高速公路機電工程智慧供電系統的設計與應用

摘 要：為探索高速公路智慧供電系統設計思路及應用要點，從高速公路機電工程傳統供配電方式及運行現狀出發，對高速公路機電工程智慧供電系統的構成及總體設計展開分析，進而分隧道機電和道路機電兩個場景探析高速公路機電工程智慧供電系統的應用。研究結果表明，高速公路機電工程智慧供電系統的設計及應用能較好地解決傳統供電方式以及風光互補等新能源供電系統的劣勢與不足，有效降低能耗，提升高速公路供配電效率。

關鍵詞：高速公路；機電工程；智慧供電系統；設計；應用

中圖分類號：U418.7""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1671-0797（2025）02-0041-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.010

0""" 引言

交通運輸作為基礎性產業是社會經濟長足發展的可靠保證，智慧高速公路的建設能進一步提升道路安全等級，緩解交通擁堵，促進道路建設內涵式發展。監控、照明、通風系統是高速公路重要的附屬系統，也是保證高速公路安全穩定運行的前提。智慧供電系統的出現為高速公路各類附屬系統照明提供了可靠保證，在較好克服傳統供電系統弊端的同時，能實現高質量、智能化供電，并可實現電能單相傳輸，具備較好的兼容性?；诖?，本文依托祁臨高速公路實際，對高速公路機電工程智慧供電系統展開設計及應用研究，以期為我國高速公路安全可靠運行提供電力保證。

1""" 高速公路機電工程傳統供配電現狀

高速公路機電工程傳統供配電方式主要有低壓380 V直供、中壓6 kV及10 kV間接供電、風光互補供電等。在任何供配電方式下，輸電功率與電壓平方、導線截面積正向相關，與導線長度反向相關；電流平方與線路損耗和電阻均正向相關[1]。在電阻及輸送電功率恒定的供電系統中，線路損耗及電流隨電壓的升高而降低。

1.1""" 低壓380 V直供

該供電系統通過低壓配電柜直接向外場設備供電，由于電壓降的存在，供電距離只能達到4 000 m左右。在系統內輸電功率既定的情況下，供電距離越長，導線截面積越大，所需的輸送電壓值也越高。但隨著導線截面積的增大，材料成本、施工難度均會增加。低壓380 V直供系統如圖1所示。

該供電系統對全部供電設施和電纜耐壓等級無較高要求，建設和運維成本也不高。但只適用于距離較短的供電情景，供電能力弱，負載端三相平衡要求高；電纜成本受負載及傳輸距離的影響大。

1.2""" 中壓6 kV及10 kV間接供電

該供電系統適用于供電距離在4 000 m以上的情形，電源通常設置在負載集中區域，通過6 kV（10 kV）/0.4 kV變壓器的安裝達到向380 V/220 V調壓的目的，同時為二次配電提供便利（圖2）。此類供配電系統在高等級公路橋梁工程中較為常見，傳輸距離可達到10～14 km。為保證二次配電，必須將各類變壓設施布置在相應負荷區域，同時配備高耐壓等級電纜。為保證電壓穩定，必須配備高性能隔離變壓器，無形中提高了供電系統造價。

1.3""" 風光互補供電

即將風能轉變為交流電，通過整流器充入蓄電池；將太陽能轉變成直流電，直接充入蓄電池。此種供電方式適用于外電無法接入的區域，布線及運維過程簡單，但轉化效率較低，供電質量不高。

2""" 高速公路機電工程智慧供電系統的設計與應用

2.1""" 智慧供電系統構成

智慧供電系統主要包括局端供電、遠端受電、電力電纜等部分，具體組成情況如圖3所示。此系統能夠為負荷小、距離遠的高速公路等工程提供電壓等級較高的直流電。其中，局端供電設備主要從變電所取得單路（多路）基礎電源，進而借助AC/DC或DC/DC轉換模塊輸出不同等級直流電源，擴能功能強大[2]。此類設備中還配備有冗余配置、連接線等設計的防雷、監控等模塊，發揮輔助功能。

電壓等級較高的直流電通過布設在用電點周圍的遠端受電設備轉換成相應負載電源。該端頭同樣布設熱插拔設計的監控、防雷模塊。此類設備在高速公路中主要指道路監控、照明設施。

2.2""" 智慧供電系統總體設計

按照以上思路，祁臨高速公路全線機電設施均通過一端變電所供電，該供電系統輸入三相電源，從上位機引出單相電源，并提供給同線路下位機；單相電源經由下位機處理并降壓至220 V電源后再向隧道內監控、通風、照明等用電設備供應電能。上下位機間既能展開智能通信，又能實時控制回路供電。高速公路機電工程智慧供電系統如圖4所示。

該智慧供電系統中上位機和高頻變換器存在串聯和并聯等多種連接方式，可起到較好的市電電能質量補償及電壓/電流控制、穩定效果[3]，同時能在電流調節分量保持一致的基礎上，實現市電電壓變幅不超出±15%范圍的控制目的，還能將負載電壓穩定精度控制在±1.0%以內[4]?？紤]到高壓電自身具有較高的絕緣要求，采取輸電線路電壓提升的方式對線路進行降耗處理顯然不利于輸供電成本控制目標的達成。對于該智慧供電系統而言，可通過控制實際傳輸距離以及調節帶載負荷等方式改變傳輸電壓，也使輸供電成本控制成為可能。對于帶載負荷較高的高速公路機電系統完全可以選用3.3 kV電壓，無須配置高壓電纜，也無須使用線徑較粗的低壓電纜，可較好地降低造價。

2.3""" 智慧供電系統在高速公路機電工程中的應用

祁臨高速公路為所在地區省際公路干線，全線包括兩座長大隧道，隧道內監控等級均為A級。通過研究該公路隧道及道路機電設施功率、負載特性，針對現狀供配電方式存在的不足，提出智慧供電系統應用思路。

2.3.1""" 在隧道機電中的應用

高速公路隧道內機電類型多，負荷大。隧道監控、應急照明、消防水泵、排煙風機等全部屬于一級電力負荷，常規照明、通風風機、消防補水等則屬于二級電力負荷。按照JTG D70/2—2014《公路隧道設計規范 第二冊 交通工程與附屬設施》，高等級公路高負荷機電必須配置不間斷電源裝置（Uninterruptible Power System，UPS）及應急電源裝置（Emergency Power System，EPS）。

根據現行設計及建設思路，局端供電設備通常設置在隧道變電所內，經電流補償、穩壓處理后轉變為高壓直流電，向公路隧道監控、照明等系統供電。故對于高速公路隧道一級電力負荷機電必須配備UPS電源柜，若突發電源故障，便會激發由電源柜供電的自動切換功能；其余負荷機電的配電則全部通過上端電源箱實現；而下端電源箱主要與原照明配電箱緊挨布置，借此將高壓直流電源降為220 V的低壓電源，便于終端機電取用。對于消防等設施而言，電源負荷高，功率大，故應配備獨立的常規供電電源，再借助變壓器將其轉換成低壓電源。

按照以上設計，高速公路機電工程中智慧供電系統兼具監控、通信功能，能遠程實時調控、斷開下位機輸電回路，還能預約設置調壓、斷開時間。該系統還能依據隧道內車流量、隧道外部亮度等動態調節隧道內照明設施功率，節能減排性能優異。終端用電設備關閉后，與之相連的上下端模塊也相應關閉，系統能耗便于控制。

2.3.2""" 在道路機電中的應用

高速公路外場機電布置較為分散，供電距離長，負荷相差大。局端供電系統在具體設計時應布設于公路沿線房建變電所中，同時配備UPS電源柜以保證性能穩定可靠。上端電源向高壓直流電轉變過程中必須經補償、穩壓等處理，此后輸入下端電源箱，向外場監控、照明機電提供電力。

道路監控系統與照明系統具有不同電力負荷等級，如遇智慧供電系統故障，應直接斷開照明系統，為監控系統可靠運行提供保證。為實現以上操作，必須增設控制電纜，系統故障并切換成電源柜供電后，由其將照明系統供電切斷，為監控系統運行提供電力保障。照明系統的控制可通過軟件平臺及時序控制器實現。

以上設計方案均在祁臨高速公路得到成功應用。隧道機電與道路機電智慧供電系統的設計有共同之處，即對監控負荷等級要求高，必須借助電源柜的設置確保電源可靠穩定等。故在以上設計中隧道機電智慧供電和道路機電智慧供電兩種局端供電方案具有通用性，可以設置兩套局端供電系統展開單獨供電，也可以設置一套供電系統同時為隧道機電和公路機電供電，并設置輔助型控制電纜。

3""" 高速公路機電工程中智慧供電系統應用優勢

高速公路機電工程智慧供電系統與傳統供電系統的比較如表1所示。

據此可以看出，風光互補新能源供電系統受外界環境影響非常大，電源可靠性及電壓穩定性均無法保證。而智慧供電系統雖起步晚，但自身電壓可自動調節至穩定，并待直流電源輸出后啟動濾波功能，保證供電可靠及電壓穩定。與此同時，智慧供電系統還具有較長的傳輸距離，沿線市電無須介入，管理及運維成本均較低。

智慧供電系統除具備傳統供電系統功率因數補償、過流繼電保護、浪涌保護、抗干擾以及實時監測等功能外，還具有以下優勢：

1）單相傳輸。在三相負載的供配電系統中，配電變壓器及傳輸線路能耗高，配變容易引發零序電流。但對于智慧供電系統而言，借助上位機將三相380 V市電轉變成單相3.3 kV中壓，能達到電源負載三相平衡，并減少電纜芯數。

2）超高供電質量。供電局端和遠端間傳輸電壓等級更高，在相同功率負荷下壓降小，電壓穩定性好。借助智慧供電系統的上位機可處理高次諧波，抵抗市電浪涌電流，穩定輸出電壓，提升用電設備安全程度[5]。本文所提出的高速公路機電工程智慧供電系統主要通過IGBT+PWM技術及有源功率補償電路改善功率因數，可將功率因數提高至0.95及以上。

3）成本優勢凸顯。供電局端和遠端間主要傳輸直流電，磁感應損耗和介質損耗幾乎為零，完全不存在對其余通信電纜的干擾，故能與其余電纜同管敷設，施工成本低。對于LED等光源，只需對直流傳輸進行直流變壓，能省去驅動電源維護過程，也無須進行三相平衡處理，節省了運維成本。高速公路機電工程智慧供電系統中遠端設備調壓、開斷等均可通過局端設備展開控制；在終端負載卸除后上端供電隨即切斷，設備能耗可顯著降低。

4）兼容性好。該智慧供電系統中上端電源柜能接入多路市電和應急發電設備，甚至能與其余發電系統直接并網，即發即用。如遇市電故障，能確保用戶側正常供電，同時為高速公路UPS裝置和EPS裝置正常運行提供可靠保證。

4""" 結束語

綜上所述，高速公路用電設備分散程度高，電力負荷小，并呈帶狀分布，應用傳統供電系統成本高，供配電效率低。高速公路機電工程智慧供電系統為單相供電，上下位機智能控制，供電效果穩定，造價降低，能為高速公路機電工程可靠穩定運行提供保證。本文所提出的高速公路機電工程智慧供電系統設計思路在具體公路中得到成功實施，高速公路隧道機電與外場道路機電監控負荷等級均較高，均需配置UPS電源柜，故該系統對道路機電和隧道機電具有通用性。為簡化設計、節省投資，該高速公路道路機電與隧道機電共用一套局端供電系統，經濟效益和社會效益十分顯著。

[參考文獻]

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[2] 張震.基于智慧化的高速公路機電工程建設[J].智能建筑與智慧城市，2023（7）：169-171.

[3] 李磊.智慧供電系統在高速公路機電工程中的應用[J].電子技術，2023，52（5）：184-185.

[4] 趙強.智慧供電系統在高速公路機電工程中的應用[J].工程建設與設計，2022（21）：120-123.

[5] 滕宇，趙勇.高速公路機電工程的智慧供電設計[J].公路，2021，66（5）：210-212.

收稿日期：2024-09-14

作者簡介：翟文君（1987—），男，山西繁峙人，工程師，從事公路管理技術工作。