摘 要：鑒于我國高速公路沿線環(huán)境和用電設備配置的多樣性，首先介紹了現(xiàn)有高速公路的4種供電系統(tǒng)：傳統(tǒng)低壓（380/220 V）直接供電系統(tǒng)、高壓（10 kV）間接供電系統(tǒng)、風光互補供電系統(tǒng)、遠程供電系統(tǒng)，并分析了各系統(tǒng)的優(yōu)缺點，同時給出了遠程供電系統(tǒng)的設計案例，最后簡要闡述了智慧供電系統(tǒng)的發(fā)展優(yōu)勢。

關鍵詞：高速公路；供電系統(tǒng)；遠程供電；智慧供電

中圖分類號：U417? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.022

0? ? 引言

近年來，隨著無人駕駛、全程監(jiān)控、車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，國家出臺了一系列智慧高速的相應政策文件，強調(diào)了智慧高速公路建設的重要性。同時，各省加大了對高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)、惡劣氣象預警系統(tǒng)以及消冰融雪系統(tǒng)等智能設施的投資建設，這些都極大地增加了高速公路沿線機電設備的數(shù)量，同時也對高速公路供配電系統(tǒng)提出了更高的要求。

1? ? 現(xiàn)有高速公路供配電系統(tǒng)

我國早期高速公路的用電設備主要集中在收費站和服務區(qū)附近，因此從收費站和服務區(qū)采用低壓直接供電最為方便有效，但隨著交通行業(yè)的快速發(fā)展，高速公路沿線配套設施迅速增加，低壓直接供電已不能滿足用電需求，多種供電系統(tǒng)應運而生。

1.1? ? 傳統(tǒng)低壓（380/220 V）直接供電系統(tǒng)

低壓直接供電系統(tǒng)是將從場區(qū)設備房中低壓饋線柜引出的380 V三相交流電，通過低壓電纜輸送到附近監(jiān)控、收費等用電設備，向其直接供電的一種供電形式[1]。

由于供電電纜具有一定的電阻，電流流過時就會產(chǎn)生相應的壓降，設備端的電壓要小于饋線柜出口端電壓。

電阻計算公式為：

R=ρ

式中：R為導線電阻；ρ為導線電阻率；L為導線的長度；S為導線的橫截面積。

由電阻計算公式可以知道，在相同環(huán)境條件下電纜的電阻與電纜長度成正比，與電纜截面積成反比，在收費站和服務區(qū)設備房附近的設備，供電電纜較短，電纜電阻及壓降較小，可以直接從低壓饋線柜引出供電電纜為設備供電；當供電距離較遠時，供電電纜較長，電纜電阻及壓降較大，當壓降過大時，電纜末輸出端電壓會低于設備工作電壓，此時設備將無法正常工作。

低壓直接供電系統(tǒng)優(yōu)點是不需要進行升降壓轉換，供電系統(tǒng)結構簡單，可操作性強、經(jīng)濟性好，缺點是供電距離較短，主要集中在收費站和服務區(qū)設備房附近，一般距離不超過2 km，是目前高速公路近距離供電時使用最多的一種方案。

傳統(tǒng)低壓直接供電系統(tǒng)具體如圖1所示。

1.2? ? 高壓（10 kV）間接供電系統(tǒng)

高壓間接供電系統(tǒng)是將設備房高壓開關柜中10 kV的高壓電，首先通過高壓電纜輸送至用電設備處，再通過變壓器將10 kV電壓降至380 V后，向用電設備供電。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點是傳輸距離較遠，一般能達到10 km左右，同時供電能力也優(yōu)于低壓直接供電系統(tǒng)。雖然該系統(tǒng)解決了低壓直接供電系統(tǒng)傳輸距離有限的問題，但是系統(tǒng)結構較復雜，存在電壓等級變換，且供電電纜耐壓等級和設備要求較高，綜合建設成本較高，故經(jīng)濟性低于傳統(tǒng)低壓直接供電系統(tǒng)，通常該系統(tǒng)用于高速公路大型橋梁及特長隧道路段。

高壓（10 kV）間接供電系統(tǒng)具體如圖2所示。

1.3? ? 風光互補供電系統(tǒng)

風光互補供電系統(tǒng)是在風能或太陽能較為充沛的地方，采用包含風力發(fā)電裝置、光伏發(fā)電裝置以及儲能裝置的小型風光互補設備將風能和太陽能轉化為電能，向用電設備供電。

該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于不需要從場區(qū)配電房引出電力，供電位置靈活，能解決部分偏遠地點供電不方便等問題；同時減少供電設備和供電電纜的建設投入，節(jié)約用電，降低工程建設成本和運營成本；此外，該系統(tǒng)充分利用了自然資源，是一種綠色、有效的方案。雖然該供電系統(tǒng)優(yōu)勢很突出，但劣勢同樣也很突出，其供電能力受天氣、環(huán)境影響大，發(fā)電效率不穩(wěn)定，無法長期為用電設備提供穩(wěn)定電源，如遇無風陰雨天氣風光互補供電系統(tǒng)將面臨極大的考驗；同時風光互補設備的儲能裝置壽命有限，后期運營維護成本較高，因此該系統(tǒng)僅適用于取電不便的地方及供電負荷要求不高的設備。

1.4? ? 遠程供電系統(tǒng)

遠程供電系統(tǒng)[2-3]是近年來隨著高速公路負載容量以及供電距離的不斷增加而產(chǎn)生的。該系統(tǒng)由一個帶有升壓功能的電源發(fā)生器、遠距離輸電母線（兩芯供電電纜）、若干個帶有降壓功能的隔離電源轉換器組成。

當供電電纜橫截面積和供電距離一定時，電阻值不變，根據(jù)功率公式P=I2R、P=UI以及歐姆定律U=IR，可以通過增加供電電壓的方式來降低供電電纜上的電壓降，保證電纜遠端的電壓滿足用電設備的使用要求，從而解決高速公路遠距離供電問題，一般遠程供電系統(tǒng)供電距離能達到10～25 km。

遠程供電系統(tǒng)具體如圖3所示。

工程上在收費場區(qū)或服務區(qū)設備房內(nèi)設置交流電源發(fā)生器，將低壓饋線柜引出的380/220 V電壓提升至1 kV左右；在外場設備處設置交流隔離電源轉換器，將1 kV電壓降至220 V后再給外場設備供電，中間電壓等級可根據(jù)用電負荷、供電距離進行合理選擇，且交流電源發(fā)生器和交流隔離電源轉換器輸出端具有防雷保護、欠壓保護、過壓保護、短路保護等功能，能夠保障用電設備的電壓質(zhì)量。遠程供電系統(tǒng)因其自身的供電能力、供電距離等特點被高速公路行業(yè)快速認可，并得以廣泛應用。

遠程供電系統(tǒng)主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾點：

（1）供電距離遠。通過將380/220 V電壓先升壓，終端再降壓的方式，保證末端輸出電壓滿足設備用電要求，同時也降低了傳輸過程中的電能損耗。

（2）具有隔離功能。交流隔離電源轉換器具有隔離市電電網(wǎng)作用，能防止市電的浪涌電流對高速公路沿線用電設備的沖擊，保證設備正常運行。

（3）具有穩(wěn)壓功能。遠程供電系統(tǒng)中配備了穩(wěn)壓裝置，能為用電設備提供穩(wěn)定的電壓，保障了用電設備的使用壽命，降低了運營維護成本。

（4）具有電力監(jiān)控功能。遠程供電系統(tǒng)可配備電力監(jiān)控模塊，對用電線路的運行狀態(tài)、環(huán)境溫度及濕度進行監(jiān)控，保障用電安全。

（5）提高了電能質(zhì)量。遠程供電系統(tǒng)采用單相供電，避免了三相供電負荷不平衡問題；該系統(tǒng)還具備補償功能，提高了功率因數(shù)，減少了無功損耗。

（6）經(jīng)濟性好。遠程供電系統(tǒng)相較于高壓間接供電系統(tǒng)，使用低壓、小型號電纜，降低了系統(tǒng)建設成本，同時，降低了傳輸過程中電纜的能耗，電能傳輸效率更高，運營用電成本更低。

遠程供電系統(tǒng)又分為交流遠程供電系統(tǒng)和直流遠程供電系統(tǒng)。直流遠程供電系統(tǒng)相對于交流遠程供電系統(tǒng)的區(qū)別在于：增加了相應的整流和逆變模塊，并且遠距離輸電電纜上傳輸?shù)氖歉邏褐绷麟姟Ｕ蛉绱?，交流遠程供電系統(tǒng)結構相對簡單，這就使其具備了故障率低、便于維護、成本低、帶載能力強、可靠性高以及擴展性好等優(yōu)勢。

1.5? ? 現(xiàn)有供電系統(tǒng)比較

無論是傳統(tǒng)的低壓直接供電、高壓間接供電、風光互補供電還是遠程供電系統(tǒng)，都在高速公路供配電業(yè)務中起著舉足輕重的作用，每種供電方式在經(jīng)濟性、效能和使用效率等方面都有自己的優(yōu)缺點[4]，具體如表1所示。

由表1可見，遠程供電系統(tǒng)在傳輸距離、帶載能力、供電質(zhì)量及后期運維等方面都更具優(yōu)勢，故該系統(tǒng)在高速公路的應用越來越廣泛，適當改造后亦可運用在大型農(nóng)場、林場等特殊領域，滿足其日常管理需求。

2? ? 遠程供電系統(tǒng)應用案例

以某高速公路項目為例，遠程供電系統(tǒng)的監(jiān)控外場設備布設如圖4所示。

從圖4可知，采用遠程供電方式，即在設備房端設置一套交流電源發(fā)生器將低壓饋線柜輸出的380 V交流電升壓至1 kV，并引出YJV-2×10型號的傳輸電纜后，為節(jié)點兩側沿線的監(jiān)控攝像機、可變情報板及氣象預警等外場設備供電，遠端各處用電設備均采用一個獨立的交流隔離電源轉換器將高壓交流電轉變成220 V交流電。

此方案采用小規(guī)格兩芯電纜，能夠滿足高速公路遠距離外場設備用電需求，覆蓋范圍最高可達40～50 km，這進一步表明遠程供電系統(tǒng)具有傳輸距離長、帶載能力強、建設成本低以及擴展性好等優(yōu)勢。

3? ? 技術發(fā)展趨勢

隨著國家及地方政府越來越重視打造信息化、智能化交通系統(tǒng)，智慧交通成為交通運輸系統(tǒng)的顯著特征，智慧供電系統(tǒng)亦得到一定的發(fā)展。

根據(jù)目前的研究[5-7]，智慧供電系統(tǒng)與傳統(tǒng)供電系統(tǒng)相比具有遠程控制的優(yōu)點：上述幾種供電系統(tǒng)是通過對高低壓開關柜進行開關操作的方式來實現(xiàn)對輸出回路的有效控制；智慧供電系統(tǒng)則是通過通信系統(tǒng)連接前后端供電設備，在智能監(jiān)控平臺實現(xiàn)對終端配電箱輸出回路進行開關和電壓調(diào)節(jié)的遠程控制。同時，隨著大數(shù)據(jù)分析、車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同及物聯(lián)網(wǎng)等技術的逐漸完善，可以在高速公路沿線配備車輛監(jiān)測等裝置，通過對高速公路車流量、道路環(huán)境等數(shù)據(jù)進行分析，在不影響用電設備正常運行的情況下，對各輸出回路進行開關和電壓控制，從而減少供電設備自身的電能損耗。

4? ? 結束語

上述各種供電系統(tǒng)在高速公路發(fā)展的不同時期、不同環(huán)境下都發(fā)揮了同樣重要的作用，遠程供電系統(tǒng)以其傳輸距離長、帶載能力強、建設成本低以及擴展性好等優(yōu)勢，被現(xiàn)代高速公路行業(yè)高度認可，并得到廣泛應用，為高速公路提供了高效、穩(wěn)定、高品質(zhì)的電力供給，保障了高速公路沿線各類用電設備的正常運行。隨著智慧供電的深入研究應用，高速公路電力供給將更加高效，智慧高速的發(fā)展將得到更加有力的支撐。

[參考文獻]

[1] 李明霞.高速公路供電方案的研究探討[J].山西交通科技，2022（3）：127-130.

[2] 秦慶飛.遠距離供電技術在公路工程項目中的應用研究[J].通信電源技術，2019，36（10）：1-4.

[3] 段陽陽，安林軒.淺談高速公路遠距離供電技術[J].中國交通信息化，2022（增刊1）：358-361.

[4] 羅陵.湖南省高速公路全網(wǎng)供電改造方案探討[J].中國交通信息化，2021（11）：127-132.

[5] 趙強.智慧供電系統(tǒng)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.

[6] 顧汶泰.智慧供電在高速公路中的應用探討[J].中國設備工程，2022（10）：26-28.

[7] 張皓垣，江婷.高速公路智慧供電技術淺析[J].中國交通信息化，2022（增刊1）：356-357.

收稿日期：2023-04-26

作者簡介：葛禮春（1987—），男，安徽巢湖人，高級工程師，主要從事高速公路機電與信息化建設和管理工作。