遠距離供電技術在公路工程項目中的應用研究

秦慶飛

（中交一公局集團第七工程有限公司，河南 鄭州 451450）

0 引 言

自1971-2001年，我國交通部門的能源消費以每年9.3%的速度增長，2001-2015年增長速度激增為23.1%。同時，我國交通行業的能源供給系統仍延續著90年代的技術體系，其基本目標是滿足有限負載的電力供給需求，然而面對現階段管理與服務需求，卻存在著一系列行業關鍵技術難題。（1）能源設施信息化、智能化水平低；（2）能源供給設施建設與運營成本高；（3）能源傳輸消耗大，能源利用率低；（4）電能質量差；（5）能源故障導致關鍵設備損壞，從而造成重大交通安全隱患；（6）能源管理的手段單一，管理水平低。

基于此，引出了一種帶載能力強、傳輸距離遠、供電質量穩定、供電電壓可調及自身能耗小的遠程智慧節能供配電系統，通過對供配電系統的按需調節、智能控制，最終達到降低能耗、節約運營費用的目的。

1 遠距離供電技術

1.1 遠距離供電產生的背景

我國早期公路工程配置的用電負載有限，主要集中在收費設施和互通區附近簡單的監控設施，因此從收費站采用電纜直供方案較為方便。隨著我國路網建設的快速發展、出行和管理需求的不斷提高，公路用電負載逐年增多，且質量越來越高。這對供電系統的供電能力及質量提出了更高的要求。

傳統380 V電纜直供技術體系一般供電距離在2 km以內時較為經濟合理。隨著全程監控、重點路段監測、智能路測及車路協同等設施的建設，供電距離少為4～5 km，多則超過20 km，特別是在西北、東北等偏遠地區，互通間距可達到30 km以上。

為保證長距離供電遠端設備的供電電壓，經常采用增大電纜截面積的辦法來提高供電能力。但是此方法在提高供電能力時，也會極大地增加建設成本和線損[1]，且末端供電質量差，易損壞用電設備。

傳統的供電技術體系已經無法適應交通行業的發展需求，故遠距離供電系統應運而生，并因其自身的安全、節能、智能及經濟等技術優勢而快速在工程中得以推廣應用。

1.2 現有供電方案簡介

在公路工程供電方案中，除380 V電纜直供方案外，常用的供電技術主要有660 V小升壓供電方案、10 kV供電方案、風光互補供電方案及遠程供電方案，每種供電方案適用環境略有不同。

（1）660 V升降壓供電方案

660 V升降壓供電方案即在變電所設置升壓變壓器，將380 V升壓至660 V，傳送至負載較集中的位置，再通過降壓變壓器降壓至380 V向附近的負載供電[1]，如圖1所示。

此供配電系統相當于對低壓380 V供電系統進行了一定程度的升級，在傳輸距離和供電能力方面有所提高，但供電能力仍有限，且仍延續著傳統的供電技術體系。

（2）10 kV供電方案

高壓10 kV間接供電方案即從變電所高壓柜引出10 kV電壓傳輸至負載較集中的位置，通過變電箱變壓至380 V向附近的負載供電[1]，如圖2所示。

此供配電系統雖能夠滿足長距離供電需求，供電能力較強，但所需供電電纜和設備耐壓等級要求高，導致造價成本較高。此外，由于10 kV電壓通過變壓器降壓為380 V后，還需要通過電纜傳輸至附近用電點，因此需要敷設10 kV等級和1 kV等級兩條電纜，造成電纜重復敷設[1]。

（3）風光互補供電方案

風光互補供電方案是在近年來新能源開發利用的形勢下產生的一種供電方案，即在風能或太陽能較為充沛的地方使用風能、太陽能或兩者互補方式進行發電，為用電負載供電，如圖3所示。

圖1 660 V升降壓供電方案

圖2 高壓10kV間接供電方案系統圖

圖3 風光互補供電方案系統圖

風光互補供電系統的最大優勢在于能夠充分利用清潔能源，但其受天氣環境條件的影響及后期運維成為了制約其發展的主要因素。

外場監控設備傳輸主要采用工業以太光環網，不穩定的風光互補供電如果造成個別設備點因電源缺失而掉線，將會對整個環網造成非常大的影響，其余正常供電的設備信號也極有可能無法正常傳輸至監控中心。

（4）遠程供電方案

遠程供電方案是近年來隨著公路工程供電距離和負載容量的不斷增加而產生的，由先進的物聯、感知技術為基礎，以智能電網為控制手段的新一代能源供給技術[2]。

采用三相380 V輸入，通過上位機輸出單相（660 V～10 kV可選）電壓。通過電纜將電力輸送到各用電點。在用電點（一個、多個或串型用電點）再通過下位機將傳輸電壓轉變為380 V/220 V電壓向負載供電[2]，如圖4所示。

遠程供電方案因其自身的供電能力、安全性、節能性及智能化等特點被交通行業快速認可，并得以推廣應用。

1.3 多種供電方案之間的對比

無論是傳統的低壓供電、高壓供電還是新興的風光互補及遠程供電方案，都承載著交通行業供電重任，但每種供電方案在經濟、節能及使用效率等方面都存在較大的差異（見表1）。

2 遠距離供電系統介紹

目前，公路工程遠距離供電主要有交流遠供系統和直流遠供系統兩種方式。

2.1 交流遠距離供電系統

交流供電系統是以能源互聯網為基礎的新一代能源供給技術，由上位機組、下位機群、供電與通信網絡及管控平臺組成，形成了分布式的智能電源管控系統[2]。

交流供電系統供電核心技術主要是在上位機處，其供電原理是將380 V市電整流逆變成單相交流電傳輸，在下位機處將傳輸電壓降至220 V為用電負載供電，供電原理如圖5所示。

圖4 遠距離供電系統

表1 不同供電方案對比表

2.2 直流遠距離供電系統

與交流供電系統相比，直流供電系統同樣存在整流過程、逆變過程。直流供電系統的整流模塊在上位機，即經上位機將380 V市電整流成直流傳輸，而逆變模塊在下位機，即在下位機處再經逆變模塊將直流逆變成交流電為用電負載供電，其原理如圖6所示。

圖5 交流供電系統原理圖

圖6 直流供電系統原理圖

2.3 交、直流遠距離供電方案對比

由于交流電與直流電存在著本質的區別，同時考慮交通行業應用的特定環境，導致交流遠距離供電系統和直流遠距離供電系統在使用性能、經濟性等方面存在較大的差異，具體如表2所示。

3 遠距離供電的應用亮點

遠距離供電系統與傳統供配電系統相比，除滿足用電負載供電需求外，還可以大幅度提高安全性、穩定性及節能性等，技術優勢較為明顯，具體表現在如下幾個方面。

3.1 遠距離供電能力

遠距離供電系統采用逆變模塊并聯、無主均流工作方式，實現遠距離、大功率帶載能力，單機容量可達1 000 kW，單方向供電距離可達到25 km，適用于公路工程的多種用電場景。

3.2 安全可靠

（1）高效電能質量優化技術提供優質純凈電能，減少惡劣的電能質量對機電設施性能的影響，保障設備安全運行。

（2）精細化智能感知、互聯，實時監控設備運行狀況，降低用電設備故障帶來的安全隱患[2]。

表2 交、直流供電方案對比

（3）電網與用電設備相互隔離，主控單元實時監控系統絕緣狀況，確保用電設備和人身的安全。

3.3 節能環保

（1）系統在額定工作狀態下，功率因數大于0.95，大大降低無功損耗。

（2）系統采用單相遠距離供電技術，減少電纜芯數和線徑，降低線損。

（3）系統自身能耗較小，且可降低空載能耗。

3.4 遠程監控

（1）系統集成監控模塊與通信模塊通過供電網絡與通信網絡實現各個設備間的能源與信息的互聯互通。

（2）智能感知、調壓及三級遠程調控，管控靈活。

（3）資產數字化管理，實現智能化運維養護。

3.5 降低成本

（1）一次配電，減少無功損耗，節約線路成本和用電成本。

（2）電纜采用2芯纜，且電纜線徑較細，大大節省建設成本。

4 應用前景

4.1 應用領域

遠距離供電系統是時代發展的產物，實現了信息化與實體的深度融合，可大大提高能源的利用率，提高供給質量和效率，不但滿足公路行業的發展需求，還能更好地滿足多個行業能源消耗的日益增長、不斷升級及個性化的需求。

4.2 技術發展趨勢

隨著“互聯網+”的蓬勃發展，智慧化成為交通運輸系統的顯著特征。交通智能化、信息化技術的廣泛應用，使交通運輸系統已物理成網、信息成網、服務成網，交通用能供給系統必將成網，能源成網勢在必行。

交通運輸行業迫切需要一種智能化、物聯化、高質量及高效率的能源供給技術來促進“互聯網+”的蓬勃發展。而遠程供電系統正是能源網的雛形，對后期能源的智能化、網聯化、管理、監測及凈化等方面的進一步延伸奠定了技術基礎。

5 結 論

遠距離供電系統切實解決了大范圍分布式供電的難題，在建設成本和節能方面具有技術優勢，其網絡化的管理功能順應了電網發展的趨勢，在很多機電工程施工領域具有廣闊應用前景，值得更深入地研究和推廣。