智慧高速公路電力供應(yīng)與能源管理優(yōu)化方法研究

曹志偉

（中咨泰克交通工程集團(tuán)有限公司）

1 智慧高速公路電力供應(yīng)的當(dāng)前狀況

1.1 電力供應(yīng)的主要來源

智慧高速公路的環(huán)境中電力供應(yīng)的復(fù)雜性和多樣性是其一大特點，傳統(tǒng)電力公司的電網(wǎng)作為主要的電力來源，扮演了關(guān)鍵的角色，尤其是在燃煤、天然氣、核能等傳統(tǒng)能源的電力生產(chǎn)中。燃煤電力是全球最大的電力來源，燃煤電廠將煤炭燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能，通過電網(wǎng)傳輸?shù)礁咚俟返母鱾€部分，盡管對環(huán)境造成壓力，但技術(shù)成熟、電力穩(wěn)定，因此仍在大規(guī)模使用；天然氣電力相比燃煤電力更為環(huán)保，其碳排放較低，對環(huán)境破壞相對較小，在智慧高速公路中，天然氣電廠生產(chǎn)的電力通過電網(wǎng)為路燈、交通信號、充電站等提供電力，滿足公路運(yùn)行需要；核能是一種高效、低碳的電力來源，盡管存在核事故的風(fēng)險，但在適當(dāng)?shù)陌踩胧┫拢浞€(wěn)定的電力輸出和幾乎零排放特性，使其成為電力供應(yīng)的重要組成部分。

1.2 電力供應(yīng)的限制與問題

由于智慧高速公路的設(shè)施分布廣泛，從中央電網(wǎng)獲取電力可能存在電力傳輸損失的問題，而且在電力供應(yīng)不穩(wěn)定的地區(qū)，電網(wǎng)供電可能會出現(xiàn)斷電或電壓不穩(wěn)定的情況，對高速公路的正常運(yùn)營產(chǎn)生嚴(yán)重影響，同時高速公路系統(tǒng)的規(guī)模巨大，相應(yīng)其電力需求也較大，對電力供應(yīng)系統(tǒng)有了較高的標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，盡管可再生能源具有環(huán)保、可持續(xù)等優(yōu)點，但其電力生產(chǎn)也存在諸多問題，例如，太陽能和風(fēng)能的電力產(chǎn)量會受到天氣條件的影響，不能保證持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。在這種情況下，電力存儲和調(diào)度就顯得尤為重要，但目前的電力儲存技術(shù)仍然存在成本高、壽命短等問題。

1.3 智慧高速公路在電力供應(yīng)方面的應(yīng)用

智慧高速公路是以信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)為核心，實現(xiàn)高效、安全、便捷、綠色的交通運(yùn)行，借助智能技術(shù)，如大數(shù)據(jù)和人工智能，高速公路的電力需求可以更精確地預(yù)測和調(diào)度，提高電力的使用效率，對路燈、充電站、服務(wù)區(qū)等設(shè)施的電力需求進(jìn)行精確地預(yù)測和管理，實現(xiàn)最優(yōu)的電力分配。例如，中國廣東省的一段高速公路采用人工智能技術(shù)，精確預(yù)測電力需求，并與電力供應(yīng)企業(yè)實時調(diào)度，實現(xiàn)了供需平衡，減少了電力浪費。智慧高速公路還通過建立微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行電力管理，微電網(wǎng)系統(tǒng)可以對自產(chǎn)自用的可再生能源進(jìn)行智能調(diào)度，即使在中央電網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況下，也能保證電力供應(yīng)的穩(wěn)定，將高速公路沿線的可再生能源發(fā)電設(shè)備連接形成一個高效、穩(wěn)定的電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)[1]。

2 高速公路的電力供應(yīng)的智慧優(yōu)化

2.1 可再生能源的利用

太陽能是一種無處不在、清潔且可持續(xù)的能源，在智慧高速公路中，利用太陽能的最直接方式就是安裝光伏設(shè)備，將太陽能轉(zhuǎn)化為電力，可以直接供電給路燈、交通信號、電子顯示屏等電力設(shè)施，或是設(shè)置電池儲存系統(tǒng)，將白天多余的電力儲存起來，供夜間或者陰天使用，提高能源利用率，也能提高電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，可以設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)，為高速公路設(shè)施供電，與太陽能相比，風(fēng)能的優(yōu)點是不受天氣和夜晚的影響，可以提供更穩(wěn)定的電力供應(yīng)，雖然風(fēng)力發(fā)電的初期投入成本較高，但長期來看，其運(yùn)行成本較低，經(jīng)濟(jì)效益仍然是非常可觀的。同時可視環(huán)境能源特點設(shè)置安裝風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備供電，充分利用風(fēng)力和太陽能進(jìn)行供電。例如，在山區(qū)或河流較多的地區(qū)，可以利用水能發(fā)電（見圖1）。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備圖

2.2 電力存儲技術(shù)

在優(yōu)化智慧高速公路電力供應(yīng)的過程中，電力存儲技術(shù)的角色不容忽視，是實現(xiàn)高效、可靠且可持續(xù)電力供應(yīng)的關(guān)鍵，電力存儲技術(shù)可以在電力生產(chǎn)過剩時存儲電能，用于供應(yīng)不足時使用，從而確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。在智慧高速公路中，可以使用大型的鋰離子電池儲存系統(tǒng)，將光伏設(shè)備或風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能儲存起來，供高峰期或惡劣天氣時使用。例如，太陽能路燈利用鋰離子電池進(jìn)行電能儲存，在白天將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存起來，夜間再利用儲存的電能進(jìn)行照明。除了鋰離子電池，其他類型的電力存儲技術(shù)也在被探索應(yīng)用。例如，超級電容器因其超高的充放電速度和循環(huán)壽命，可應(yīng)對短時的大規(guī)模電力需求；燃料電池則可以將氫氣等燃料轉(zhuǎn)化為電能，而且其能量密度極高，用于長期儲存電能；壓縮空氣能儲存、抽水蓄能、飛輪儲能等也是一些在特定條件下可行的電力存儲技術(shù)。

2.3 電力供應(yīng)的技術(shù)創(chuàng)新

優(yōu)化智慧高速公路的電力供應(yīng)離不開技術(shù)創(chuàng)新的推動，從能源獲取、轉(zhuǎn)化到使用，無論在哪個環(huán)節(jié)，技術(shù)創(chuàng)新都能帶來效率提升和成本降低，在當(dāng)前環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的大背景下，綠色和智能的電力技術(shù)創(chuàng)新尤為重要。在能源獲取環(huán)節(jié)，太陽能和風(fēng)能的捕獲技術(shù)得到了顯著的提升，高效的太陽能光電池、風(fēng)能渦輪等設(shè)備的出現(xiàn)，使太陽能風(fēng)能的可再生能源獲取方式的效率大幅提升，配套的能源獲取設(shè)備也在不斷升級，如更精確的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備能夠更好地捕獲天氣變化，從而提升能源獲取的精準(zhǔn)度；在能源轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，電力存儲和轉(zhuǎn)化技術(shù)的革新在提升整體電力供應(yīng)效率上發(fā)揮了巨大作用，從最初的鉛酸電池再到未來可能廣泛應(yīng)用的固態(tài)電池，電池技術(shù)的更新?lián)Q代不僅提高了電能存儲的效率，也大幅提高了電能使用的安全性；在電力使用環(huán)節(jié)，智能電網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用極大地提升了電力供應(yīng)的效率和穩(wěn)定性，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對電力設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，從而保證電力供應(yīng)的穩(wěn)定性，避免電力供需的短缺或過剩，電力設(shè)施的自動化和智能化也可以減少人力運(yùn)維的需求，在提高設(shè)施運(yùn)維效率的同時降低運(yùn)維成本。

3 優(yōu)化智慧高速公路的能源管理

3.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動的能源管理

在優(yōu)化智慧高速公路的能源管理方面，數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法正逐漸成為一個重要的工具，現(xiàn)代社會已經(jīng)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)的獲取、分析和利用變得越來越重要。數(shù)據(jù)驅(qū)動的能源管理，其核心是利用數(shù)據(jù)分析的手段，對能源的生產(chǎn)、傳輸和使用進(jìn)行全面的、實時的監(jiān)控和管理。例如，通過安裝各種傳感器和監(jiān)測設(shè)備，可以實時獲取到高速公路上的能源使用數(shù)據(jù)，如電力設(shè)施的用電量、能源設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境條件等，能源使用數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后，可以為能源管理提供重要的決策依據(jù)。數(shù)據(jù)驅(qū)動的能源管理的優(yōu)勢在于提供精確、實時和全面的能源使用信息，作出合理的決策。例如通過對設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常情況，及時進(jìn)行修復(fù)或更換，避免能源的浪費，數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法還可以發(fā)現(xiàn)能源使用中的潛在問題，如設(shè)備的能效低下、能源的使用不合理等，對能源的使用進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 電網(wǎng)互聯(lián)和虛擬電力站

電網(wǎng)互聯(lián)和虛擬電力站的應(yīng)用，已經(jīng)成為優(yōu)化智慧高速公路能源管理的一種趨勢，借助于電網(wǎng)互聯(lián)的特性，可以實現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置，提高電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和效率，虛擬電力站則是基于電網(wǎng)互聯(lián)概念的進(jìn)一步發(fā)展，將分布式的、類型各異的能源設(shè)備統(tǒng)一管理，形成對外提供電力服務(wù)的虛擬實體。電網(wǎng)互聯(lián)的核心理念是，通過電力網(wǎng)絡(luò)的連接，打破地理區(qū)域和電力系統(tǒng)的限制，實現(xiàn)電力資源的互通共享，對于解決電力供需不平衡、提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有重要的作用；虛擬電力站將分散在各地的可再生能源發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備、電力負(fù)載等通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成統(tǒng)一的電力資源池，根據(jù)電力市場的需求，靈活地調(diào)度和使用這些電力資源，提高電力供應(yīng)的效率，降低電力系統(tǒng)的運(yùn)行成本。對于智慧高速公路來說，電網(wǎng)互聯(lián)和虛擬電力站的應(yīng)用可以大大提升能源管理的效率。

3.3 能源管理的策略創(chuàng)新

在優(yōu)化智慧高速公路的能源管理中，引入先進(jìn)的智能供電設(shè)備將會是一個重要的趨勢。智能供電設(shè)備是基于先進(jìn)的信息技術(shù)和通信技術(shù)，配合高效的能源技術(shù)的產(chǎn)物，能實現(xiàn)對電力的精確控制，滿足智慧高速公路中復(fù)雜多變的電力需求。例如，通過引入智能變壓器、智能電表等設(shè)備，可以精確測量和控制電力的供應(yīng)，實時調(diào)整電力供應(yīng)策略，提高電力的使用效率。此外，智能供電設(shè)備還可以與其他設(shè)備形成智能電網(wǎng)，例如，通過智能儲能設(shè)備和可再生能源發(fā)電設(shè)備的協(xié)同工作，可以在電力需求低時存儲電力，電力需求高時釋放電力，保證電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

通過深入研究，本文總結(jié)了優(yōu)化智慧高速公路電力供應(yīng)和能源管理的有效策略，包括需求響應(yīng)、高效能源使用和節(jié)能技術(shù)等，可以解決智慧高速公路的電力供應(yīng)問題，提高電力供應(yīng)的效率和可靠性，優(yōu)化能源管理，提高能源使用效率和效能，并減少能源消耗減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。然而，電力供應(yīng)和能源管理是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到許多因素，需要繼續(xù)進(jìn)行深入研究，不斷優(yōu)化和完善相關(guān)策略。本文為優(yōu)化智慧高速公路的電力供應(yīng)與能源管理提供了新的思路和方向，為推動智慧高速公路的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。