高壓直流供電在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)作為一種能夠輔助高速公路相關(guān)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(guān)管理運營單位的重視。高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)具有公路沿線外場設(shè)備多，供電點分散、供電負(fù)荷小、供電傳輸距離遠(yuǎn)的特點。高壓直流供電方式相對其他供電方式在安全性、穩(wěn)定性以及建設(shè)成本方面有一定優(yōu)勢，能一定程度上緩解交流供電方式、風(fēng)光供電方式所建供電系統(tǒng)面臨的建設(shè)運營問題。

關(guān)鍵詞：高速公路；全程監(jiān)控；直流供電；交流供電；風(fēng)光供電

中圖分類號：TM563.1 文獻(xiàn)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(fā)展態(tài)勢為我國經(jīng)濟(jì)、社會的迅速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展所帶來的高速公路事故頻發(fā)、擁堵嚴(yán)重等問題阻礙著高速公路作用的發(fā)揮。高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)作為一種能夠輔助高速公路相關(guān)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(guān)管理運營單位的重視。

高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝像機(jī)、可變信息標(biāo)志、氣象環(huán)境檢測器、車輛檢測器等外場設(shè)備構(gòu)成，這些設(shè)備的實際運行效果決定了全程監(jiān)控系統(tǒng)效用的發(fā)揮，而這些設(shè)備能夠正常運行的基礎(chǔ)條件之一就是穩(wěn)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(jiān)控系統(tǒng)具有公路沿線設(shè)備多，供電點分散、供電負(fù)荷小、傳輸距離遠(yuǎn)的特點。如何根據(jù)結(jié)合高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)的供配電需求特點以及實際的設(shè)備運行環(huán)境，設(shè)計采用合理的外場設(shè)備供配電方式保證系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)外場設(shè)備供電方式主要有交流供電、風(fēng)光互補(bǔ)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(shè)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(shè)備，通常采用低壓直接輸送的方式供電。當(dāng)供電距離超過10km時，需通過高速公路設(shè)置的變電站等變壓設(shè)備，將電壓升至6～10kV，利用電力電纜傳輸?shù)酵鈭鲈O(shè)備側(cè)，再通過降壓埋地式變壓器等降壓設(shè)備變換至220V電源，實現(xiàn)外場設(shè)備的供電需要。

2.風(fēng)光供電方式

風(fēng)光供電方式是指在外場設(shè)備旁配置風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電與太陽能結(jié)合的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)。主要由小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(gòu)成，其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池板能夠?qū)L(fēng)能和太陽能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娤蛲鈭鲇秒娫O(shè)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(nèi)基礎(chǔ)電源（AC220V/AC380V/DC48V）取電，經(jīng)過局端設(shè)備轉(zhuǎn)換升壓，將電源局端設(shè)備隔離升壓到200-400V，再將直流高壓電通過傳輸線纜傳輸?shù)竭h(yuǎn)端設(shè)備處，傳輸過程中電源處于對地懸浮狀態(tài)，通過遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行電壓逆變，將直流高壓變換成遠(yuǎn)端設(shè)備所需電壓等級（如DC48V/AC220V），最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)用電設(shè)備的正常供電。

高壓直流供電系統(tǒng)由配電室設(shè)備、傳輸線纜以及用電負(fù)載三部分構(gòu)成，配電室設(shè)備配電室設(shè)備包括基礎(chǔ)電源系統(tǒng)（﹣48V基礎(chǔ)電源和220V交流市電）以及局端設(shè)備。傳輸線纜可以使用電纜或者復(fù)合光纜。負(fù)載設(shè)備包括DC/DC變換器、DC/AC逆變器以及外場用電設(shè)備。系統(tǒng)工作時，會在配電室將直流﹣48V基礎(chǔ)電源或交流220V市電升壓轉(zhuǎn)換為直流280V（±140V）后，通過電纜或復(fù)合光纜將電能傳輸至外場用電設(shè)備側(cè)，可以直接為具有整流功能的交流220V用電設(shè)備供電，或經(jīng)DC/DC變換后為各種直流用電設(shè)備（5V/12V/24V）供電，或經(jīng)DC/AC逆變器變換后為各種交流用電設(shè)備供電。如果用電設(shè)備電壓需要為﹣48V時，則可以直接由配電室的﹣48V基礎(chǔ)電源通過電纜或復(fù)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(jiān)控系統(tǒng)各供電方案的工作特性：安全性與穩(wěn)定性以及各供電方案的投資、使用、維護(hù)成本。

1.安全性

直流供電方式局端發(fā)送設(shè)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(shè)備處，即使有一極被人或動物觸碰或發(fā)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(shè)備損壞，直流供電方式的電氣隔離使得外場設(shè)備在遭受雷擊時僅能影響到遭受雷擊的設(shè)備，不會導(dǎo)致其他外場設(shè)備的遠(yuǎn)端接收設(shè)備與局端發(fā)送設(shè)備的故障，防雷效果更好。綜上，直流供電方式的應(yīng)用安全性更高。

相對于交流供電系統(tǒng)，風(fēng)光供電系統(tǒng)有施工簡單、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、清潔環(huán)保的特點，但風(fēng)光供電對建設(shè)運營環(huán)境要求較高，在風(fēng)力資源或太陽能資源較為豐富的地區(qū)，該供電方式較為適用，對于存在長時間陰雨天氣的地區(qū)，該供電方式無法保證外場用電設(shè)備的供電需要。同時，風(fēng)光供電系統(tǒng)中的蓄電池組對運行環(huán)境敏感，且每3-5年需更換新電池，維護(hù)量大、使用成本較高。

2.穩(wěn)定性

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

由于直流供電系統(tǒng)局端發(fā)送設(shè)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(wěn)定的直流輸出電壓，并且能夠隔離電網(wǎng)對外場設(shè)備的浪涌干擾；同時，AC-DC變換模塊容易實現(xiàn)“N+1”冗余并聯(lián)形式以備份系統(tǒng)，使得供電傳輸過程中，供電區(qū)段局部發(fā)生市電停電或者單個AC/DC變換模塊出現(xiàn)故障時，并不會影響整個系統(tǒng)的正常供電，有效的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)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(jī)冗余技術(shù)要求高、實現(xiàn)復(fù)雜，即使采用UPS方案來提高穩(wěn)定性，整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性仍相比直流供電方式低。同時，高壓交流強(qiáng)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(yuǎn)供的傳輸質(zhì)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(yuǎn)；另外，直流遠(yuǎn)供線纜傳輸時，介質(zhì)損耗、電磁感應(yīng)損耗和電磁干擾小，電磁兼容性好。加之，質(zhì)量遠(yuǎn)供線纜傳輸絕緣電壓相對較低，符合目前國家提出的節(jié)能降耗和環(huán)保要求，屬于綠色環(huán)保供電方案。因此，直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)更能體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

3.經(jīng)濟(jì)性

為了全面對比各種供電方式的經(jīng)濟(jì)性，本文從投資成本、使用成本和維護(hù)成本三部分來分析各種供電方式的經(jīng)濟(jì)特點。

（1）投資成本

本文所分析的投資成本主要為供電系統(tǒng)所包含設(shè)備成本、線纜成本與施工成本。

高壓直流供電方式的局端、遠(yuǎn)端設(shè)備建設(shè)投資成本較高，功率為1.5kw局端模塊單價約在2萬，遠(yuǎn)端模塊的單價約在5000元。而風(fēng)光供電設(shè)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(dá)到同等傳輸效率所需要的電纜截面積相對較小，例如：當(dāng)采用400V直流供電電壓時，達(dá)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(shè)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(cè)挖溝直埋方式單獨進(jìn)行管道施工開挖敷設(shè)，會一定程度上增加建設(shè)成本。而直流供電方式則無需另行開挖埋深、鋪設(shè)管道，可采用氣吹法直接敷設(shè)在通信管道中，同時，由于電纜可布設(shè)在通信管道內(nèi)，可以選用無鋼帶的普通電纜，相比交流供電方式可節(jié)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(shè)置一個200W的負(fù)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(tǒng)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(shè)備估計為2.5萬，遠(yuǎn)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(fēng)光系統(tǒng)為綠色環(huán)保的供電形式，因而使用過程中不會產(chǎn)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(hù)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(cè)重新進(jìn)行開挖深埋、鋪設(shè)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(fēng)險。同時，直流供電方式采用遠(yuǎn)程供電模式，蓄電池可以設(shè)置在環(huán)境相對較好的機(jī)房內(nèi)，相比交流供電方式與風(fēng)光供電方式中蓄電池的安裝環(huán)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(hù)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(yuǎn)端設(shè)備有些復(fù)雜，在交流負(fù)載的情況下，還要配置DC-AC逆變器；

（2）限于現(xiàn)有的產(chǎn)品性能情況，局端設(shè)備輸出功率比交流遠(yuǎn)供系統(tǒng)要低，故要提供同樣的輸出功率，局端設(shè)備會復(fù)雜一些；

（3）受到局端設(shè)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(dāng)供電距離較遠(yuǎn)時，耍增加中繼設(shè)備。會增加建設(shè)投資的成本。我國現(xiàn)有高速公路的實際供電段基本會小于10km，在外場用電設(shè)備用電負(fù)荷小的情況下，直流供電方式具有較好的經(jīng)濟(jì)管理效益。

四、結(jié)語

高速公路全程監(jiān)控的正常運行能夠有效的提升高速公路服務(wù)管理水平，其供電方式選擇對其效用發(fā)發(fā)揮有重要的影響作用，不同供電方式在安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)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(jié)省投資、施工簡單、供電穩(wěn)定的優(yōu)勢，相對于風(fēng)光供電方式，直流供電方式具有供電穩(wěn)定、維護(hù)量小優(yōu)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(fēng)光供電方式所建供電系統(tǒng)面臨的建設(shè)運營問題。

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作者簡介：鮑東玉（1978-），女，陜西西安人，工程師，本科。