高速公路供電方案的研究探討

李明霞

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著無人駕駛、車路協同、全程監控等技術在智慧化高速公路中的應用，越來越多的機電設備、監控設備、信息化設備投入到高速公路運營中，供電方式由原來的服務區、收費站等集中站點式供電變為全程帶狀式供電，而且對供電的質量和可靠性方面的要求也越來越高。同時，結合國家碳達峰碳中和的戰略目標和綠色高速的發展理念，傳統高速公路的供電系統方案已不能滿足智慧高速、綠色高速的發展需求。目前高速公路需要的是一種傳輸距離遠、供電能力強、電能質量高、系統損耗小的智慧節能型供配電系統。

1 高速公路的用電需求分析

1.1 高速公路增設的用電設施和設備

目前，越來越多的高速公路都增設了以下設施/設備：

a）智能感知設備 全程視頻監控、交通流感知、交通事件感知、交通環境感知和基礎設施監測等。

b)智能安全設施 智能護欄、電子標志標線、智能信息提示和匝道控制系統等。

c）智慧行駛設施 實現車路協同等。

d）智慧服務設施 智慧路燈、智慧廁所、智慧充電樁等。

e）智慧管理/養護設施 消冰融雪系統等。

隨著高速公路智慧化等級的提高，必將有更多的智能設施/設備應用在新建或改建的高速公路中，這些以電能驅動的智能設施/設備，使得高速公路的運營對電能的依賴程度越來越高。

1.2 高速公路用電負載特點

目前已實施的標準規范中，交通行業只有《高速公路交通工程及沿線設施設計通用規范》（JTG D80—2006）對交通工程及沿線設施用電設備的電力負荷等級做了具體的規定，除主要附屬設施的消防設備、監控、收費和通信系統的報警裝置及管理中心和綜合服務樓的照明設施為二級以上負荷外，其余均為三級負荷[1]。其中對于因智慧高速建設而增設機電設施的用電負荷等級尚未有具體規定。而依據《供配電設計規范》（GB 50052—2009）的相關條文，電力負荷等級的劃定主要根據用電設備對供電可靠性的要求及中斷供電可能造成的影響程度[2]，那么結合智慧高速公路需要實現的功能，對實現公路智慧化而設置的各類用電負荷等級，至少應設定為二級負荷，其中部分重要供電項目（如車路協同、無人駕駛等），用電負荷應確定為一級負荷。

2 現有高速公路供電系統簡介

目前,我國高速公路常見的供電方案有以下幾種：低壓（380 V/220 V）直接供電、高壓（10 kV）間接供電、660 V升降壓供電、風光互補供電以及分布式遠距離供電等[3]。

2.1 低壓（380 V/220 V）直接供電

該方案是從變電站（所）的低壓配電柜引出380 V電壓等級的電能，通過低壓線纜將其輸送到負荷中心，向負載直接供電，對供電設施和電纜耐壓等級要求低，不需要進行電壓轉換，系統構成簡單，經濟性好，但供電距離較短，一般不超2 km，是目前高速公路使用最多的一種供電方式。

2.2 高壓（10 kV）間接供電

該方案的電能引自變電站（所）的高壓柜，電壓等級為10 kV（少數為3 kV），通過高壓電纜將其輸送至負荷中心,然后通過變壓器降壓至380 V后，向負載供電。此方案的供電距離和供電能力都優于低壓直接供電方案,但由于存在電壓等級變換，系統結構較復雜，且供電設備和電纜耐壓等級較高，價格較貴，故經濟性低于低壓直接供電方案。

2.3 660 V升降壓供電

該方案是在變電所（或配電室）內先將低壓配電柜中引出的電能由380 V升壓至660 V后，通過線纜輸送至負荷中心，再降壓至380 V后向負載供電。此方案的供電距離、供電能力和經濟性介于上述兩種方案之間。

2.4 風光互補供電方案

該方案是在風能或太陽能較為充沛的地方，將風能或太陽轉化為電能，向負載供電。此方案的優勢在于充分利用了自然資源，有利于環境保護，但其供電能力受環境影響大，后期運維成本較高、系統較不穩定，該方案僅適用于供電可靠性要求不高的負載，多作為補充供電方案。

2.5 分布式遠距離供電方案

該方案是將從低壓配電柜引出的380 V三相電能，經上位機（電源發生器）轉換為（交/直流）單相電，升壓至一定電壓等級進行傳輸，到達用電點后再經過下位機（隔離電源轉換器）降壓為滿足用電設備額定電壓等級的電能供電。此方案采用了先進的感知技術和物聯技術，通過智能電網控制手段，減少了系統損耗，是一種智慧型分布式電能供給系統。方案構成如圖1所示。

圖1 分布式遠距離供電方案構成圖

2.6 各種供電方案之間的比較

以上幾種供電方案在供電距離、供電能力、經濟性及安全性等方面都存在較大的差異，表1分析了其差異性，通過方案對比，為在高速公路用電規劃設計選擇最佳方案。

表1 不同供電方案對比表

由表1可見，分布式遠距離供電方案在供電能力、經濟性、安全性及智能化等方面比其他幾種方案更具優勢，故而其在公路行業的應用越來越廣。

3 分布式遠距離供電系統的原理分析

目前，常用的分布式遠距離供電系統有交流分布式遠距離供電系統（以下簡稱交流遠供系統）和直流分布式遠距離供電系統（以下簡稱直流遠供系統）兩種方式。

3.1 交流遠供系統原理

在變配電室的上位機處將380 V三相交流電整流逆變成單相交流電，升壓至一定的電壓等級（660 V～3 kV可選）后輸送至各用電點。在用電點，再通過下位機將電壓變為滿足用電設備額定電壓等級的電壓后，向設備供電（如圖2所示），整流、逆變過程都在上位機處，其核心技術主要是在上位機處。

圖2 交流遠供系統原理圖

3.2 直流遠供系統原理

和交流遠供系統相似，直流遠供系統是在上位機（局端）將三相380 V交流電整流成單相直流電，經局端系統的設備升壓至一定的電壓等級（300～1 500 V可選），輸送到設備端，再經下位機（遠端）降壓、逆變（適用于交流負載），將電壓變為滿足設備額定電壓的電能向設備供電。整流模塊在上位機（局端），逆變模塊在下位機（遠端），其核心部件在下位機處。其原理如圖3所示[4]。

圖3 直流遠供系統原理圖

3.3 交、直流遠供電方案對比

根據交流遠供和直流遠供系統的原理不同，結合公路行業用電的特性，對交流遠供系統和直流遠供系統進行對比分析如表2所示。

表2 交、直流遠距離供電方案對比

綜上，對于高速公路需要遠距離（大于等于2 km）供電時，若用電負荷較小、大多為直流負載時，宜選用直流遠供方案，這樣可以減少施工成本，不需要逆變裝置，維護成本較低；若用電負荷較大、大多為交流負載時，宜選用交流遠供方案，這樣方便系統擴展，降低運維成本，提高安全性。

3.4 分布式遠距離供電的優勢

3.4.1 供電能力強

分布式遠距離供電系統的供電距離可達25 km，單機容量可達1 000 kW。

3.4.2 安全可靠

用電設備與電網隔離，減少電網的影響；實時監控系統的絕緣狀況，智能感知用電設備的用電情況，發現故障時及時報警處理，確保用電設備和人身的安全。

3.4.3 經濟節能

采用升壓單相供電技術，減少電纜芯數和線徑，大大節省建設成本；提高功率因數（大于0.95），大大降低無功損耗；根據負荷大小，智能調整分配電能，降低了空載能耗，減少了系統自身能耗。

3.4.4 智能運維

通過供電網絡與通信網絡，采用先進的物聯技術，實現各個供/用電設備間的能源與信息的互聯互通。全覆蓋監控便于供電網絡的故障發現和排除，智能感知、調壓及三級遠距離調控便于能源的靈活管控，實現智能化運維養護[4]。

4 工程實例

4.1 工程概況

G2003太原繞城高速公路義望至凌井店段（太原西北二環），全長約160.260 km。根據《公路工程技術標準》及運營管理需求，該段高速公路按A級高速公路設計，全線設置視頻監控、動態信息發布及交通誘導設施，在服務區、互通式立交等重點或有特殊需求路段設置高清攝像機、全景攝像機、交通事件檢測、高清卡口、可變信息標志、氣象檢測器、車輛檢測器等設施。

以該高速大盂東互通段的監控外場設備供電系統方案為例，進行具體說明。該系統主要負責給大盂樞紐和大盂東互通附近的監控外場設備供電，具體包括：攝像機8套（CCTV31～38），微波車輛檢測器4套（MVD4～7），全景攝像機 3套（QCCTV6～8），門架式可變情報板5套（CMS5～9），其中距電源點最遠的設備距離為14.2 km，最近的設備距離為300 m。

4.2 監控外場設備供電方案選擇

根據用電頁荷的性質和供電距離，選擇采用低壓直供和交流遠供相結合的供電方案。

4.2.1 低壓直接供電方式

服務區場區及附近設置的監控設施采用就近低壓供電方式；收費站入口島及匝道附近設置的監控設備采用就近低壓供電方式；隧道變電所附近設置的監控設備采用就近低壓供電方式。

4.2.2 交流遠距離供電方式

距離服務區、收費站、隧道變電所等主要附屬設施距離2 km以上的監控設備采用交流遠供方式。

該系統主要由電源發生器、隔離電源轉換器、供電電纜等組成。電源發生器機柜設置在沿線相關主體設施的變配電室內，主要配置浮動電壓電源發生器、空氣開關、防雷器、智能配電儀表等設施；在外場設備處設置隔離電源轉換機柜及基礎，主要配置隔離變送器、空氣開關、維修插座、防雷器、智能配電儀表等設施；供電電力電纜型號根據外場監控設備用電負載的具體情況選擇，在路側采用PVC管保護敷設，過路面時采用Φ114×4鍍鋅鋼管保護。

系統電源引自大盂東收費站變電所，經過穩壓器后，由室內配電箱分成4個主回路：其中3個主回路給距離較近的大盂東收費站和大盂東樞紐處的監控外場設備供電，電纜截面根據距離遠近和負載大小選擇（10 mm2或25 mm2）；另一主回路通過5 kVA的電源發生器，將三相交流變為單相交流電，升壓至800 V，輸送至距離較遠的大盂樞紐附近的監控設備處，在設備處再通過電源轉換器將電壓降至220 V,供給用電設備。該供電系統如圖4所示。

圖4 大盂東互通監控設備供配電系統圖

5 結語

分布式遠距離供電系統以其高效、經濟、智能等優勢，被公路行業快速認可，并得以推廣應用。在選擇高速公路供電方案時，要根據高速公路用電設施的具體情況（負荷性質和供電距離等），結合不同供電方案的優缺點，選擇最適合、最經濟的供電方案。