劉 浩， 曹佳寶， 齊龍平

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 湖南 長沙 410015)

0 引言

取消省界收費站項目中ETC門架系統(tǒng)是分段計費、扣費的關(guān)鍵，對設(shè)備穩(wěn)定性要求較高，為了確保ETC門架設(shè)備穩(wěn)定、可靠運行，需要采用供電質(zhì)量更好、穩(wěn)定性更強(qiáng)、安全性更高的遠(yuǎn)程供電方案。

目前高速公路上主要采用3種遠(yuǎn)程供電方案：直接供電、升壓直流供電和升壓交流供電，這3種方案從造價、技術(shù)和施工難度上來說都有各自的特點[1-2]。本文僅就取消省界收費站項目中的ETC門架系統(tǒng)供電方案進(jìn)行深入分析和對比，通過建立熵權(quán)綜合評價模型，分析探討湖南省ETC門架系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電方案的合理性。

1 ETC門架系統(tǒng)的負(fù)載計算

湖南省取消省界收費站項目中ETC門架系統(tǒng)的負(fù)載構(gòu)成為：天線、高清車牌識別攝像機(jī)、補(bǔ)光燈、監(jiān)控攝像機(jī)、天線控制器、工控機(jī)、空調(diào)、UPS、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。由于湖南省高速公路包含雙向四車道和雙向六車道2種形式，分別計算其負(fù)載，雙向四車道半幅門架負(fù)載計算見表1，雙向六車道半幅門架負(fù)載計算見表2。

表1 雙向四車道單幅門架設(shè)備功率表項目名稱數(shù)量/個功率/W功率小計/W天線620120高清車牌識別攝像機(jī)5120600補(bǔ)光燈650300監(jiān)控攝像機(jī)1100100天線控制器2200400工控機(jī)1750750空調(diào)1900900UPS1430430工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)12020合計3 620

表2 雙向六單幅門架設(shè)備功率表項目名稱數(shù)量/個功率/W功率小計/W天線820160高清車牌識別攝像機(jī)8120960補(bǔ)光燈850400監(jiān)控攝像機(jī)1100100天線控制器2200400工控機(jī)1750750空調(diào)1900900UPS1430430工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)12020合計4 120

需供電ETC門架數(shù)量根據(jù)實際情況分為2、4、6個門架。依照門架負(fù)載具體情況，實際分析遠(yuǎn)程供電遠(yuǎn)端用電需求時，在熵權(quán)綜合評價模型中僅需分析2種門架負(fù)載：單側(cè)2個ETC門架供電和單側(cè)4個ETC門架供電。

2 遠(yuǎn)程供電方案對比

ETC門架系統(tǒng)的供電點一般在相應(yīng)收費站的變電站，供電點距門架1.5～3 km，因此需要考慮遠(yuǎn)程供電，現(xiàn)就常用的3種遠(yuǎn)程供電方案，分別從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、施工層面分析對比其優(yōu)缺點。

方案1(直接供電)：使用低壓電纜直接敷設(shè)的交流供電。

方案2(升壓直流)：升壓轉(zhuǎn)直流后使用高壓電纜送電，在近端再進(jìn)行變電降壓的直流供電。

方案3(升壓交流)：升壓后使用高壓電纜送電，在近端再進(jìn)行降壓的交流供電。

2.1 造價層面對比

如何降低遠(yuǎn)程供電成本一直是高速公路遠(yuǎn)程供電考慮的重要問題，經(jīng)濟(jì)性對比不能只從單方面比較，需要考慮供電端負(fù)載、供電距離、設(shè)備造價和施工造價等多個方面，綜合分析造價最低的供電方案。

通過對比3個方案中供電距離和設(shè)備總造價(包括電纜、主要設(shè)備等)的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有用電負(fù)載條件下，無論是單側(cè)2個還是單側(cè)4個ETC門架供電，當(dāng)供電距離小于2.2 kM時，采用方案1造價最低；當(dāng)供電距離大于2.2 kM時，采用方案3造價最低。

2.2 技術(shù)層面對比

ETC門架系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電的技術(shù)層面考慮因素分別是：系統(tǒng)構(gòu)成、可擴(kuò)容性、通用性、安全性、供電質(zhì)量和環(huán)保水平。ETC門架系統(tǒng)供電是整個門架運行的底層支撐，因此在確定供電方式時，針對3種方案分別就上述因素進(jìn)行對比(見表3)。

表3 技術(shù)層面對比表決定因素方案1方案2方案3系統(tǒng)構(gòu)成簡單主要由換流器、變壓器、電抗器、濾波器、避雷器及控制保護(hù)設(shè)備等構(gòu)成,非常復(fù)雜由電源發(fā)生器、隔離變換器、和供電電纜組成,構(gòu)成復(fù)雜程度中等擴(kuò)容性極佳很差較好通用性可以同時給大功率和小功率設(shè)備供電,通用性好由于系統(tǒng)柔性較差,無法同時給大功率和小功率設(shè)備供電可以同時給大功率和小功率設(shè)備供電,通用性好安全性電纜線徑大、發(fā)熱大,用電安全性差,輸送的電流、電壓穩(wěn)定性低,設(shè)備安全性較差,防雷性一般電纜線徑最小,熱功率低,用電安全性高,但是裝置可靠性偏低且易行成環(huán)流,防雷水平較低電纜線徑較小,發(fā)熱率低,用電安全性比較高,利用箱體聯(lián)合接地,防雷水平較高供電質(zhì)量由于沒有穩(wěn)壓設(shè)備,也沒有功率補(bǔ)償設(shè)備,受電網(wǎng)波動影響較大,供電質(zhì)量很差由于近遠(yuǎn)端都沒有穩(wěn)壓設(shè)備,供電功率會有小范圍波動。供電質(zhì)量一般近遠(yuǎn)端均有穩(wěn)壓設(shè)備?？烧{(diào)節(jié)供電質(zhì)量,有效避免熱插拔引起的電網(wǎng)波動,基本不受外界因素影響,供電質(zhì)量高環(huán)保水平電纜發(fā)熱率高,電能損耗大,同條件下節(jié)能型差,不環(huán)保比傳統(tǒng)供電方案節(jié)能比傳統(tǒng)供電方案節(jié)能,節(jié)能效果優(yōu)于直流方案 注: 供電質(zhì)量的評定參考《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》(GB/T 15543—2008),評定內(nèi)容包括功率因素、電壓不平衡和三相不平衡度。

通過對比3種方案的技術(shù)難點和優(yōu)勢可知，方案3系統(tǒng)構(gòu)成不復(fù)雜、擴(kuò)容性好、通用性強(qiáng)、安全性高、供電質(zhì)量優(yōu)秀且兼具環(huán)保節(jié)能特點，是技術(shù)層面的推薦方案。

2.3 施工層面對比

門架系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電方式的確定除了考慮技術(shù)層面各種因素外，還應(yīng)將實施過程中施工層面的各種困難點考慮進(jìn)去，因此需要對3種方案的施工難度進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表4。

通過比對施工難度、采購難度和維護(hù)難度，方案1和方案3均有各自的優(yōu)缺點，方案2設(shè)備繁多，施工、采購和后期維護(hù)都很困難。推薦使用方案1或方案3。

2.4 基于熵權(quán)綜合評價模型的實施方案評價

2.4.1評價指標(biāo)的熵權(quán)[3-4]

“熵”的概念最早來自熱力學(xué)，由德國物理學(xué)家克勞修斯于1865年提出，在經(jīng)典熵的概念中，使用自然對數(shù)去評價多個方案結(jié)局?jǐn)?shù)據(jù)的不確定性；信息論中，熵廣泛應(yīng)用于評價系統(tǒng)的紊亂程度。

表4 施工層面對比表決定因素方案1方案2方案3施工難度系統(tǒng)構(gòu)成簡單,通電操作簡單,但是電纜線徑大,敷設(shè)施工難度大線徑最小,敷設(shè)作業(yè)難度小、但設(shè)備多、系統(tǒng)復(fù)雜、通電難度大,對現(xiàn)場作業(yè)人員要求較高線徑小,敷設(shè)作業(yè)難度比較小,設(shè)備不多,普通低壓電工即可操作,難度較小設(shè)備采購難度普及性高,采購簡單設(shè)備種類多,采購困難設(shè)備采購簡單,且專業(yè)性設(shè)備可排除劣質(zhì)產(chǎn)品后期維護(hù)難度維護(hù)簡單維護(hù)困難基本不用維護(hù)

假設(shè)有A個需評價的實時方案，每個實時方案有B個評價指標(biāo)，可以寫出各個方案的不同指標(biāo)構(gòu)成矩陣，C′={c′i j}a×b，其中c′i j是第i個方案的第j個評價指標(biāo)。評價矩陣依照一定規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)化后極為C={ci j}a×b。

在該評價問題中，第j個評價指標(biāo)的熵定義為:

(1)

相對應(yīng)的第j個評價指標(biāo)的熵權(quán)定義為:

(2)

考慮到不同情況下不同指標(biāo)對最后的決策有不同影響力，本文采用如下方式將熵權(quán)與賦權(quán)合理結(jié)合，假設(shè)b個評價指標(biāo)的主觀權(quán)重為γ=[γ1，γ2…,γb]，其與熵權(quán)結(jié)合而得到的綜合權(quán)重為：

(3)

ej為第j個評價指標(biāo)的綜合權(quán)重；μ為主觀權(quán)重對于客觀熵權(quán)的相對有效性系數(shù)，μ的取值范圍設(shè)定為0≤μ≤2；若μ=1，表示主觀與客觀權(quán)重以相同的權(quán)重參與進(jìn)綜合權(quán)重之中。

2.4.2評價指標(biāo)集

本文共有A=3個待評價的ETC門架系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電方案，依照上文分析結(jié)論，選用B=10個評價指標(biāo)，分別為施工難度、設(shè)備采購難度、后期維護(hù)難度、設(shè)備總造價、系統(tǒng)構(gòu)成、擴(kuò)容性、通用性、安全性、供電質(zhì)量和環(huán)保水平。在10個評價指標(biāo)中，設(shè)備總造價評價指標(biāo)是把設(shè)備總造價進(jìn)行反函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到的指標(biāo)。

在3個備選方案中，令第i個方案的評價指標(biāo)集為Ui1=[ui1，ui2，…，ui10]，其中uij(j=1，2，…，10)表示第i個方案的第j個評價指標(biāo)值。

2.4.3評價矩陣標(biāo)準(zhǔn)化

由評價指標(biāo)集可得到3個待評價ETC門架系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電方案的評價矩陣：

(4)

對于第j個評價指標(biāo)，設(shè)cij為其標(biāo)準(zhǔn)化后元素，標(biāo)準(zhǔn)化方法為：

i=1，2，3；j=1，2，…，10

(5)

2.4.4單側(cè)設(shè)置2個ETC門架遠(yuǎn)程供電的實施方案評估

當(dāng)單側(cè)設(shè)2個ETC門架，供電距離為2.2 km時，按照評價指標(biāo)集建立評價矩陣C′如下：

按照公式(5)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的評價矩陣C如下：

根據(jù)熵的計算公式(1)，得到評價指標(biāo)熵向量為：

H=[0.907 5 0.960 9 0.960 9 0.175 3 0.967 2 0.908 4 0.953 6 0.899 8 0.952 1 0.971 1]

根據(jù)熵權(quán)計算公式(2)，得到評價指標(biāo)熵權(quán)向量為：

ω=[0.088 9 0.037 6 0.037 6 0.501 8 0.031 6 0.088 0 0.044 6 0.096 3 0.046 0 0.027 8]

若專家給定的指標(biāo)權(quán)重向量為：

γ=[0.100，0.040，0.060，0.500，0.033，0.030，0.045，0.060，0.078，0.054]

根據(jù)綜合權(quán)重公式(3)，取μ=1，得到綜合權(quán)重向量為：

e=[0.094 4 0.038 8 0.048 8 0.500 9 0.032 3 0.059 0 0.044 8 0.078 1 0.062 0 0.040 9]

最終可計算出供電距離2.2 km時，熵權(quán)綜合模型評分方案1得分C1=83.641，方案2得分C2=76.833，方案3得分C3=83.009。

經(jīng)過類似計算可分別得出供電距離為1.5、1.8、2、2.3、2.5、3 km的得分(見表5)。

通過比對評估模型得分，確定單側(cè)2個ETC門架遠(yuǎn)程供電的實施方案為： ①供電距離≤2.2 km時，使用方案1遠(yuǎn)距離直接敷設(shè)供電；②供電距離>2.2 km時，使用方案3升壓交流遠(yuǎn)距離供電。

表5 單側(cè)2個ETC門架遠(yuǎn)程供電熵權(quán)綜合評估模型得分對比表選擇方案供電距離/km1.51.822.22. 32.53方案188.01985.27384.46683.64179.00876.19973.126方案278.04977.52077.20076.83376.99375.36874.441方案383.32283.81983.41183.00983.32681.06380.587

2.4.5單側(cè)設(shè)置4個ETC門架遠(yuǎn)程供電的實施方案評估

采用與單側(cè)2個ETC門架遠(yuǎn)程供電評估類似的計算，考慮取消省界收費站項目供電質(zhì)量的重要性，指標(biāo)權(quán)重向量設(shè)定為：

γ=[0.100，0.040，0.060，0.500，0.033，0.030，0.045，0.060，0.078，0.054]，

分別計算出供電距離為1.5、1.8、2、2.3、2.5、3 km的得分(見表6)。

通過比對評估模型得分，確定單側(cè)4個ETC門架遠(yuǎn)程供電的實施方案為方案3,即升壓交流遠(yuǎn)距離供電。

表6 單側(cè)4個ETC門架遠(yuǎn)程供電熵權(quán)綜合評估模型得分對比表選擇方案供電距離/km1.51.822.22. 32.53方案185.89185.26685.11284.95079.54077.88073.326方案282.71582.65982.60082.53481.11680.67379.489方案391.06891.15391.06791.00386.89186.14584.350

3 結(jié)語

依托湖南省取消省界收費站項目，對ETC門架系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電方案，從造價層面、技術(shù)層面、施工層面研究，得出以下結(jié)論：

1) 推薦使用直接供電方案和升壓交流方案有機(jī)結(jié)合的形式進(jìn)行ETC門架系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電設(shè)計。

2) 直接供電方案或升壓交流供電方案的選擇主要由供電距離決定，影響供電距離閾值的主要因素有負(fù)載、線纜線徑和造價。

3) 供電距離小于閾值時,建議使用直接供電方案進(jìn)行遠(yuǎn)程供電。

4) 供電距離大于閾值時，建議使用升壓交流方案進(jìn)行遠(yuǎn)程供電。

5) 由于取消省界收費站項目對供電質(zhì)量的特殊要求以及設(shè)備整體負(fù)載較高，建議使用升壓交流方案進(jìn)行遠(yuǎn)程供電。