直流遠供電系統技術在高速公路行業的應用

胥婷、華實、林渡

（1.湖南省高速公路集團有限公司長沙分公司，湖南 長沙 410100；2.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015）

0 引言

高速公路車流量比較大，車輛速度較快。如果不采取科學的管理措施，就容易引發擁堵甚至更嚴重的交通事故。為此，在高速公路的建設中，需要配套構建監控系統等各種機電系統，以維護高速公路的有序運行。機電系統的運行離不開穩定的電力支持，而直流遠供電系統技術的應用，不僅可以解決遠端設備供電問題，還能夠有效提高路網的通行能力，減少交通事故，對保障我國高速公路事業的高水平發展有十分重要的意義。

1 直流遠供電系統技術的優勢

直流遠供電系統技術是指局端設備通過直流—直流（DC-DC）變換器將機房內穩定的-48V 電源通過復合光纜或者電纜輸送至遠端設備，然后進行降壓處理（直流—交流或直流—直流），最終變換成遠端設備所需要使用的穩定電源，確保相關設備運行能夠獲得高質穩定的直流電支持的供電技術，其工作原理如圖1所示[1]。

圖1 直流遠供電系統原理圖

直流遠供電系統主要由DC-DC 升壓模塊、監控模塊、輸入輸出配電單元、偵測保護單元等組成。其遠端設備主要由電源分配箱和降壓適配器等組成，其中電源分配箱主要承擔對遠端的多個設備分路配電的任務，同時起到一定的保護、防雷的功能。在應用實踐中，直流遠供電系統技術有諸多優勢：

一是施工簡便。由于直流遠供電系統技術采用的是高壓直流傳輸方式，因此穩定的電流電壓不會產生電磁干擾而影響其他機電設備，施工時利用高速公路的通信管道就可以完成敷設工作，不需要額外開挖，因此施工較為簡便。

二是安全性較高，直流遠供電系統技術使用的是直流懸浮傳輸技術，人體接觸任何一個極性都不會發生觸電的危險，而且該技術具備開路保護、短路保護、漏電保護等功能，安全性較高。

三是具有良好的經濟性，該技術不僅施工簡便，施工成本低，而且維護成本較低。主要是因為直流遠供電系統局端設備采用模塊化設計，支持熱插拔，設備更換和維護非常方便，在維護成本方面可以節約40%以上。

四是可靠性較高，直流遠供電系統局端模塊采用N+1 冗余設計，而且局端模塊具備短路保護設計、自動限流、欠壓關機等功能，即使是在停電或故障發生時也可以更快地采取相應保障措施，有效保障系統運行。

五是具有靈活性，由于遠端設備體積小，便于安裝，因此安裝方式可以靈活選擇。加上其具備雷擊保護等功能，電路設計高效、適應能力強，可以適應各種運行環境。

六是具備可監控性。局端設備可采用485 串口進行通信，并具備干接點報警功能，遠端用電設備終端也可配置干接點報警功能，能夠保障系統運行安全。

七是能夠降低無功損耗。在智能技術的支持下，直流遠供電系統技術的上下端電源都可以采用智能化手段進行控制，具體的控制內容包括設備運行與否、照明設備的亮度等，其原理是通過關閉回路或調節電壓來滿足設備的實際需求，以此有效降低無功損耗，具備良好的節能性能[2]。

2 直流遠供電系統技術在高速公路行業中的應用

2.1 直流遠供電系統組成

2.1.1 主設備系統組成

直流遠供電系統由局端設備（ZYYG-JD）和遠端設備（ZYYG-YD）組成，采用的是PMW 脈寬調制技術。為了保障供給電源的質量，會借助局端設備進行電能的輸送，電能經由復合光纜、電力線纜進入到遠端設備，最終通過降壓處理供給相關設備穩定的電源，從而滿足設備的用電需求，保障相關生產工作順利進行。

2.1.2 設備功能

直流遠供電系統主要包括以下功能：

一是輸入過欠壓保護。主要作用是保障局端設備的安全。該功能會在機房-48V 電壓高于60V 或低于40V 時啟動，通過停止輸出避免機房電池組出現放電過量的問題。

二是輸出過壓保護。局端設備輸出電壓高于DC400V時，直流遠供電系統就會激發輸出過壓保護而停止輸出，輸入電壓的可靠性能得到較好的保障。

三是輸出過流保護。傳輸電纜的電流在規定范圍內能夠確保電流的穩定，這對遠端設備也是一種保護，但是經常會出現傳輸電纜的電流大于額定值的情況，這種情況下就需要局端設備停止輸出，以此確保傳輸電纜運行的安全與可靠。

四是開路保護。傳輸回路部分或全部被破壞時就會切斷高壓輸出，從而保障人員和設備的安全。

五是短路保護。電纜的正極與負極短接時或者正極與負極任一極與大地短接時就會切斷高壓輸出。

六是強電入侵保護。系統會通過切斷局端的高壓輸出來解決市電與電源傳輸線路產生搭接的短路問題。

七是線—地漏電流保護。系統會直接切斷局端的高壓輸出，有效避免人觸電產生的線—地漏電流；

八是故障報警，不同顏色指示燈亮可以指示相應故障類型，以便提醒相關人員進行處理[3]。

2.1.3 系統組網原則

系統組網要遵循以下原則。

一是負載功耗。要求設計人員能夠掌握設備負載功耗（峰值），在選擇供電方案的時候也要考慮一定的冗余度，確保功率配置適宜。

二是傳輸距離。由局端設備（供電網點）至遠端設備負載之間的距離還存在長短不一的情況，應嚴格按照傳輸距離進行組網設計，尤其是傳輸線纜的選擇要合乎所要求的技術規格。

三是傳輸線纜程式、線質、線徑。應充分考慮設備負載功耗（峰值）、傳輸距離、技術參數（銅線、鋁線）、應用場景（復合纜、專用纜）、敷設條件（城市、農村、管道、架空）及線纜技術規格標準等相關因素，從而保障線路傳輸安全、可靠[4]。

2.2 直流遠供電系統在高速公路監控系統中的應用

2.2.1 高速公路監控系統供電現狀

在高速公路的運行過程中，全程監控是保障高速公路有序運行的關鍵，但是目前監控系統在運行過程中還存在一些問題。就目前來看，高速公路主要采用的供電方式有以下幾種：

一是交流電源直接供電。由于可以直接從電網取電，因此供電較為便捷，投資成本也低，但是需要遠距離鋪設線路，管線施工較為復雜，而且每個設備都需要配備用電表，導致核算比較麻煩，在供電運行中還可能出現供電電壓忽高忽低的情況，甚至可能遭受雷電襲擊等。

二是交流電源與UPS 不間斷電源供用。主要是通過在各設備前配備UPS 不間斷電源來解決交流電源直接供電所存在的問題。但UPS 不間斷電源的電池壽命較短，隨著氣溫的升高還會縮短壽命，而且對環境的適應性較差，在惡劣的環境中容易損壞，因此維護成本較高。

三是太陽能電池板。其具有綠色環保的優點，但是也會受到外界環境的影響，一旦長時間處于無風或者陰雨天氣，會導致供電不足。

通過對上述供電方式的分析可以發現，當前高速公路監控系統的供電方式存在一定的不足，而采用直流遠供電系統技術可有效解決上述問題[5]。

2.2.2 直流遠供電系統方案

通過對直流遠供電系統技術進行分析可以得知其具備施工簡便、安全性高、成本低、可靠性高、適應性強等諸多優點，尤其是不需要另行鋪設專用線路，更不需要安裝體積較大的UPS 不間斷電源等，在監控系統中的應用價值更高。

（1）直流遠供電系統的發送部分

直流遠供電系統的發送部分采用的是模塊化設計，可以實現對系統機電設備運行的自動保護、智能通信、繼電器硬觸點報警功能。如果出現過載、線路開路、蓄電池電壓低等情況都可以進行自動檢測，并發送報警信號，以便及時處理，這一功能有力地強化了系統供電的可靠性。此外，系統輸入和輸出中還采用了電氣隔離的方式，直流傳輸可浮出地面輸出，即使碰到其中的一極也不會發生觸電事故，即使在單極接地的時候也能夠保障直流傳輸系統正常工作，從而確保發送部分的安全性與可靠性[6]。

（2）直流遠供電系統的接收部分

遠供接收部分主要由直流—交流或直流—直流轉換器組成，其中需要使用交流電源的設備采用直流—交流變換器，在變換器的支持下，可以將其接收到的直流電能轉換為所需交流電能。需要注意的是，某些可以使用直流電的設備應該采用直流—直流變換器，確保設備所需直流電壓的穩定性。在運行中可以發現，線路傳輸距離的長短存在較大的不同，這就要求接收部分的變換器能適應大的輸入電壓變化范圍[7]。此外，需要考慮外場攝像機等高空設備容易引發雷擊的情形，這就需要接收部分一方面在輸出端加防雷器件，另一方面對轉換設備輸入輸出進行電氣隔離。

（3）發送端電源系統實現方法

遠程供電的發送端主要由交流—直流變換組件組成，在實際運行中主要是將交流電源經交流—直流變換裝置變換為所需直流電源。該設備可設置在就近的變電所或通信電源室。當市電正常時，由市電提供遠端設備電能并對蓄電池組充電，當市電異常（如停電）時系統仍能正常使用[8]。此外，在通信機房中設置通信電源系統，遠程供電的發送端能夠完成直流—直流變換，將機房中的通信電源經直流—直流變換裝置變換為所需直流電源。

2.3 關于直流遠供輸電線纜的選用

2.3.1 光電復合纜

目前，除了銅芯、鋁芯直流遠供輸電線纜，光電復合纜的應用也越來越常見。光電復合纜可以結合應用場景的不同設計成鎧裝護套，更加方便直埋施工。光電復合纜在傳輸過程中不僅不會出現光、電信號相互干擾的現象，而且具有以下優勢：

一是外徑比較小，因此重量輕，在施工中也不會占用較大的空間。

二是成本低，一方面是購置成本較低，另一方面是施工成本以及維護成本比較低。

三是可提供巨大的寬帶接入。

四是可以解決通信網絡建設中的設備用電問題，避免重復布放供電線路。

五是能夠支持多種傳輸技術，而且同設備的可擴展性也比較強[9]。

總的來說，光電復合纜在直流遠供電系統技術中有較高的應用價值。

2.3.2 使用普通電力電纜時的線纜選型

如果使用普通電力電纜，設計人員進行線纜選型時應嚴格調查高速公路外場機電設備的負載功率、供電距離、電纜線徑、線纜的電阻率以及遠端設備工作電壓，在此基礎上合理地確定選型，計算時主要按照歐姆定律[10]。

3 結語

綜上所述，高速公路承擔著較重的運輸通行任務，各系統機電設備的運行質量更是直接關系到高速公路的運行水平，因此必須重視直流遠供電系統技術的應用，確保高速公路各機電系統在運行中能夠獲得可靠的供電來源，滿足實際上生產的需求。相關設計人員進行直流遠供電系統設計應用時也要結合工程特點進行科學的設計，增強該技術應用的可靠性、經濟性等，使其可以在高速公路行業中得到有效的應用，從而全面保障我國高速公路事業的健康、穩定、可持續發展。