母線連接，將電能引入各個高壓配電室，每個高壓配電室母線之間設置連接開關，電能經高壓配電室流入交流變壓器并進入能源智控站，每個高壓配電室對應一個變壓器，且每個變壓器對應一個能源智控站，站間設置斷路開關，電能經能源智控站處理后提供高速公路機電設備的用電負荷。

2.2 布設要點

（1）布設智能鏈式網供電系統時，首先要注意高壓電源點供電方式的選擇。供電方式主要分為交流供電、直流供電，其中交流供電方式相較于直流供電方式，其建站的造價低廉，且升降壓方便，電能調配性好，但發生故障的頻率較高，其線路內存在電容電流，容易引起損耗；而直流供電方式當輸送的功率相同時，線路、線路架空桿簡單，可以使同等絕緣水平的電纜運行于較高的電壓之下，功率、能量損耗較小，且具有較強的抗干擾能力，其缺點為直流輸電所需的換流站對比交流供電的變電所成本較高，且直流輸電中起到整流和逆變作用的換流裝置在運行過程中需要大量的無功補償。綜合對比兩種供電方式，本智能鏈式網供電系統選擇高壓交流供電方式。

（2）其次是供電電壓等級的選擇、高壓交流電源點之間距離的把控。現階段大部分區域的供電等級為35 kV、10 kV[4]，電壓等級的選擇應考慮容量問題，其次需要綜合考慮造價、用電費用以及電壓等級可靠性。35 kV變電站的造價相較于10 kV變電站更加昂貴，但是其用電費用相對較小、可靠性較高。高速公路機電設備主要通過各設備的結合保障車輛的安全行駛，例如通信、監控、收費、照明等系統設備，因此在有條件的情況下，應選擇具有較高可靠性的35 kV供電等級，從而保證高速公路機電設備用電的穩定性。

高壓交流電源點之間距離取決于電能輸送的容量和輸送線路使用電纜的線徑，在電纜的線徑具有充足的裕量時，電能輸送的容量越大，其供電半徑越小。為保證供電的穩定性，高壓交流電源點之間距離應小于其供電半徑，即間距越小，供電穩定性越高[5]。經調查，高速公路機電設備所需的電能輸送容量為2～15 MVA，以電壓等級為35 kV為例，其供電半徑為20～50 km，當電壓等級為10 kV時，其供電半徑為10～25 km，則當本系統選用35 kV高壓電源點時，兩個電源點間距應控制在30 km以內，而選用10 kV高壓電源點時則應將間距控制在15 km內。如選用35 kV高壓電源點，在將電能引入能源智控站時，應由交流變壓器將35 kV電能降壓至0.4 kV交流電。

（3）最后為能源智控站布設數量的確定和總協調控制單元的布設。能源智控站布設時，站間距離控制在500 m左右為宜，因此可根據選擇的電壓等級確定供電半徑，結合能源智控站間距可確定布設數量。以35 kV高壓電源點為例，其供電半徑設定為30 km，則所需布設的能源智控站數量為60個。針對總協調控制單元的布設，由于本系統中通過無線網絡進行通信，因此在布設總協調控制單元時應綜合考慮布設位置的信號強度、信號遮擋情況和造價、控制靈敏度等，從而確定布設的數量，在信號良好、造價可接受的條件下，每6～10個高壓電源點可選擇布設一個總協調控制單元，總協調控制單元的布設位置在其控制的高壓電源點500 m范圍內為宜。

3 智能鏈式網供電系統的運行方式

在日常運行中，實時監測智能鏈式網供電系統的運行狀態，首先由總協調控制單元檢測供電系統中高壓交流電源點的狀態，檢查除能源智控站之外的供電系統的主要設備運行狀態，判斷是否存在故障，當檢查發現出現故障時，通過配電網的控制中心進行網絡連接，確定出現故障設備的故障原因、故障位置等，并上報維修。

當檢查正常時，則總協調控制單元與分布式智能終端進行通信，當兩者間通信發生異常時，則可以確定能源智控站的位置，并上報維修；當兩者間通信正常時，由分布式智能終端對實時采集的能源智控站運行數據進行邊緣計算，分析能源智控站中的設備是否存在異常狀態。

當計算分析無異常情況后，智能終端可自主對能源智控站中設備的運行進行調節，使其協調運行，并通過電能質量控制系統保證用電負荷的供電質量。調節的數據信息還需上報至總協調控制單元，總協調控制單元作為智能鏈式網供電系統中的主站，對比能源智控站具有最高的優先級，所有的調整數據、信息策略等都需要傳輸至總協調控制單元，由總協調控制單元協調所有能源智控站的運行。

當計算分析后發現存在異常情況且無法自我調節后，智能終端向總協調控制單元上報故障的能源智控站，總協調控制單元下達控制指令，通過控制能源智控站中的智能斷路器切斷報障的能源智控站的電力供應。切斷主要的電力供應后，能源智控站的能量來源為其自身的能量儲存系統，利用能量儲存系統作為保證能源智控站運行的備用電源，為開關、斷路器的控制以及信息交流系統提供能量。

當啟用備用電源后，需要對故障能源智控站對應的用電負荷提供應急電能，由于各個能源智控站中的能量路由器相互連接，但母聯開關一般處于斷開狀態，為保證用電負荷，控制切斷電力供應的能源智控站中的能量路由器母聯開關閉合，利用切斷電力供應的能源智控站兩側的能源智控站，通過能量路由器實現能量互濟，從而為故障能源智控站對應的用電負荷提供應急電能。

故障檢修維護完畢后，斷開能源智控站備用電源的供能，同時斷開能量路由器母聯開關，恢復能源智控站的電力供應，至此完成系統智能供電的一次運行循環。

4 結語

綜上所述，智能鏈式網供電技術可以解決高速公路機電設備供電技術智能化調控水平低、質量控制情況差的問題，該技術順應了電網發展的趨勢，為后期高速公路機電設備供電技術朝著智能化、物聯化方向發展及延伸提供了良好的技術基礎，具有一定的推廣應用價值。