高速公路項目機電設備的智能供電技術探討

韋杰

摘要 高速公路機電設備的正常運行，需要有穩定的供電，但當前高速公路機電設備供電技術智控水平較差。基于此，文章提出一種智能鏈式網供電技術，采用此項技術，可將電源點、能源智控站及用電負荷相互連接起來，構成完整的智能鏈式網供電系統，并論述了此系統的主要構成，分析了系統的布設及運行方式，實踐經驗證明該技術具有較高的實用性，可廣泛推廣應用。

關鍵詞 公路項目；機電工程；智能鏈式網供電網；分布式智能終端

中圖分類號 U418.7文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）11-0177-03

0 引言

高速公路機電設備的運行，需要有配套的供電技術及系統作為支撐，當前機電設備穩定供電和智控水平較低，會消耗過多電能。因此，必須采取有效措施實現高質量、高智能供電。該文分析了智能鏈式網供電技術，可實現智能調控供電，確保供電穩定，減少能耗。

1 智能鏈式網供電網構成

高壓電源點輸出電能，電纜線將其輸送至交流變壓器，高速公路機電設備從而獲得運轉所必需的電能，此為其供電方式。通過運用智能鏈式網供電技術，將能源智控站、總協調控制單元、電源點與交流變壓器串聯起來，形成鏈網結構，設計出智能鏈式網供電系統，以提升機電設備供電智能化水平[1]。

1.1 高壓電源點和交流變壓器

高壓電源點為高速公路機電設備的運行提供電能，是配電網絡的重要構成。交流變壓器降低供電的電壓值，確保電能與能源智控站更加匹配[2]。

1.2 能源智控站

能源智控站是智能鏈式網供電網的主要構成部分，它包含以下設備及系統：

1.2.1 低壓配電柜

構成低壓配電柜的主體為斷路器及計量設備，并附有各種測量和保護設備。電源點輸出電能，流經變壓器后，其電壓會變低，電纜線連接到配電柜，電能流入能源智控站，除了滿足站內用電外，主要為高速公路機電設備供電。低壓配電柜的主要作用是為機電設備接入電能，并實現有效控制及保護[3]。

1.2.2 能量路由器

其功能是將電能連接起來，實現高質量的電能接入。借助于路由器，將交流母線連接起來，電能受其影響，成為鏈式網狀流動結構，供電穩定性得到明顯提高。此外，它還能整合不同電壓等級交直流電的接入及電能，主要應用于光電和風電的整合。

1.2.3 分布式智能終端

采集電能數據是分布式智能終端的主要功能。數據信息收集完畢后，傳輸至總協調控制單元，兩者之間實現數據共享。數據經過分析后，將其作為系統控制決策的重要依據，終端設備接收指令后，及時有效地控制站點設備的運轉。智能終端主要收集溫度、濕度、電壓等涉及設備運行的相關數據。

1.2.4 清潔能源及儲能系統

該系統中設置有蓄電池組，收集電能后做好保存，主要作為后備選項，向能源智控站提供電源，確保站內機電設備正常運行。蓄電池分為UPS、鉛酸、磷酸鐵鋰等多種類型，特點各不相同，適用環境也存在一定的差異。經對比，UPS蓄電池的安全性較高，可高效釋放電能，而且經久耐用，在電能儲備方面的應用價值較高。低碳環保是當今社會經濟發展的主流理念，通過設計清潔能源系統，有效補充傳統電能，降低電能消耗[4]。光伏太陽能發電屬于一種清潔能源，站外布設光伏太陽能板，將太陽能轉化為電能，可為智控站提供補充電能。太陽能板占地面積較大，而智控站面積有限，因此必須根據具體需要來決定是否設計清潔能源系統。

1.2.5 電能質量控制系統

供電系統穩定運行過程中，連續供電且對用戶的正常用電不產生影響的性能被稱之為電能質量。向高速公路機電設備供電，其系統電路及設備會消耗部分電能，為防止電能質量受影響，確保電壓及電功率等指標符合供電要求，需要設計相應的質控系統用于控制電能質量。該系統控制電能質量，主要是通過靜止無功發生器對系統內電流進行有效控制，并借助于各種補償器補償供電系統的電能，且沒有任何能耗，最終實現有效控制電能質量的目的，確保為高速公路機電設備提供的電能具有較高的穩定性和安全性[5]。

2 智能鏈式網供電系統的布設

高速公路沿線安裝有各種外場機電設備，其中可變信息標志的功率大約為3～5 kW，其他設備的功率都不超過1 kW。由此可知，場外設備的功率較小且存在較大差異，由于分布于公路沿線，供電點數量眾多，傳統供電方式無法有效滿足這類供電需求。現階段，為高速公路外場設備提供電能，所用方式有以下幾種：①采用10/0.4 kV變電所、箱式變電站等方式進行供電，設備運轉所需電能來自站區變電所，或者通過埋設電纜，由箱式變電站供電[6]。此方式不能實現遠距離供電，線路消耗較多的電能，而且電壓會有較大下降，若為實現遠距離供電，需要鋪設大量電纜，這會增加資金投入。②通過變壓器進行電壓轉換實現供電。變電所低壓側為輸出電源，結合供電遠近及電負荷量，使用變壓器將電壓升至800 V，當電能送至用電地點后，再將電壓降到220 V。如果供電所需的電負荷較大，則該方式較為適用，但如果設備所需電負荷大小不一，則用電點線路的電壓值存在顯著差異。③安裝太陽能或風能裝置，為小功率設備供電。此供電方案需配置較多數量的蓄電池，建設成本高，且使用年限短，后期維保費用較高。

（1）向高速公路機電設備提供電能，若采用常規供電方式，供電電壓穩定性較差，建設各類硬件設施的成本高，而且后期維保難度大，需要投入較大人力和財力資源[7]。該文設計了智能鏈式網供電系統，可解決上述問題，實現高效供電，圖1所示為其布置方式。

（2）布置方式簡述：使用高壓斷路設備，將不同的電源點連接到母線，后者也與總協調控制單元連在一起，電能被輸送至高壓配電室中，在其母線間安裝有開關裝置。電能流經配電室和變壓器，被輸送至能源智控站，它們之間都是一一對應關系。兩兩智控站之間安裝有斷路開關，根據實際情況有效控制機電設備的供電線路。

（3）布設智能鏈式網供電系統時，要注意高壓電源點供電方式的選擇：①供電方式有直流和交流之分，對比兩種供電方式可知，交流供電方式配套建設的基站費用較低，便于進行電壓升降，不足之處在于故障率高，供電線路會消耗部分電能，經濟性較低。②傳輸同等功率的電能，直流供電方式配套的線路較為簡單，相同絕緣性能的電纜可傳輸更高電壓的電能，電能傳輸過程中不會有較大損耗，還能有效抵抗外部干擾，不足之處在于需要建設配套的換流站，建設投資大，且供電過程中換流設備的運行要求必須有較高的無功補償；③通過全面比較直流供電和交流供電方式，該文設計的智能供電系統采用了后者[8]。

（4）供電電壓等級的選擇、高壓交流電源點之間距離的控制：①當前各地的供電等級主要分為10 kV和35 kV兩類，電容量是選定供電電壓等級的主要參考依據。②建設成本、耗電量以及穩定性也是選擇電壓等級的重要參考，相較于10 kV變電站，35 kV的建站成本高，但耗電量小，且具有較高的穩定性。③汽車行駛在高速公路上，其安全性是通過各種機電設備來保障的，機電設備主要用于控制高速公路沿線的通信、照明等。各類機電設備的穩定運行，要求具備35 kV供電等級，連續向機電設備供電。

（5）電能容量及輸送電纜線徑決定了高壓交流電源點的間距：①當電纜線徑裕量較大時，可輸送更大電容量，供電半徑較小。要實現穩定供電，則要求各電源點的間距不能超過供電半徑，電能供應的穩定性，隨著供電半徑的減小而增強。②據了解，為確保高速公路機電設備穩定運行，要求電能輸送容量不能低于2 MVA，最高為15 MVA，例如電壓等級為35 kV時，則供電半徑超過20 km，最大為50 km。若智能鏈式網供電系統的電源點電壓為35 kV，電源點間距不能超過30 km；若智能鏈式網供電系統的電源點電壓為10 kV，則電源點的間距不能超過15 km。如果該系統所選的電源點電壓為35 kV，電能被輸送至能源智控站前，需通過交流變壓器將流經電能的電壓由35 kV降到0.4 kV，并轉變為交流電[9]。

（6）確定能源智控站和總協調控制單元的布設數量：①布設智控站，應設定各站間距大約為500 m，由此可知，供電半徑的設定應重點考慮電壓等級情況，在各站間距明確后，可測算出站點布設數量。例如設定電源點的電壓為35 kV，若假設供電半徑等于30 km，此時就可計算出需要布設60個能源智控站。②智能鏈式網供電系統內部信息的溝通交流，主要通過無線網絡實現，所以布設總協調控制單元時，無線網絡信號強度、信號收發、通信設備建設成本、設備的靈敏程度等因素，都需要考慮在內，以確保布設數量合理。如果無線網絡信號較強，且擁有較為充足的資金保障，則每6～10個高壓電源可匹配總協調控制單元，其布設位置與電源點的距離不能超過500 m。

3 智能鏈式網供電系統的運行方式

為確保高速公路機電設備正常運轉，需對智能鏈式網供電系統的運行狀況實施監測，通過總協調控制單元的檢測，及時了解各個電源點的運行情況。除此之外，還需對站外構成供電系統的各類設備進行檢測，掌握其運行數據，發現其中是否有故障。當故障出現時，工作人員可快速確定發生故障的部位，分析具體原因，并通過無線網絡進行通信，將故障信息報送至控制中心。

對智能鏈式網供電系統進行檢查時，智能終端與控制單元通過無線網絡實現通信，如果不能正常通信或出現異常，就可明確智控站的方位，故障信息會經通信設備后被傳輸至控制中心，為后續維修工作的開展奠定基礎；若智能終端與控制單元保持穩定通信，所收集的智控站運行數據由終端設備實施邊緣計算，由此判斷智控站設備是否正常運行。經過邊緣計算，若確定智控站運行無問題后，智能終端可自動調節站內設備的運行狀況，確保實現穩定運行；若智控站運行異常，且不能進行自我調整時，智能終端會將系統故障信息上報，控制單元發出控制信息，智控站的智能斷路器將站內電力供應線路切斷[10]。當電源被切斷后，系統內部存儲的備用電源向智控站供應電能，開關裝置、斷路器及通信設備運行所需的電能也來自備用電源。

當電力故障問題排除后，切斷備用電源，停止向智控站提供電能。此外，還需將能量路由器母聯開關斷開，實現對智控站提供穩定電能，這就是一次運行完整的系統智能供電循環。

4 結語

綜上所述，當前高速公路機電設備供電智控化程度相對較低，質控水平差，采用智能鏈式網供電技術，可有效解決上述問題。該技術與電網發展方向相一致，有利于高速公路機電設備供電技術向智能化和物聯化方向發展，具有較高的經濟價值和社會效益，值得大范圍推廣應用。

參考文獻

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