符方睿

（廣東新粵交通投資有限公司，廣東廣州 510700）

0 引言

現(xiàn)階段，高速公路機(jī)電設(shè)備的供電技術(shù)與系統(tǒng)存在造價(jià)高、穩(wěn)定性不夠、質(zhì)量控制差、能耗較高、智能化水平較低等現(xiàn)象，鑒于此，提高供電技術(shù)的供電質(zhì)量與智能化水平具有重要作用。本文提出了智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電技術(shù)，可以智能地對(duì)供電進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制，在保證質(zhì)量與穩(wěn)定性的前提下，達(dá)到降低能耗及建設(shè)成本的目的。

1 智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電技術(shù)

高速公路機(jī)電設(shè)備主要供電方式可概括如下：電能由高壓電源點(diǎn)出發(fā)，流經(jīng)供電電纜、交流變壓器，最終為機(jī)電設(shè)備進(jìn)行供能。智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電技術(shù)通過在電源點(diǎn)與交流變壓器之間設(shè)置能源智控站、總協(xié)調(diào)控制單元，實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)郊熬W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備的智能供電。

1.1 高壓電源點(diǎn)和交流變壓器

高壓電源點(diǎn)是隸屬于配電網(wǎng)的供能節(jié)點(diǎn)，為高速公路機(jī)電設(shè)備的用電負(fù)荷能源來源。交流變壓器的作用是將高壓電源點(diǎn)提供的電能降壓處理，使其滿足低壓交流母線下能源智控站的使用要求。

1.2 能源智控站

能源智控站由多種設(shè)備及系統(tǒng)構(gòu)成，主要包括低壓配電柜、能量路由器、分布式智能終端、清潔能源及儲(chǔ)能系統(tǒng)、電能質(zhì)量控制系統(tǒng)。

1.2.1 低壓配電柜

低壓配電柜主要由斷路器、計(jì)量設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、保護(hù)設(shè)備等組成[1]。電能由電源點(diǎn)供給，經(jīng)變壓器降壓處理，低壓配電柜與其輸出線路進(jìn)行連接，將電能引入能源智控站，并為能源智控站中的構(gòu)成部分供電，為高速公路用電負(fù)荷提供電能的接入，通過柜內(nèi)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電能接入、控制和保護(hù)作用。

1.2.2 能量路由器

能量路由器的主要作用是實(shí)現(xiàn)電能互聯(lián)，提高電能接入質(zhì)量[2]。能量路由器通過自身將交流變壓器低壓側(cè)的交流母線進(jìn)行連接，使電能的流動(dòng)形成鏈?zhǔn)骄W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了末端供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且能量路由器還能對(duì)其他多種電壓等級(jí)、多種類型交直流電的接入和電能進(jìn)行整合，例如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能以及儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存的電能。

1.2.3 分布式智能終端

分布式智能終端主要的作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后與總協(xié)調(diào)控制單元進(jìn)行信息的互通，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式邊緣計(jì)算分析、傳遞，為總協(xié)調(diào)控制單元的控制決策提供數(shù)據(jù)支撐，執(zhí)行反饋回來的指令，對(duì)能源智控站的運(yùn)行進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)的采集主要包括有關(guān)設(shè)備的環(huán)境數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如環(huán)境溫濕度、交直流電壓、電源以及漏電情況等。

1.2.4 清潔能源及儲(chǔ)能系統(tǒng)

清潔能源及儲(chǔ)能系統(tǒng)主要的作用是為能源智控站的運(yùn)行提供后備電源，通過蓄電池組對(duì)電能進(jìn)行收集儲(chǔ)存。對(duì)比不同種類例如鉛酸蓄電池、UPS蓄電池、磷酸鐵鋰電池等的特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境等，UPS蓄電池因具有良好的安全和放電性能以及高耐用性，作為儲(chǔ)能系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用效果。為滿足節(jié)能環(huán)保要求，減少電能損耗，還可設(shè)置清潔能源系統(tǒng)，對(duì)蓄電池中的電能進(jìn)行補(bǔ)充，例如可采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過在能源智控站外部設(shè)置光伏組件獲取太陽能，但能源智控站的占地面積較小，而且清潔能源系統(tǒng)為非必要系統(tǒng)，因此在選用清潔能源系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分考慮實(shí)際情況。

1.2.5 電能質(zhì)量控制系統(tǒng)

供電系統(tǒng)在正常工作的情況下，不中斷和干擾用戶使用電力的特性被稱為電能質(zhì)量。由于高速公路供電系統(tǒng)線路、設(shè)備的損耗，為保證電能質(zhì)量需設(shè)置質(zhì)量控制系統(tǒng)，從而使供電系統(tǒng)的輸入電壓、功率因數(shù)等滿足使用要求。電能質(zhì)量控制系統(tǒng)通過無功補(bǔ)償進(jìn)行電能質(zhì)量的控制，利用靜止無功發(fā)生器控制系統(tǒng)側(cè)的電流，并通過靜態(tài)同步補(bǔ)償器、靜止無功補(bǔ)償器等實(shí)現(xiàn)對(duì)于供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償[3]，為對(duì)電流質(zhì)量敏感的高速公路機(jī)電設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的電能。

2 智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)的布設(shè)

智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)的布置方式示意圖如圖1所示。

圖1 智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)布設(shè)示意圖

2.1 布置方式簡(jiǎn)述

各個(gè)高壓電源點(diǎn)通過高壓斷路器接入母線，總協(xié)調(diào)控制單元也與母線連接，將電能引入各個(gè)高壓配電室，每個(gè)高壓配電室母線之間設(shè)置連接開關(guān)，電能經(jīng)高壓配電室流入交流變壓器并進(jìn)入能源智控站，每個(gè)高壓配電室對(duì)應(yīng)一個(gè)變壓器，且每個(gè)變壓器對(duì)應(yīng)一個(gè)能源智控站，站間設(shè)置斷路開關(guān)，電能經(jīng)能源智控站處理后提供高速公路機(jī)電設(shè)備的用電負(fù)荷。

2.2 布設(shè)要點(diǎn)

（1）布設(shè)智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)時(shí)，首先要注意高壓電源點(diǎn)供電方式的選擇。供電方式主要分為交流供電、直流供電，其中交流供電方式相較于直流供電方式，其建站的造價(jià)低廉，且升降壓方便，電能調(diào)配性好，但發(fā)生故障的頻率較高，其線路內(nèi)存在電容電流，容易引起損耗；而直流供電方式當(dāng)輸送的功率相同時(shí)，線路、線路架空桿簡(jiǎn)單，可以使同等絕緣水平的電纜運(yùn)行于較高的電壓之下，功率、能量損耗較小，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，其缺點(diǎn)為直流輸電所需的換流站對(duì)比交流供電的變電所成本較高，且直流輸電中起到整流和逆變作用的換流裝置在運(yùn)行過程中需要大量的無功補(bǔ)償。綜合對(duì)比兩種供電方式，本智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)選擇高壓交流供電方式。

（2）其次是供電電壓等級(jí)的選擇、高壓交流電源點(diǎn)之間距離的把控?，F(xiàn)階段大部分區(qū)域的供電等級(jí)為35 kV、10 kV[4]，電壓等級(jí)的選擇應(yīng)考慮容量問題，其次需要綜合考慮造價(jià)、用電費(fèi)用以及電壓等級(jí)可靠性。35 kV變電站的造價(jià)相較于10 kV變電站更加昂貴，但是其用電費(fèi)用相對(duì)較小、可靠性較高。高速公路機(jī)電設(shè)備主要通過各設(shè)備的結(jié)合保障車輛的安全行駛，例如通信、監(jiān)控、收費(fèi)、照明等系統(tǒng)設(shè)備，因此在有條件的情況下，應(yīng)選擇具有較高可靠性的35 kV供電等級(jí)，從而保證高速公路機(jī)電設(shè)備用電的穩(wěn)定性。

高壓交流電源點(diǎn)之間距離取決于電能輸送的容量和輸送線路使用電纜的線徑，在電纜的線徑具有充足的裕量時(shí)，電能輸送的容量越大，其供電半徑越小。為保證供電的穩(wěn)定性，高壓交流電源點(diǎn)之間距離應(yīng)小于其供電半徑，即間距越小，供電穩(wěn)定性越高[5]。經(jīng)調(diào)查，高速公路機(jī)電設(shè)備所需的電能輸送容量為2～15 MVA，以電壓等級(jí)為35 kV為例，其供電半徑為20～50 km，當(dāng)電壓等級(jí)為10 kV時(shí)，其供電半徑為10～25 km，則當(dāng)本系統(tǒng)選用35 kV高壓電源點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)電源點(diǎn)間距應(yīng)控制在30 km以內(nèi)，而選用10 kV高壓電源點(diǎn)時(shí)則應(yīng)將間距控制在15 km內(nèi)。如選用35 kV高壓電源點(diǎn)，在將電能引入能源智控站時(shí)，應(yīng)由交流變壓器將35 kV電能降壓至0.4 kV交流電。

（3）最后為能源智控站布設(shè)數(shù)量的確定和總協(xié)調(diào)控制單元的布設(shè)。能源智控站布設(shè)時(shí)，站間距離控制在500 m左右為宜，因此可根據(jù)選擇的電壓等級(jí)確定供電半徑，結(jié)合能源智控站間距可確定布設(shè)數(shù)量。以35 kV高壓電源點(diǎn)為例，其供電半徑設(shè)定為30 km，則所需布設(shè)的能源智控站數(shù)量為60個(gè)。針對(duì)總協(xié)調(diào)控制單元的布設(shè)，由于本系統(tǒng)中通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，因此在布設(shè)總協(xié)調(diào)控制單元時(shí)應(yīng)綜合考慮布設(shè)位置的信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)遮擋情況和造價(jià)、控制靈敏度等，從而確定布設(shè)的數(shù)量，在信號(hào)良好、造價(jià)可接受的條件下，每6～10個(gè)高壓電源點(diǎn)可選擇布設(shè)一個(gè)總協(xié)調(diào)控制單元，總協(xié)調(diào)控制單元的布設(shè)位置在其控制的高壓電源點(diǎn)500 m范圍內(nèi)為宜。

3 智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式

在日常運(yùn)行中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，首先由總協(xié)調(diào)控制單元檢測(cè)供電系統(tǒng)中高壓交流電源點(diǎn)的狀態(tài)，檢查除能源智控站之外的供電系統(tǒng)的主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，判斷是否存在故障，當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障時(shí)，通過配電網(wǎng)的控制中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，確定出現(xiàn)故障設(shè)備的故障原因、故障位置等，并上報(bào)維修。

當(dāng)檢查正常時(shí)，則總協(xié)調(diào)控制單元與分布式智能終端進(jìn)行通信，當(dāng)兩者間通信發(fā)生異常時(shí)，則可以確定能源智控站的位置，并上報(bào)維修；當(dāng)兩者間通信正常時(shí)，由分布式智能終端對(duì)實(shí)時(shí)采集的能源智控站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣計(jì)算，分析能源智控站中的設(shè)備是否存在異常狀態(tài)。

當(dāng)計(jì)算分析無異常情況后，智能終端可自主對(duì)能源智控站中設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其協(xié)調(diào)運(yùn)行，并通過電能質(zhì)量控制系統(tǒng)保證用電負(fù)荷的供電質(zhì)量。調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)信息還需上報(bào)至總協(xié)調(diào)控制單元，總協(xié)調(diào)控制單元作為智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電系統(tǒng)中的主站，對(duì)比能源智控站具有最高的優(yōu)先級(jí)，所有的調(diào)整數(shù)據(jù)、信息策略等都需要傳輸至總協(xié)調(diào)控制單元，由總協(xié)調(diào)控制單元協(xié)調(diào)所有能源智控站的運(yùn)行。

當(dāng)計(jì)算分析后發(fā)現(xiàn)存在異常情況且無法自我調(diào)節(jié)后，智能終端向總協(xié)調(diào)控制單元上報(bào)故障的能源智控站，總協(xié)調(diào)控制單元下達(dá)控制指令，通過控制能源智控站中的智能斷路器切斷報(bào)障的能源智控站的電力供應(yīng)。切斷主要的電力供應(yīng)后，能源智控站的能量來源為其自身的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，利用能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)作為保證能源智控站運(yùn)行的備用電源，為開關(guān)、斷路器的控制以及信息交流系統(tǒng)提供能量。

當(dāng)啟用備用電源后，需要對(duì)故障能源智控站對(duì)應(yīng)的用電負(fù)荷提供應(yīng)急電能，由于各個(gè)能源智控站中的能量路由器相互連接，但母聯(lián)開關(guān)一般處于斷開狀態(tài)，為保證用電負(fù)荷，控制切斷電力供應(yīng)的能源智控站中的能量路由器母聯(lián)開關(guān)閉合，利用切斷電力供應(yīng)的能源智控站兩側(cè)的能源智控站，通過能量路由器實(shí)現(xiàn)能量互濟(jì)，從而為故障能源智控站對(duì)應(yīng)的用電負(fù)荷提供應(yīng)急電能。

故障檢修維護(hù)完畢后，斷開能源智控站備用電源的供能，同時(shí)斷開能量路由器母聯(lián)開關(guān)，恢復(fù)能源智控站的電力供應(yīng)，至此完成系統(tǒng)智能供電的一次運(yùn)行循環(huán)。

4 結(jié)語

綜上所述，智能鏈?zhǔn)骄W(wǎng)供電技術(shù)可以解決高速公路機(jī)電設(shè)備供電技術(shù)智能化調(diào)控水平低、質(zhì)量控制情況差的問題，該技術(shù)順應(yīng)了電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，為后期高速公路機(jī)電設(shè)備供電技術(shù)朝著智能化、物聯(lián)化方向發(fā)展及延伸提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。