探析分布式智慧供配電系統在取消高速公路省界收費站中的應用

王曙琿

（廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理中心 廣東廣州 510030）

1 項目背景

河（源）惠（州）東（莞）高速公路龍川至紫金段路線全長約為151.9km，起點（K0+060）位于廣東省龍川縣上坪鎮與江西省定南縣鵝公鎮之間兩省省界處，與江西省寧定高速安遠至定南段相接。路線呈南北走向，與梅河高速相交后，在終點（K150+710.6）與汕湛高速紫金連接線相接。是廣東省東部地區的一條南北向重要的出省通道。

取消高速公路省界收費站是黨中央和國務院作出的重大決策部署，實現不停車快捷收費是交通行業發展的需要。河惠莞高速龍紫段原設計12 處收費站，其中1 處為省界收費站。根據取消高速公路省界收費站的要求，該項目取消省界收費站1 處，新建ETC 門架系統28 套。因此需考慮適用于新增ETC 門架的供配電系統，為ETC 門架系統提供安全、優質的電源，確保ETC 門架系統有效、穩定地運行，實現高速公路機電系統智能化管理。為降低供電成本及便于營運維護，下文將對該項目ETC 門架采用分布式智慧供配電系統進行深入地分析。

2 分布式智慧供電系統組成原理

2.1 系統介紹

由臨近市電T 節點引入三相380V（10kV 或6kV 可選）輸入，通過上端電源柜后輸出單相3.3kV（660V～10kV 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）再通過下端電源箱將3.3kV 電壓轉變為380V/220V 電壓向負載供電，如圖1～圖3 所示。

圖1 分布式智慧供電系統

圖2 上位機系統原理

圖3 下位機系統原理

2.2 系統特點

2.2.1 上下位機智能化特點

智慧供配電系統上位機采用多個CPU 組成控制網絡，CPU 之間采用CAN 總線通信，各CPU 協調工作，實現監控、調制、顯示以及通信的模塊化功能。根據CPU 功能，可分為監控CPU、控制CPU、顯示CPU 和通信CPU。下位機含有2～3 個CPU，其主要實現的功能為通信、控制和電能監控，通過CPU 與傳感器之間的協調工作，可以使下位機對單個輸出回路進行調壓、開關控制，而不影響其他輸出回路。

2.2.2 智能通信技術

高速公路用電設備分散，通過負載端的各臺下位機，將負載運行情況和設備自身運行情況進行采集，通過智慧節能供電系統專用傳輸網絡或監控設備數據傳輸網絡，傳輸至上位機進行統一匯總。而上位機也可通過此網絡為下位機發布指令，實現了設備間的雙向通信，使整個供配電網絡更加智能化。

上下位機采用多傳感器、多CPU 的智能化處理，實現自我監控、自我修復、主動控制和按需供電等多種智慧功能，從而實現了供配電系統的由傳統單一供電向智慧節能供電的發展。

3 分布式智慧供配電與傳統供配電系統對比

智慧供配電與傳統供配電方案對比分析：

（1）低壓三相380V 供電方案，供電設施造價較低，后期維護成本較低。但傳輸距離較短（一般為4km），供電能力弱，需要三相平衡，線路成本根據負載情況變化較大。

（2）升降壓三相660V 供配電方案，傳輸距離適中（一般為10km），供電設施造價適中。但長距離供電能力不足，電纜需要重復敷設，需要三相平衡。

（3）中壓三相10kV 供配電方案，供電距離長，供電能力強。但要求供電設施耐壓等級高，造價高，電纜需要重復敷設，需要三相平衡。

傳統的供配電方案存在長距離供電系統存在二次配電的問題，需要大量使用供電電纜，造價昂貴；負載端都需要三相平衡，造成設計和施工難度較為復雜；若未配備無功補償設備，則系統功率因數低，無功損耗大，造成電網的自身損耗高，能耗大；機電設施用電負載中大量的開關電源使得電網的諧波含量高，電能質量差，負載的使用壽命難以得到保證；智能化水平較低，管理者無法對供配電系統進行有效的監管，運營維護的成本高。

4 分布式智慧供配電系統的應用

在取消省界收費站后，河惠莞高速龍紫段項目按ETC 門架選址要求，在該項目主線增設28 套ETC 門架系統。門架系統取電點（收費站、服務區、隧道配電房）按就近原則進行供電，其中省界站至上坪互通段ETC門架選址，詳見表1。

表1

省界ETC 門架系統主要設備構成包括：高清車牌識別儀、全景抓拍攝像機、補光燈、RSU 天線、車道控制器、防火墻（帶防病毒模塊）、以太網交換機、智能室外機柜，用電情況約3kW/處。

4.1 傳統供配電方案供電

省界至上坪互通段門架選址距離仰天堂收費站較遠，供電半徑約5.5km。采用傳統的380V 供電，由上坪互通仰天堂收費站供電，由于供電距離大于4km，無法滿足門架機電設備的正常運轉。如采用中壓10kV 供電，門架周邊無10kV 線路，需從上坪互通附近的10kV 龍川縣供電局業擴配套延長線接電，如圖4 所示。

圖4 10kV 供電方案

表2 中壓三相10kV 供配電方案造價估算

4.2 分布式智慧供電方案

在上坪互通仰天堂收費站配電房增設上位機將電壓升至1kV，然后在分別在K9+320、K11+465/K11+400、K12+380ETC 門架附近（考慮外場監控設備）增設下位機，通過中壓電纜傳輸至下位機，下位機將電壓降至0.4kV，給ETC 門架及外場監控設備供電，如圖5、圖6 所示。

圖5 分布式智慧供電方案

圖6 分布式智慧供電系統

表3 分布式智慧供配電方案造價估算

4.3 方案對比

4.3.1 建設期

（1）工程造價方面，根據上述方案分析對比，省界至上坪互通段ETC門架采用分布式智慧供電比傳統中壓10kV 供電節省造價約60%；

（2）施工方面，分布式智慧供電路徑可沿高速公路主線路肩布置，施工受外界因素影響甚少，而傳統中壓10kV 供電施工難度大，受限因素多，如用電設備周邊有無合適的T 接點、10kV 線路架設路由受征地拆遷影響等都制約著施工進度。

4.3.2 運營期

（1）用電成本，省界至上坪互通段ETC 門架每年用電總量為10.4 萬度電。采用分布式智慧供配電，用電有功因數可以達到0.95 以上，△P%=有功功率損耗比傳統供電降低45.7%，即每年節約電量約為10.4×45.7%=4.75 萬度電。

（2）設備維護，分布式智慧供配電能實現電力監控功能，并可對供電系統每一個節點的電力參數進行采集分析，實現高速公路精細化管理，且避免了市電小范圍波動對設備的影響，同時可消除電網電壓瞬間閃變對用戶側的沖擊，消除高次諧波，過濾噪音，防止浪涌電流危害用電設備，保護設備安全及穩定運行，延長設備使用壽命。

（3）其他，智慧供配電與傳統供配電系統相比對養護人員的專業水平要求更高。

4.3.3 不足與改進建議

通過上述分析，在超長距離終端供電案例中分布式智慧供配電與傳統供配電相比較優勢顯著，但分布式智慧供配電通過等位線圈進行變壓傳輸，在變壓過程中，上下位機設備會產生大量的熱量，存在設備體積小，散熱慢的問題，在實際使用中由于設備及場地的限制，一般情況下，下位機通常為露天安裝，長時間的發熱容易影響終端設備運轉。建議增加下位機散熱設施及遠程溫度告警系統，實現實時監控，當設備出現異常時能及時通知養護人員到達現場進行設備維護。

5 結語

智慧交通是我國交通行業發展的趨勢，河惠莞項目龍紫段在取消省界收費站中，部分ETC 門架采用分布式智慧供配電方案，很好地解決了傳統式終端超長距離供電存在的供電質量差、工程造價高、施工難度大、系統安全穩定性差、耗能大等問題。為高速公路建設實現智能化、節能化提供了參考。