摘 要：為探索高速公路智慧供電系統(tǒng)設(shè)計思路及應(yīng)用要點，從高速公路機電工程傳統(tǒng)供配電方式及運行現(xiàn)狀出發(fā)，對高速公路機電工程智慧供電系統(tǒng)的構(gòu)成及總體設(shè)計展開分析，進(jìn)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(tǒng)的應(yīng)用。研究結(jié)果表明，高速公路機電工程智慧供電系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用能較好地解決傳統(tǒng)供電方式以及風(fēng)光互補等新能源供電系統(tǒng)的劣勢與不足，有效降低能耗，提升高速公路供配電效率。

關(guān)鍵詞：高速公路；機電工程；智慧供電系統(tǒng)；設(shè)計；應(yīng)用

中圖分類號：U418.7""" 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǔ)性產(chǎn)業(yè)是社會經(jīng)濟(jì)長足發(fā)展的可靠保證，智慧高速公路的建設(shè)能進(jìn)一步提升道路安全等級，緩解交通擁堵，促進(jìn)道路建設(shè)內(nèi)涵式發(fā)展。監(jiān)控、照明、通風(fēng)系統(tǒng)是高速公路重要的附屬系統(tǒng)，也是保證高速公路安全穩(wěn)定運行的前提。智慧供電系統(tǒng)的出現(xiàn)為高速公路各類附屬系統(tǒng)照明提供了可靠保證，在較好克服傳統(tǒng)供電系統(tǒng)弊端的同時，能實現(xiàn)高質(zhì)量、智能化供電，并可實現(xiàn)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(tǒng)展開設(shè)計及應(yīng)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(tǒng)供配電現(xiàn)狀

高速公路機電工程傳統(tǒng)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(fēng)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(dǎo)線截面積正向相關(guān)，與導(dǎo)線長度反向相關(guān)；電流平方與線路損耗和電阻均正向相關(guān)[1]。在電阻及輸送電功率恒定的供電系統(tǒng)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(tǒng)通過低壓配電柜直接向外場設(shè)備供電，由于電壓降的存在，供電距離只能達(dá)到4 000 m左右。在系統(tǒng)內(nèi)輸電功率既定的情況下，供電距離越長，導(dǎo)線截面積越大，所需的輸送電壓值也越高。但隨著導(dǎo)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(tǒng)如圖1所示。

該供電系統(tǒng)對全部供電設(shè)施和電纜耐壓等級無較高要求，建設(shè)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(fù)載端三相平衡要求高；電纜成本受負(fù)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(tǒng)適用于供電距離在4 000 m以上的情形，電源通常設(shè)置在負(fù)載集中區(qū)域，通過6 kV（10 kV）/0.4 kV變壓器的安裝達(dá)到向380 V/220 V調(diào)壓的目的，同時為二次配電提供便利（圖2）。此類供配電系統(tǒng)在高等級公路橋梁工程中較為常見，傳輸距離可達(dá)到10～14 km。為保證二次配電，必須將各類變壓設(shè)施布置在相應(yīng)負(fù)荷區(qū)域，同時配備高耐壓等級電纜。為保證電壓穩(wěn)定，必須配備高性能隔離變壓器，無形中提高了供電系統(tǒng)造價。

1.3""" 風(fēng)光互補供電

即將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡ㄟ^整流器充入蓄電池；將太陽能轉(zhuǎn)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(qū)域，布線及運維過程簡單，但轉(zhuǎn)化效率較低，供電質(zhì)量不高。

2""" 高速公路機電工程智慧供電系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

2.1""" 智慧供電系統(tǒng)構(gòu)成

智慧供電系統(tǒng)主要包括局端供電、遠(yuǎn)端受電、電力電纜等部分，具體組成情況如圖3所示。此系統(tǒng)能夠為負(fù)荷小、距離遠(yuǎn)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(shè)備主要從變電所取得單路（多路）基礎(chǔ)電源，進(jìn)而借助AC/DC或DC/DC轉(zhuǎn)換模塊輸出不同等級直流電源，擴能功能強大[2]。此類設(shè)備中還配備有冗余配置、連接線等設(shè)計的防雷、監(jiān)控等模塊，發(fā)揮輔助功能。

電壓等級較高的直流電通過布設(shè)在用電點周圍的遠(yuǎn)端受電設(shè)備轉(zhuǎn)換成相應(yīng)負(fù)載電源。該端頭同樣布設(shè)熱插拔設(shè)計的監(jiān)控、防雷模塊。此類設(shè)備在高速公路中主要指道路監(jiān)控、照明設(shè)施。

2.2""" 智慧供電系統(tǒng)總體設(shè)計

按照以上思路，祁臨高速公路全線機電設(shè)施均通過一端變電所供電，該供電系統(tǒng)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(jīng)由下位機處理并降壓至220 V電源后再向隧道內(nèi)監(jiān)控、通風(fēng)、照明等用電設(shè)備供應(yīng)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(tǒng)如圖4所示。

該智慧供電系統(tǒng)中上位機和高頻變換器存在串聯(lián)和并聯(lián)等多種連接方式，可起到較好的市電電能質(zhì)量補償及電壓/電流控制、穩(wěn)定效果[3]，同時能在電流調(diào)節(jié)分量保持一致的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)市電電壓變幅不超出±15%范圍的控制目的，還能將負(fù)載電壓穩(wěn)定精度控制在±1.0%以內(nèi)[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(jìn)行降耗處理顯然不利于輸供電成本控制目標(biāo)的達(dá)成。對于該智慧供電系統(tǒng)而言，可通過控制實際傳輸距離以及調(diào)節(jié)帶載負(fù)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(fù)荷較高的高速公路機電系統(tǒng)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(tǒng)在高速公路機電工程中的應(yīng)用

祁臨高速公路為所在地區(qū)省際公路干線，全線包括兩座長大隧道，隧道內(nèi)監(jiān)控等級均為A級。通過研究該公路隧道及道路機電設(shè)施功率、負(fù)載特性，針對現(xiàn)狀供配電方式存在的不足，提出智慧供電系統(tǒng)應(yīng)用思路。

2.3.1""" 在隧道機電中的應(yīng)用

高速公路隧道內(nèi)機電類型多，負(fù)荷大。隧道監(jiān)控、應(yīng)急照明、消防水泵、排煙風(fēng)機等全部屬于一級電力負(fù)荷，常規(guī)照明、通風(fēng)風(fēng)機、消防補水等則屬于二級電力負(fù)荷。按照J(rèn)TG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第二冊 交通工程與附屬設(shè)施》，高等級公路高負(fù)荷機電必須配置不間斷電源裝置（Uninterruptible Power System，UPS）及應(yīng)急電源裝置（Emergency Power System，EPS）。

根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計及建設(shè)思路，局端供電設(shè)備通常設(shè)置在隧道變電所內(nèi)，經(jīng)電流補償、穩(wěn)壓處理后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟?，向公路隧道監(jiān)控、照明等系統(tǒng)供電。故對于高速公路隧道一級電力負(fù)荷機電必須配備UPS電源柜，若突發(fā)電源故障，便會激發(fā)由電源柜供電的自動切換功能；其余負(fù)荷機電的配電則全部通過上端電源箱實現(xiàn)；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(shè)施而言，電源負(fù)荷高，功率大，故應(yīng)配備獨立的常規(guī)供電電源，再借助變壓器將其轉(zhuǎn)換成低壓電源。

按照以上設(shè)計，高速公路機電工程中智慧供電系統(tǒng)兼具監(jiān)控、通信功能，能遠(yuǎn)程實時調(diào)控、斷開下位機輸電回路，還能預(yù)約設(shè)置調(diào)壓、斷開時間。該系統(tǒng)還能依據(jù)隧道內(nèi)車流量、隧道外部亮度等動態(tài)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)照明設(shè)施功率，節(jié)能減排性能優(yōu)異。終端用電設(shè)備關(guān)閉后，與之相連的上下端模塊也相應(yīng)關(guān)閉，系統(tǒng)能耗便于控制。

2.3.2""" 在道路機電中的應(yīng)用

高速公路外場機電布置較為分散，供電距離長，負(fù)荷相差大。局端供電系統(tǒng)在具體設(shè)計時應(yīng)布設(shè)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(wěn)定可靠。上端電源向高壓直流電轉(zhuǎn)變過程中必須經(jīng)補償、穩(wěn)壓等處理，此后輸入下端電源箱，向外場監(jiān)控、照明機電提供電力。

道路監(jiān)控系統(tǒng)與照明系統(tǒng)具有不同電力負(fù)荷等級，如遇智慧供電系統(tǒng)故障，應(yīng)直接斷開照明系統(tǒng)，為監(jiān)控系統(tǒng)可靠運行提供保證。為實現(xiàn)以上操作，必須增設(shè)控制電纜，系統(tǒng)故障并切換成電源柜供電后，由其將照明系統(tǒng)供電切斷，為監(jiān)控系統(tǒng)運行提供電力保障。照明系統(tǒng)的控制可通過軟件平臺及時序控制器實現(xiàn)。

以上設(shè)計方案均在祁臨高速公路得到成功應(yīng)用。隧道機電與道路機電智慧供電系統(tǒng)的設(shè)計有共同之處，即對監(jiān)控負(fù)荷等級要求高，必須借助電源柜的設(shè)置確保電源可靠穩(wěn)定等。故在以上設(shè)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(shè)置兩套局端供電系統(tǒng)展開單獨供電，也可以設(shè)置一套供電系統(tǒng)同時為隧道機電和公路機電供電，并設(shè)置輔助型控制電纜。

3""" 高速公路機電工程中智慧供電系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

高速公路機電工程智慧供電系統(tǒng)與傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的比較如表1所示。

據(jù)此可以看出，風(fēng)光互補新能源供電系統(tǒng)受外界環(huán)境影響非常大，電源可靠性及電壓穩(wěn)定性均無法保證。而智慧供電系統(tǒng)雖起步晚，但自身電壓可自動調(diào)節(jié)至穩(wěn)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(wěn)定。與此同時，智慧供電系統(tǒng)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(tǒng)除具備傳統(tǒng)供電系統(tǒng)功率因數(shù)補償、過流繼電保護(hù)、浪涌保護(hù)、抗干擾以及實時監(jiān)測等功能外，還具有以下優(yōu)勢：

1）單相傳輸。在三相負(fù)載的供配電系統(tǒng)中，配電變壓器及傳輸線路能耗高，配變?nèi)菀滓l(fā)零序電流。但對于智慧供電系統(tǒng)而言，借助上位機將三相380 V市電轉(zhuǎn)變成單相3.3 kV中壓，能達(dá)到電源負(fù)載三相平衡，并減少電纜芯數(shù)。

2）超高供電質(zhì)量。供電局端和遠(yuǎn)端間傳輸電壓等級更高，在相同功率負(fù)荷下壓降小，電壓穩(wěn)定性好。借助智慧供電系統(tǒng)的上位機可處理高次諧波，抵抗市電浪涌電流，穩(wěn)定輸出電壓，提升用電設(shè)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(tǒng)主要通過IGBT+PWM技術(shù)及有源功率補償電路改善功率因數(shù)，可將功率因數(shù)提高至0.95及以上。

3）成本優(yōu)勢凸顯。供電局端和遠(yuǎn)端間主要傳輸直流電，磁感應(yīng)損耗和介質(zhì)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(shè)，施工成本低。對于LED等光源，只需對直流傳輸進(jìn)行直流變壓，能省去驅(qū)動電源維護(hù)過程，也無須進(jìn)行三相平衡處理，節(jié)省了運維成本。高速公路機電工程智慧供電系統(tǒng)中遠(yuǎn)端設(shè)備調(diào)壓、開斷等均可通過局端設(shè)備展開控制；在終端負(fù)載卸除后上端供電隨即切斷，設(shè)備能耗可顯著降低。

4）兼容性好。該智慧供電系統(tǒng)中上端電源柜能接入多路市電和應(yīng)急發(fā)電設(shè)備，甚至能與其余發(fā)電系統(tǒng)直接并網(wǎng)，即發(fā)即用。如遇市電故障，能確保用戶側(cè)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(jié)束語

綜上所述，高速公路用電設(shè)備分散程度高，電力負(fù)荷小，并呈帶狀分布，應(yīng)用傳統(tǒng)供電系統(tǒng)成本高，供配電效率低。高速公路機電工程智慧供電系統(tǒng)為單相供電，上下位機智能控制，供電效果穩(wěn)定，造價降低，能為高速公路機電工程可靠穩(wěn)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(tǒng)設(shè)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(jiān)控負(fù)荷等級均較高，均需配置UPS電源柜，故該系統(tǒng)對道路機電和隧道機電具有通用性。為簡化設(shè)計、節(jié)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(tǒng)，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分顯著。

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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(shù)工作。