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根據(jù)交通運(yùn)輸部2019年8月發(fā)布的《2018年全國收費(fèi)公路統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，中國高速公路通車總里程已達(dá)到14.26萬公里，里程規(guī)模居世界第一，同時(shí)，仍有大量的高速公路項(xiàng)目還在規(guī)劃、建設(shè)中。隨著科技的發(fā)展和交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，新一代信息技術(shù)與交通運(yùn)輸深度融合發(fā)展成為必然趨勢(shì)。智慧高速公路作為智慧交通的重要組成部分，日益得以重視并發(fā)展。在高速公路的設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，供配電設(shè)施是高速公路各種機(jī)電設(shè)施得以正常工作的基礎(chǔ)設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)智慧高速公路的保障條件。因而，如何確定與智慧高速公路需求相適應(yīng)的供配電方案是公路建設(shè)者和設(shè)計(jì)人員需要認(rèn)真探究的問題。本文將通過與普通高速公路供配電需求的對(duì)比分析，探討智慧高速公路的電能需求及其供配電方案。

一、智慧高速公路發(fā)展現(xiàn)狀

2014年全國交通運(yùn)輸工作會(huì)議提出加快綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通“四個(gè)交通”發(fā)展；2019年中共中央、國務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，提出大力發(fā)展智慧交通。智慧高速公路一直作為智慧交通的一部分不斷發(fā)展。2017、2018年交通運(yùn)輸部確立了北京、河北、浙江、廣東等9個(gè)省份承擔(dān)智慧公路與新一代國家交通控制網(wǎng)試點(diǎn)工作，國內(nèi)多條高速公路已陸續(xù)開展智慧高速公路建設(shè)。

目前智慧高速公路尚未形成統(tǒng)一的定義，已建或在建的智慧高速公路分別從不同的方面圍繞著“智慧”功能進(jìn)行實(shí)施；但是從試點(diǎn)方向和建設(shè)實(shí)際來看，智慧高速公路建設(shè)集中在公路管理、服務(wù)、養(yǎng)護(hù)、行駛等的智慧化，以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、車路協(xié)同、自動(dòng)駕駛、5G通信等前沿技術(shù)的實(shí)現(xiàn)為特征，使高速公路成為更安全、更高效的運(yùn)輸系統(tǒng)。

智慧高速公路與普通高速公路相比，應(yīng)用了多項(xiàng)新技術(shù)、新設(shè)備和新的建設(shè)方案，其供配電系統(tǒng)也有所不同。甚至某些供配電方案本身已融入智慧公路建設(shè)中，成為智慧公路的一部分。如蘇州同里的“三合一”無線充電智慧公路，已實(shí)現(xiàn)光伏路面發(fā)電、動(dòng)態(tài)無線充電、無人駕駛?cè)N技術(shù)的融合應(yīng)用，雖然還處于短距離、低時(shí)速路段試驗(yàn)階段，仍然不失為未來智慧高速公路發(fā)展方向之一。

二、智慧高速公路的電能需求分析

（一）普通高速公路的電能需求

普通高速公路的用電負(fù)荷集中在收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、停車區(qū)、隧道等區(qū)域，主要用于收費(fèi)、通信、監(jiān)控等機(jī)電設(shè)施和辦公、生活以及隧道照明、通風(fēng)、消防等設(shè)施。同時(shí)，由于南北方地域與氣溫不同，使得高速公路的用電需求也存在很大不同，比如，北方冬季寒冷，需要在辦公和生活區(qū)設(shè)置電暖氣、電鍋爐等電力供暖設(shè)施；為防止隧道消防管道凍裂，需設(shè)置電伴熱裝置等，一個(gè)站點(diǎn)的用電負(fù)荷往往高達(dá)數(shù)百甚至上千伏安。而南方則不需要這些設(shè)施，但在夏季空調(diào)又是必需品。普通高速公路供電多以集中供電為主，既符合供配電設(shè)計(jì)規(guī)范要求，又便于管理和維護(hù)。對(duì)于公路沿線分布的少量小負(fù)荷機(jī)電設(shè)施，如監(jiān)控?cái)z像頭、情報(bào)板等，或采用太陽能、風(fēng)能供電，或單獨(dú)從電網(wǎng)接引電源獨(dú)立供電，均可滿足其電能需求。

（二）智慧高速公路的用電設(shè)施和設(shè)備

全程視頻監(jiān)控、交通流感知、交通事件感知、交通環(huán)境感知和基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)等設(shè)施是智慧高速公路的基本配置。根據(jù)高速公路路段所屬地域情況還需配置消冰融雪系統(tǒng)、匝道控制系統(tǒng)、電子標(biāo)志標(biāo)線、智能護(hù)欄、智慧路燈等智能設(shè)施、車路協(xié)同相關(guān)設(shè)施等；在服務(wù)區(qū)、停車區(qū)需增加智慧服務(wù)功能、電動(dòng)汽車充電設(shè)施等。而智慧高速公路的管理中心也將布置管養(yǎng)一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)等綜合管理平臺(tái)?？偠灾S著信息技術(shù)的發(fā)展，智慧高速公路必將集成更多以電能驅(qū)動(dòng)的智能設(shè)施設(shè)備，對(duì)電能的依賴程度將不斷增加。

（三）智慧高速公路用電負(fù)荷特點(diǎn)

智慧高速公路與普通高速公路相比，站點(diǎn)的集中負(fù)荷可能會(huì)有所減小，但以電能驅(qū)動(dòng)的各種智能設(shè)施設(shè)備將遍布公路全域范圍。公路監(jiān)視、檢測(cè)、引導(dǎo)、提示、聯(lián)網(wǎng)等功能為主的智能設(shè)施設(shè)備，單點(diǎn)用電負(fù)荷較小；但為保障公路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、大流量的通信，就要求電能供應(yīng)穩(wěn)定、不間斷。目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中尚未形成針對(duì)智慧高速公路機(jī)電設(shè)施用電負(fù)荷性質(zhì)的具體規(guī)定，但從智慧高速公路需要實(shí)現(xiàn)的功能來看，為實(shí)現(xiàn)公路智慧化而設(shè)置的各類用電負(fù)荷，至少應(yīng)歸為二級(jí)負(fù)荷；部分負(fù)荷應(yīng)為一級(jí)負(fù)荷。智慧高速公路用電負(fù)荷的特點(diǎn)如表1所示。

表1.智慧高速公路用電負(fù)荷特點(diǎn)

三、普通高速公路供配電方案存在的不足

普通高速公路用電負(fù)荷多以站點(diǎn)式集中分布，供電方案以集中供電方式為主，即通過各站點(diǎn)從就近電網(wǎng)接引電源至站點(diǎn)變電所，再向具體設(shè)施供應(yīng)配電。同時(shí)，為滿足一級(jí)負(fù)荷和主要二級(jí)負(fù)荷的供電要求，采用雙重電源供電或設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，設(shè)置UPS或EPS作為應(yīng)急電源。對(duì)于公路沿線分布的少量小負(fù)荷機(jī)電設(shè)施，例如監(jiān)控?cái)z像頭、情報(bào)板等，采用太陽能供電、風(fēng)光互補(bǔ)供電；技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)單獨(dú)從就近電網(wǎng)接引電源獨(dú)立供電。但如果公路沿線小負(fù)荷、多點(diǎn)分布的設(shè)備較多、對(duì)供電可靠性要求較高，或穿越人煙稀少路段且該地區(qū)附近無電網(wǎng)時(shí)，這些設(shè)施的供電可靠性就難以保障了。但是，即便就近地區(qū)有電網(wǎng)時(shí)，直接從電網(wǎng)接引電源供電一方面經(jīng)濟(jì)性較差，另一方面與電網(wǎng)接口較多時(shí)，也增加了管理與維護(hù)的難度。

四、智慧高速公路的供配電方案

（一）智慧高速公路的供配電要求

從智慧高速公路用電負(fù)荷的特點(diǎn)可以看出，智慧高速公路各類設(shè)施設(shè)備對(duì)供配電的要求包括：

1.供電可靠性高。設(shè)備不能間斷工作、不能隨意中斷供電。

2.電能質(zhì)量要好。智慧高速公路的設(shè)備包含大量功率、測(cè)量等電子器件，對(duì)電壓、電流、頻率等變化敏感，容易損壞。

3.供電距離較長(zhǎng)。一般低壓（380/220V）合理供電距離均在1km以內(nèi)，而智慧高速公路需對(duì)沿線連續(xù)幾公里甚至十幾公里范圍內(nèi)的設(shè)備供電。

4.便于集中管理。設(shè)備數(shù)量多、用電負(fù)荷分散，在滿足電能需求的同時(shí)還要便于集中管理和維護(hù)。

（二）適用的供配電方案

智慧高速公路的供配電方案需要在普通高速公路供配電方案的基礎(chǔ)上有所調(diào)整才能滿足要求。針對(duì)公路匝道收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、停車區(qū)、養(yǎng)護(hù)工區(qū)等站點(diǎn)，可參照普通高速公路站點(diǎn)集中供配電方式進(jìn)行。對(duì)于高速公路沿線門架系統(tǒng)及各種智能設(shè)施設(shè)備，若均采用太陽能或風(fēng)光互補(bǔ)供電則在可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面存在弊端，可采用長(zhǎng)距離單相分布式供配電方案。該方案以單相升壓-傳輸-降壓為基本原理，從地區(qū)電網(wǎng)引入三相電源后，經(jīng)三相平衡處理，將三相電轉(zhuǎn)換成單相電，再經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后為遠(yuǎn)端負(fù)荷單相供電。其系統(tǒng)組成意如圖1所示。

圖1.長(zhǎng)距離單相分布式供配電示意

采用該方案進(jìn)行供配電設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下問題：

1.需綜合分析公路全線用電負(fù)荷，合理劃分供電區(qū)間。包括全線上位機(jī)安裝數(shù)量及位置和上位機(jī)、下位機(jī)覆蓋區(qū)間，確定合理供電距離和負(fù)載率。

2.根據(jù)供電區(qū)間劃分，選擇合適的長(zhǎng)距離傳輸電壓等級(jí)及相應(yīng)設(shè)備。

3.根據(jù)遠(yuǎn)端負(fù)荷重要性，確定上位機(jī)電源是否接入備用電源或應(yīng)急電源系統(tǒng)。

此外，對(duì)于分布較遠(yuǎn)的零星小負(fù)荷用電設(shè)備，從經(jīng)濟(jì)性、功能性等方面考慮，可單獨(dú)采用太陽能或風(fēng)光互補(bǔ)方式供電，并配以可靠的蓄電池組、智能監(jiān)測(cè)及通信單元，以便于及時(shí)處理故障情況。

五、結(jié)語

未來智慧高速公路供配電系統(tǒng)應(yīng)向高效、低耗和節(jié)能等方向不斷完善。隨著信息、電力等技術(shù)的發(fā)展，智慧高速公路供配電系統(tǒng)也必將不斷發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)“智慧”供配電。