基于綠色環保視域下高速公路分布式配電設計

羅 方

(廣東新粵交通投資有限公司，廣東 廣州 510700)

1 基于綠色環保視域下高速公路分布式配電原理

1.1 基于綠色環保視域下高速公路分布式配電的基本形式

高速公路分布式配電系統由上端供電設備、下端供電設備、上端監控模塊、供電電纜和監控管理主機構成(如圖1所示)。分布式配電系統需要從供電中心接入380 V三相電，首先進入負載穩壓電源對電壓功率進行濾波和諧波抑制處理，而后形成較為純凈、符合國家標準的單相或三相交流電，交流電通過等級電纜進入各個用電端口，在用電處還需要下端供電設備將電壓轉變為220 V/380 V。高速公路的隧道照明與監控需要220 V，外場情報板需要380 V，場外監控需要220 V，隧道風機需要380 V[1]。

1.2 將綠色環保理念應用于高速公路分布式配電的核心思路

分布式配電方式可將可再生清潔能源以分布式接入配電網，降低了化石燃料在供電體系內的占比，減少了整體的碳排放，是目前推廣度極高的一類配電形式，也是當前電網整體改革的重點發展方向。但由于風力、光伏等發電效率取決于氣候，具有不穩定性，若分布式配電比例過大，將會導致配電網整體運行狀態不穩，存在雙向潮流、線路損耗等問題。

因此，若要解決上述問題，提升高速公路分布式配電的可控性是本次設計的核心思想。實現可控性目標后，各控制器與相鄰控制器之間可形成通信信息交互，利用迭代計算的方式獲取控制信號，在區域集群內形成協調控制，形成對局部故障的魯棒性，且魯棒性較強。并且，在通信控制正常運行的情況下，可有效采集配電終端的通信信息，有效控制配電終端等重要控制器，使得配電網整體受控性較強，可選用單點接入、多點接入、電壓接入等級區分等方式控制電壓值，保證電壓的可控性和穩定性。

1.3 高速公路分布式配電上端供電設備的功能

高速公路分布式配電上端供電設備負責電流的補償、監控和穩定，主要由開關、整流、濾波、逆變、升壓、變壓器、顯示通信監控等模塊組成。分布式配電上端供電設備需要對供電處的電流輸入端進行監測，若輸入電流出現異常波動，分布式配電系統可自動受到保護。上端供電設備的軟硬件設施都具有抗外部干擾的作用，可對電流進行過流、過壓保護，并運用了PWM脈寬調制設計和IGBT作為開關模塊的重要配置，在不需要耗費過多功率的情況下就可快速高效實現配電開關。高速公路分布式配電上端供電設備運用了無主均流技術、多模塊冗余設計以及特種干式升壓變壓器，為分布式配電系統的檢修、優化與拆卸帶來極大便利，系統運作速率高、溫度低且低噪音。

同時，分布式配電系統的上端供電設備通過電力監控數據采集器和零觸發技術，可全面實時監控供電處電流的補償、濾波和分配情況，并及時跟蹤配電均衡負載變化，對異常功率進行補償，有效提升諧波吸收率和配電質量[2]。

1.4 高速公路分布式下端供電設備的主要構成

高速公路分布式下端供電設備由變壓器(1 kV/220 V)、配電開關模塊、通信模塊、負載檢測控制模塊、降壓模塊組成。由供電處輸入的交流電經過上端供電設備后再進入下端供電設備進行降壓處理，而后將電流配送到各個用電設備。對于高速公路分布式配電系統的用電參數而言，可以通過電力設備或電纜實現故障預警和緊急制動，遠程實時監控下端供電設備的配電情況，以確保分布式配電系統穩步運行。

2 高速公路分布式配電的實際應用案例

2.1 案例概況

河惠莞高速公路龍紫段項目路線全長約152 km，位于廣東省高速公路網規劃廣龍高速(S6)的最北端，起于贛粵兩省交界處，終點位于紫金縣紫城鎮，是粵港澳大灣區出省和連通粵北贛南的重要通道，也是廣東省綠色公路建設的典型示范工程項目。河惠莞高速公路龍紫段項目運用了分布式智慧配電系統，實行了高速公路配電系統的智能化管理，在項目主線的ETC門架系統的左幅和右幅都設置了10 kV業擴配套延長線，從供電中心引入三相380 V輸入，經由上端供電設備輸出單相3.3 kV電壓，而后再通過下端供電設備進行降壓，將3.3 kV轉變為380 V/220 V的配電電壓。

2.2 分布式配電方案

該項目若使用傳統380 V的供電方案，則難以滿足各用電設備距離過大的用電需求，門架機電設備無法正常運轉，且造價高達145.46萬元。因此，該項目設計了分布式智慧配電方案，在主線的各ETC收費站增設1 kV的上端供電設備，在K9+320、K12+380 ETC附近設置下端供電設備，運用中壓電纜連接上、下端供電設備，下端供電設備可對傳輸的電壓進行降壓處理，降至0.4 kV，以此有效滿足項目主線ETC門架和各項設備的用電需求。

2.3 傳統配電與分布式配電方案對比

高速公路傳統配電系統的建造方案主要有低壓三相380 V、升降壓三相660 V、中壓三相10 kV三種配電方案。低壓三相380 V供電方案的系統造價與維修成本低，但只能支撐4 km的配電傳輸距離，且難以為各個用單設施提供平衡充足的電能；升降壓三相660 V配電方案能夠支持10 km的配電傳輸距離，但長距離的配電路徑需要多次敷設電纜，配電能力減弱；中壓三相10 kV配電方案的配電能力較強，能夠支持較長距離的配電傳輸路徑，但配電系統的建造價格較高，運用維修費用高，使用壽命難以估計。而分布式配電方案增設了20 kVA智能上端供電設備，并在ETC門架分別裝配了K9+740、ZK11+545、ZK12+380的下位供電設備。分布式配電方案能夠有效監控和采集系統中每個節點的運作情況和電力參數，有效防止系統受到外部電壓波動的影響，使各用電設備都可免于浪涌電流的危害，配電系統的使用壽命也能夠得到保證。

2.4 方案效益對比

河惠莞高速公路龍紫段項目運用分布式配電方案的最終造價為56.64萬元，大幅提高項目建造的經濟效益，可為項目主線提供高達95%的用電有功因數，相較于傳統中壓10 kV配電每年可節省4.75萬度電，并能夠減輕與弱化電路系統的閃變沖擊和高次諧波，有效降低了用電成本和設備維護費用，可滿足高度公路配電網綠色低碳的發展要求，實現高速公路配電系統的精細化管理。

表1 高速公路傳統配電方案和分布式配電方案造價對比

3 基于綠色環保視域下高速公路分布式配電設計方案

3.1 高速公路分布式配電設計思路

為早日達成“雙碳”目標，高速公路配電網接入分布式電源勢在必行，通過分布式形式接入電網的可再生能源是未來電網結構中不可替代的重要能源。因此，為落實綠色環保思想，本研究配電網設計的方案選用分布式配電的形式。

高速公路分布式配電設計方案包括單點接入方案和多點接入方案，提供10 kV、220 V/380 V兩類電壓等級。單點接入方案根據配電系統各用電設備的電壓等級，按照系統中的上端供電設備、下端供電設備、用電設備的位置，接入配電室、開閉站、環網柜和線路，并分別接入高速公路用電網和公共電網。多點接入方案是將高速公路單個項目進行多點接入，制定配電系統多個項目的組合配電方案。根據用電設備的用電需求，設計多點接入10 kV、380 V的組合方案。同時，還要設計計量點，計量點的設置用于對配電系統的上端供電設備、下端供電設備的輸入和輸出端口的用電量進行計量，還需要配置配電量的計量電能表，可進行配電計算和電價計量[3]。

高速公路分布式配電系統設計還需要防孤島監測和保護發電的逆變器，以實時監測系統中的孤島問題，捕捉異常情況后可立刻斷開與配電系統的連接，并接入10 kV的配電項目，為高速公路分布式配電系統打造雙重保護和監測的結構。380 V電壓通過配電系統的逆變器發揮孤島問題監測與保護功能，并與配電系統的上、下供電設備的開關模塊進行連接，以此充分保障分布式配電系統的穩定運行。分布式配電系統接入10 kV的項目，對配電系統中的電流、電壓、功率、配電量等運行狀態進行信息采集；接入380 V的項目，需要單純采集配電系統的電能信息，提前預留系統中各設備的信息采集能力[4]。

3.2 高速公路分布式配電系統的單點接入設計方案

單點接入可將光伏等可再生能源有效接入電網，是節能減排的重要手段，是落實綠色環保理念的重要形式。單點接入方案適用于高速公路具有多個公共連接點的配電系統，并將公共連接點作為公共變電站的10 kV母線，或上端供電設備的開關模塊、環網室、配電室的10 kV母線如圖1所示，配電系統的裝機容量可設置為1～6 MW或400 kW～6 MW。高速公路分布式配電系統的單點接入方案還可以運用三相接入的方式，系統的裝機容量需要控制在400 kW以下；也可以采用單相接入，裝機容量需要保持在8 kW及以下，或將配電系統的配電室、變壓器、箱變等作為連接點，裝機容量需設置為20～400 kW。

圖1 單點接入設計圖

3.3 高速公路分布式配電系統的多點接入設計方案

除單點接入形式外，多點接入也是光伏等清潔能源接入配電網的重要形式，做好多點接入對風力、光伏等新能源領域的發展、對綠色環保理念的落實具有重要作用。多點接入設計方案需要接入配電系統的配電箱或線路、箱變或配電室低壓母線，接入電壓為380 V或220 V；或接入10 kV電壓的母線或配電室；還可運用接入電壓為380 V的單點或多點接入配電系統的配電箱，以10 kV單點或多點接入系統10 kV母線或箱變。高速公路分布式配電系統還可以380 V或220 V的接入電壓多點連接配電箱或配電室低壓母線(見圖2)；或運用380 V的接入電壓連接配電系統的配電箱或配電室低壓母線，以10 kV的接入電壓鏈接配電系統的上端供電設備的開關模塊和變電站等設備[5]。

圖2 多點接入設計圖

4 基于綠色環保視域下高速公路分布式配電技術效益分析

4.1 減少電纜線徑，降低配電系統的造價

高速公路分布式配電系統可使功率、電纜的使用率大幅度降低，減少電纜芯數的配置，相較于高速公路傳統的配電系統，分布式配電的造價更為低廉。傳統的配電系統直接由供電處輸入380 V的電源，流經開關柜、應急照明燈母線回路，再到達高速公路的照明配電箱，來為外部照明設施和隧道照明設施配電，通過低壓開關柜控制母線回路。分布式配電系統將供電設備配置在變電所，可將供電處的輸入電流直接輸送到高速公路的各個用電設備，可以從單洞輸出兩條回路，以保證高速公路的不間斷配電。分布式配電系統的下端供電設備替代了原有的傳統式配電箱，能夠實現遠程操控電流供應與配送，按照不同天氣和時間進行人性化的配電開關。所以分布式配電系統可有效優化配電路徑，減少配電系統的建設成本，具有較為優越的經濟效益[6]。

4.2 切實滿足用電設備的負載運行要求，動態采集回路數據

高速公路分布式配電系統能夠實現遠距離供電，將供電處的電流轉變為1 140 V和3 300 V的單相電，再經過下端供電設備將電流降壓到220 V或380 V。分布式配電系統的上端供電設備的運作方式為無主均流和逆變模塊并聯，若配電系統的某個部位發生故障或異常，不會影響其他配電系統的運行，可為所有用電設備提供500～600 kVA的電流容量，真正滿足系統中用電系統的所有負載要求。高速公路分布式配電系統的上、下端供電設備都能開展遠程的開關和通信控制，在配電過程中可對下端供電設備實行精準的回路調壓控制，按照各用電處的用電規格和用戶的配電需要可及時完成調壓，并且遠程操作和控制的調壓和開關并不會影響配電運作系統的正常運作。分布式配電系統的上、下端供電設備還能夠實時監控電力傳輸狀態，通過設備的輸入和輸出端口動態采集回路數據，全程監控配電系統的運作情況、故障與異常、溫度和濕度、升壓速率等參數，并利用光纖鏈路將數據傳輸到監控中心，工作人員可通過檢測軟件直接監測配電系統的運行狀態和能耗情況。

4.3 有效實現不間斷供配電，減輕高壓電流的負面影響

高度公路分布式配電系統的上端供電設備能夠接入供電中心的多路電流，可與系統中的應急設備相連接，為各用電設備提供冗余保護，確保電路系統中發生異常或故障后系統能夠穩定運行。由于分布式配電系統的電源柜中配置了蓄電池，所以當供電處的電流切斷后，依然可為配電系統中的用電設備提供電流，以此實現配電系統的不間斷供配電和應急配電。當分布式配電系統的輸入端口和輸出端口都為高壓，需要通過核心處理方法將供電處的電流和系統的線路進行隔離，此項功能具有與隔離變電器相似的作用。分布式配電系統還能夠避免供電處發生浪涌，有效減輕不良電流對配電系統和用電設備的負面影響[7]。并且，用戶側的電網也會免受供電處的異常觸點影響，通過上端供電設備進行功率優化與補償，分布式配電系統的功率補償效果可超過95%。

5 結 論

高速公路采用分布式配電系統具有良好的經濟效益、環保效益與社會效益，是一條實現智慧高速和環保公路的重要路徑，可提高配電系統的可靠性、靈活性與高效性。相較于傳統的配電技術，分布式配電系統能夠減少電纜路徑，降低系統故障率和電能消耗，有效提升配電質量和應對系統故障的能力，并能夠滿足用電設備的負載運行要求，實現配電系統的不間斷供配電和應急配電。通過對高速公路分布式配電系統的單點接入和多點接入的方案設計，可明確不同接入方式和配電方式的電壓要求，實現配電系統運行數據和信息的動態采集，助力我國高速公路配電網智能化水平和低碳水平的持續提升。