虎門二橋分布式智慧節能供電系統的構建和實施

凌思威

（廣東省公路建設有限公司灣區特大橋養護技術中心,廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著我國高速公路總里程數的快速增加，相應設施設備的種類和數量明顯增多，也對與之配套的配電網的可靠性和安全性提出了更高要求[1]。在高速公路的眾多附屬系統中，監控系統和照明系統是重要的組成部分，是保障高速公路正常運營、高效管理的重要輔助系統[2]。如今，隨著信息化技術的全面推廣和應用，供電系統已經不再單一地向末端設備提供電能，而是要滿足不同負荷類型的供電需求，需要配置更為智能化的設施設備[3-4]。

高速公路供配電系統造價在機電系統中占有很大比例，傳統供電方案普遍存在投資大、施工難、損耗高、能耗大等問題。如今，傳統的供電方案在處理高次諧波、浪涌電流、降低線損和無功功率方面已經很難適應當今電力系統的實際情況。為降低供配電系統造價、提高系統節能水平、提高供電質量，該文提出了分布式智慧節能供電方案，結合相關案例就項目實施的成本、供電質量等技術指標進行對比和分析。

1 傳統供配電方案

高速公路的傳統配電系統一般采用低壓380 V 直接供電方案、高壓10 kV 間接供電方案、風光互補供電方案，具體方案[5]和優缺點如表1 所示。

表1 高速公路傳統供配電方案

整體來看，傳統供電方式的突出的不足之處在于：電纜的使用長度過長、二次配電的情況導致造價成本較高、系統內負載端都需要確保三相平衡、功率因素普遍偏低，供電質量較差，無功損耗較大。

2 分布式智慧節能供電系統

2.1 系統介紹

分布式智慧節能供電系統采用三相380 V、10 kV、6 kV（根據項目具體情況選擇）輸入，通過上端電源柜輸出單相3.3 kV（660~10 kV）電壓，如圖1 所示。通過下端電源箱將3.3 kV電壓轉變為380 V/220 V電壓向負載供電，項目的實際應用情況如圖2 所示。

圖1 分布式智慧節能供電系統方案圖

圖2 系統的上位機和下端電源箱

該系統的主要功能如下：

（1）不間斷供電功能。該系統采用智能功率因數補償技術，功率因數＞0.95，提供±2.5%精度的穩壓，可以抵抗浪涌電流沖擊，諧波分量低，配置蓄電池就可以實現UPS 功能，無需另行配置電容補償器、穩壓器、諧波濾波器、EPS 等設備，降低了建設成本。

（2）智慧供電功能。該系統采用先進的電能數據采集技術和智能電源控制技術，可以實現變頻、軟啟動、調壓、自動開關控制等功能，無需另行配置額外的裝置等設備。

（3）用電大數據能耗監測分析功能。通過對用電瞬態數據進行歸類分析，根據供電對設備沖擊的情況，提前對設備進行檢查檢修，提前進行備品采購，提高設備維修維護效率，提高用電設備的完好率。

（4）上端電源柜多路輸入功能。上端電源柜可以接入多路的市電，若有必要可以加入柴油發電機，更好地保障設備的運行，提高供電的可靠性。

（5）隔離變壓器功能。傳統供電系統需要配置隔離變壓器以防止供電線路對電網的負面影響。智慧節能系統可以通過內部核心處理實現項目的供電線路與外部電網隔離，即可以不再裝備隔離變壓器。

（6）系統功率因數補償功能。高速公路使用的LED燈和情報板等設施均屬于電子型負載，由于負載為脈沖式用電，造成大量無功損耗，功率因數較低。分布式智慧節能供電系統可通過對負荷實時地進行無功補償，提高系統功率因數，降低系統的無功損耗。

（7）LED 電源集中管理功能。據統計，LED 燈具的損害80%是由于電源損害造成，LED 燈整燈壽命一般也取決于電源的壽命。電源的損害和壽命一般取決LED燈電源部分的質量、散熱和供電質量。通過將LED 電源集中在下端電源柜，構建LED 電源集中平臺，向LED燈直流電輸出，以降低LED 電源總造價，提高集中電源的質量和LED 整燈壽命，達到LED 線性智能調光，降低維修成本。

（8）分布式發電設備并網功能。該系統可以允許與風力發電、太陽能光伏發電等分布式發電系統接入，做到自發自用，提高供電的可靠性，減少對市電的依賴程度，具有良好的經濟和環境效益，也可以爭取到項目的國家補貼，減少建設成本的支出。

2.2 系統特點

智慧節能供電系統具有可靠性、穩定性、智能性、節能性等特點。具體體現在以下幾個方面：

分布式智慧節能供電系統中上位機和下位機之間可以通過有效的通訊，上位機擁有對下位機任意回路的調壓和開關等控制能力，有效地實現消除高次諧波、抵御市電浪涌電流、輸出穩定的電壓、保護用電設備的安全。在光照條件較好或者車流量較小時，可以通過控制燈光的亮度，減少燈具的用電量，從而實現節能的效果。

在節能方面，分布式智慧節能供電系統通過上位機的處理，將功率因數綜合提高至0.95，從而降低無功損耗，節能效果明顯。對于提高高速公路系統的能源利用效率和減少能源消耗具有重要意義。

綜上所述，分布式智慧節能供電系統通過上位機的處理和上下位機之間的智能通信，可以實現對電力供應的精確控制和監測，從而提高電力設備的安全性和使用壽命，并實現節能效果。

3 案例分析

該項目依托廣東省虎門二橋進行項目的試驗研究。廣龍高速南沙大橋（虎門二橋）段是粵港澳大灣區核心位置的重要東西向過江通道，起于廣州市南沙區東涌鎮，順接國道主干線廣州繞城公路南段，同時與廣珠北線高速公路連接，經廣州市南沙區、番禺區，并先后跨越大沙水道、海鷗島、坭洲水道后，進入東莞市沙田鎮，終點順接莞番高速公路，并與廣深沿江高速公路連接。路段全長12.89 km，雙向8 車道，設計行車速度100 km/h，設計使用壽命100 年。主線全部由橋梁組成，包含特大橋6 座、大橋4 座。全線設有收費站一座、立交三座（東涌互通、海鷗島互通、沙田互通），有互通匝道橋26 座，匝道總長15.31 km。針對項目特點提出了基于物聯網技術的公路智慧型節能供配電系統，對供電電纜、用電質量、穩壓情況等進行了優化，并提高了系統功率因數，實現了電源的智能通信和控制。

3.1 傳統方案和智能方案

3.1.1 原方案

在沙田管理中心海鷗島收費站分別設置一處10/0.4 kV變電所，在沿線大橋上共設置10 kV/0.4 kV 埋地式變壓器19 座，其中下行線路燈埋地式變壓器6 座，景觀照明埋地式變壓器共4 座，樞紐互通埋地式變壓器3 座。埋地式變壓器的10 kV 供電電源均有設在沙田管理中心的變電站供給。在項目終點沙田樞紐互通處引入雙路10 kV外電，上下行方向通長敷設10 kV 電纜，將沿線埋地式變壓器、箱式變電站、變電所串聯。

3.1.2 智慧節能供電方案

該方案保留原方案的10 kV 母線回路，將智慧供電的上端電源柜設置在原方案埋地變位置處，直接由10 kV進線，將原設計中除景觀照明埋地變為所有埋地變。由智慧供電上端電源柜出線單相1 kV 電壓回路為沿線路燈照明、互通照明、監控設備供電，同時智慧供電上端電源柜出線三相380 V電壓回路為沿線索塔照明、箱梁照明、錨碇照明、檢修插座供電，原景觀照明仍由原景觀埋地變供電。

智慧供電方案的路燈照明、互通區照明和監控設備干線傳輸電壓為1 kV，沿線每五盞路燈設置一套下端電源柜為路燈和監控設備供電。

3.2 方案綜合對比

3.2.1 工程造價

據核算傳統方案工程量造價大概為809 萬元，智慧供電造價估算約為750 萬元，綜合對比節省造價約59 萬元左右，節省比例為7.2%。

3.2.2 電纜

原供電設計方案采用YJV22-1 kV-4×16 mm2電纜為遠端的負載供電，由于采用三相供電，需要考慮三相平衡問題，而且線徑較大。

智慧節能供電方案通過對供電形式的優化，僅使用YJV22-3.3 kV-2×4 mm2的電纜即可滿足要求。不僅降低了電纜的截面積和芯數，并且無需三相平衡。

3.2.3 功率因數

通過實際測量，傳統供電方案下情報板的功率因數僅為0.657；而通過智慧節能供電系統進行補償后，系統的功率因數為0.958。

3.2.4 提高供電質量

國標《電能質量供電電壓允許偏差》（GB12325—90）中規定，10 kV 及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%，而公路市電電壓波動范圍常在±20%，如額定電壓380 V，實際電壓常在310~450 V 之間波動。分布式智慧節能供電系統通過處理，輸出電壓偏差范圍為±2.5 V。因此智慧供電提高供電質量遠超過30%。整體來看，分布式方案在供電質量優化效果明顯，上位機帶有浪涌抑制、諧波治理、穩壓等功能，減少沖擊電流對設備電源的影響，提高設備使用壽命。

3.2.5 年耗電量

根據實際耗電量統計，傳統供電方案耗電量為13 300 kW·h/年，智慧節能供電方案耗電量為9 100 kW·h/年。

3.2.6 后期維護運行方面

傳統方案在維護燈具時需要上路排查，10 kV 箱變不可斷開，維護較困難。分布式智慧方案的主要優勢體現：上位機采用模塊化設計，模塊支持熱插拔，將故障模塊拔出，插入備用模塊，可自動識別工作，且不影響其他處理模塊。下位機可靠性高，可連續無人值守工作，可以通過單燈監測，實現故障精確定位，減少排查難度。

3.3 創新性分析

該項目的技術創新性可歸納為以下幾點：

高可靠性的供電系統，同功能模塊互為備份，冗余配置，并采用無主從工作模式，任意一個模塊出現故障，其他同功能模塊可迅速切入工作，保證設備高可靠性。

動態監測。在不額外增加電力監控系統的基礎上，實現全部電力監控功能，可以采集供電系統中所有節點的電力參數，實現對高速公路供電系統的精細化管理。

智能控制。實現了上下位機間智能通信和控制，體現智慧公路的價值。

穩壓系統。系統使用后可以避免市電小范圍波動對設備的負面影響，消除電網電壓瞬間閃變對用戶側的沖擊，在消除高次諧波、過濾噪音、防止浪涌電流方面效果十分明顯，利于設備的安全，延長設備壽命。

綜上所述，該智能供電系統的應用，實現了高速公路精細化、智能化管理，并提供了高可靠、高質量的電力輸送網絡。

4 結語

綜上所述，分布式智慧節能供電系統可以明顯地節約工程造價、提高供電質量和應用效果，并通過上位機監視用電設備狀態，進行實時控制，實現系統的人性化控制。該方案在解決提高功率因素、降低線損、處理高次諧波、解決中長距離外場監控設備和照明設備的用電問題方面有明顯優勢。總之，分布式智慧節能供電系統是一種很好的解決方案。