智能远程供电系统在南友高速公路的应用

蒋新花

(广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530022)

0 引言

广西南宁至友谊关高速公路距离越南很近，不法分子为使走私车辆通过便道进出高速公路，对护栏进行了拆除，在高速公路道路旁凿开许多走私路口。为了严防打击走私和偷逃公路通行费行为，本项目计划在南宁至友谊关高速公路的凭祥至夏石之间的路段建设防逃费系统，通过加装监控摄像机和交通信息采集设备来监控现场情况。南友路凭祥至夏石段约15 km，从桩号K193+700～K207+950每隔约1 km左右布设一处监控设备，由于2个收费站之间没有服务区或停车区可供取电的地方，选择从一端敷设电缆又面临着线路长的情况，土路肩上挖沟敷设电缆工程量较大，会对现有土建设施造成较大破坏，同时防盗压力巨大；若建设箱式变电站，路段附近又没有合适的10 kV架空线路，所以急需找到一种更加适合本项目特点的安全可靠的供电方案。

1 现有供电方案比较分析及存在的问题

高速公路沿线外场设备一般包括遥控摄像机、车辆检测器、交通流量调查站、可变信息标志等，除了可变信息标志功率在3～5 kW外，其它设备功率基本在1 kW以内。各种设备负荷功率差别大，供电点多且分散，但总功率又不大，常规供电方式难以满足日益增加的监控系统配电需求。目前高速公路外场设备的供电方式主要有三种：

(1)10/0.4 kV变电所、箱式变电站或地埋变。比较接近收费站、管理区或服务区的外场设备如互通立交处的摄像机、情报板等，一般距离大约在1～2 km范围内，采取直接从站区变电所或箱式变电站通过直埋电缆供电，这种方式的优点是供电质量安全稳定有保障，缺点是供电距离受限，若要加大距离，则供电线路损耗大，压降厉害，只能加大电缆线径，势必造成投资增加；在外场设备相对集中且负载相对较大的路段，又远离站区取电点，这种情况下只能采取建设箱式变电站或地埋变的方式，可以很好地解决外场设备的供电问题，优点是比较适合于高速公路隧道用电，缺点同样是供电距离受限，也不适合距离长、负荷小、供电点分散的高速公路外场供电，因为不可能按照全程监控系统布设方案，在约2 km左右设置一处10/0.4 kV箱式变电站，这种方式不仅使箱变的设备投资巨大，而且10 kV外电杆塔、征地、青苗补偿、架空线路的投资也不小，更有众多与当地供电部门对接的接口。综合起来看，该供电方案投资大且运营维护成本高。

(2)变压器升降压供电方式。电源取自变电所低压侧，根据负载的距离以及负荷大小，采用隔离变压器或自耦变压器调整电压至800 V左右传输至用电点，再降压至220 V，该方案通过电压调整与增大电缆截面积，解决5 km内单点大容量负荷供电时有一定的优势，但在大小负载混合且供电点分散的需求情况下优势不明显，各用电点的线路压降差异较大，电压不稳定。例如可变情报板等设备，其负荷大小会随着显示内容不同而发生变化，此种方式需要增加电缆截面以保证其供电稳定。采用大截面电缆，需要在路侧开挖土方直埋敷设，成本较大，并且如果遭到盗窃，经济损失极大。

(3)为小功率的外场监控设备配置太阳能装置或者是风光互补系统。这种方式的优点是不需要敷设电缆，单个投资省。缺点：①因为供电能量有限，太阳能的转换效率低，通常最大只有数百瓦。广西南友路的太阳能资源较为匮乏，作为沿线各类监控设施的供电保障需要比较大的规模，性价比不高。②供电质量不稳定，广西南方多雨季节，连续阴雨天气较多，会对光伏与风电系统造成比较大的影响。③投资大，寿命短，维护成本高。太阳能系统需要使用大量的蓄电池作为储能装置，在目前广西的气候条件下，大约不超过三年就要对蓄电池进行更换，同时废旧电池对环境的污染也大。综合上述分析，南友路打逃系统的全程监控供电方案宜选用智能远程供电系统。

2 远程供电系统设计

智能远程供电系统是一种整合了集中式与分布式配电的电力传输系统。可以实现三相交流电输入，220 V交流额定输出的功能。还具有可远程监控管理、完善的输入和输出及防雷保护等优点，适用于长距离大负载供配电系统。该供电方式与传统供电方式相比大大节约了材料和人工成本，同时缩短了工期，减少了安全隐患。

2.1 系统组成

图1 远距离供电系统连接示意图

如图1所示，智能远程供电系统由一个带有升压功能的电源发生器、远距离输电母线、若干个带有降压功能的隔离电源转换器组成。电源发生器和隔离电源转换器采用串联连接的模式，使整个系统具备双重稳压的功能，两者均采用带电热插拔模块化结构，当其中的一个因故障转为旁路工作时，另一个仍然具备稳压功能，当电源发生器和隔离电源转换器两者都因故障转为旁路工作时，系统仍然能像传统远程供电方案的原理继续为负载供电。核心设备由电源发生器和隔离电源转换器组成，系统的局端在变电所内通过电源发生器将远程供电配电系统与电网隔离，输出电流一般在10 A以下，负载通过隔离电源转换器产生220 V电压使用，配电电缆视负载大小可采用2×10 mm2或2×6 mm2的电缆进行输电，降低系统造价。

电源发生器安装在变电所内，通过升压隔离变压器将远端供电系统与低压电网、电源发生器、升压变压器、补偿变压器和PWM控制调压模块及电流电压采样电路组成一个闭环的高精密稳压系统，补偿变压器受控于PWM控制调压模块起到调压稳压的作用，其稳压范围≥市电电压的±15%，经过隔离升压后的输出电压Vout=800 V+KI(I为输出负载电流，K为负载电流补偿系数)，由于是远距离输电，即使电压升高到800 V，在输电过程中线路上仍然存在着损耗，所以该系统引入了输出电压的电流补偿功能，最大补偿电压KI<输出电压的10%，补偿系数可根据输电线路的距离，线缆的直径等情况综合设定；其中PWM控制调压模块采用模块化热插拔式结构，当调压模块出现故障时，内部的自动电子旁路动作，闭合维修旁路可实现PWM控制调压模块的带电热插拔操作，调压模块转入旁路状态后，电源发生器相当于升压变压器的工作状态，其系统结构图如图2所示。

图2 电源发生器系统结构图

隔离电源转换器由补偿变压器、PWM控制调压模块和维修旁路及热插拔连接器组成高精密稳压电源，系统结构图如图3所示。当调压模块出现故障时，内部的自动电子旁路动作，闭合维修旁路可实现PWM控制调压模块的带电热插拔操作，调压模块转入旁路状态后，补偿变压器由变压器功能转变成导线功能，此时隔离电源转换器相当于降压变压器的工作状态；隔离电源转换器中的软启动模块确保降压变压器在电压过零点接入电路，大大降低了启动冲击电流，减小了降压变压器在上电时对整个供电系统的大电流冲击，使系统平稳地上电并投入工作。

图3 隔离电源转换器系统结构图

2.2 系统特性

(1)供电系统在远距离、大负载能量传送中，无需配备任何升压中继设备，线路结构简单，成本更低，适合于超过10 km距离的配电系统；(2)供电系统有利于供电系统末端有大功率负载时的线路损耗控制；(3)远端设备不受长距离中线路压降影响，具有更好的扩展性与兼容性；(4)输出电压为800～1 000 V可变交流供电，避免使用箱式变电站供电，不需要去供电部门进行用电申请等工作；(5)系统局端电源发生器设备根据线路上负载变化调整输出，在确保供电稳定的条件下降低线路损耗；(6)系统远端隔离电源转换器设备根据不同线路输入电压，调整内部参数，提升设备转换效率，节约能源；(7)在系统允许范围内，可以任意移动设备或增减负荷，应用灵活方便，易维护；(8)隔离电源转换器设备输出一致、稳定，且不受负载变化影响；(9)可以有效抑制雷击或操作过电压干扰；(10)系统功率可根据需求调整，在负载功率、传送距离和造价之间平衡；(11)电源发生器和隔离转换器自带通信接口，通过外场设备的通信接口即可上传各类监测信息；(12)方案采用线缆不超过10 mm2，可吹缆或穿管敷设，降低工程造价，不易被盗。

2.3 设备主要技术指标

2.3.1 局端设备(电源发生器)的主要技术指标

额定工作电压：220 V AC±15%，或380 VA±15%；额定工作频率：50 Hz±15%；额定输出功率：10 kVA；额定输出电压交流：给定值±1%；输出电压范围为交Vout=800 V+KI，当高于设定值10%时能自动保护；输出方式：交流两相；效率：>95%；工作温度：-20 ℃～+65 ℃；存储温度：-40 ℃～+85 ℃；相对湿度：10%～95%，无凝露；海拔高度0～3 500 m；工作噪声距1 m处≤50 dB。

2.3.2 远端设备(隔离电源转换器)的主要技术指标

额定工作电压：220 V AC±15%，或380 VA±15%；额定工作频率：50 Hz±15%；额定输出功率：0.5 kVA、1 kVA或3 kVA；额定输出电压：220 V±1%；输出方式：交流两相；效率：>95%；工作温度：-20 ℃～+65 ℃；存储温度：-40 ℃～+85 ℃；相对湿度：10%～95%，无凝露；海拔高度0～3 500 m；工作噪声距1 m处≤50 db。

3 典型应用案例分析

南友路凭祥至夏石段远程供电系统具体组成为：在凭祥变电所安装了1台NPS-10 kVA的电源发生器，在各个用电点各安装了1台NPS-1 kVA的隔离电源转换器，可变信息标志处安装了1台NPS-5 kVA的隔离电源转换器，供电线路采用2×10 mm2电缆，使用中央分隔带其中一根硅芯管，通过气吹敷设完成。与传统升降压供电方式比较，单电缆由原来的4×35 mm2降至现在的2×10 mm2，原材料节省较多，节能减排效果明显。同时由于电缆线径减小，可以使用原来中央分隔带预埋剩余的通信管道气吹敷设，不仅节省了工期，免除了直埋开挖对现有道路的损坏，而且降低了电缆被盗几率。

4 结语

南友路打逃监控系统于2017年8月正式投入使用以来，系统运行稳定，供电质量有保障，系统能耗低，不仅节省了工程造价，而且运营管理简单便捷，基本免维护。经过抽测，电压稳定，三相平衡效果好。通过后台软件平台可在线监测系统设备运行状况，大大节省了维护的工作量。随着人们对智慧高速公路需求的日益加大，路上感知设备将不断加密布设，如全程监控技术设备的建设，智能远程供电系统无疑是这些外场设备的首选方案，具有极大的推广应用价值。目前外省类似应用逐渐增多，广西区内的全黄路、南宁绕城、南坛路石埠至坛洛段等几个路段的全程监控改造项目中也已经采纳该种供电方式的设计方案。

[1]贾大鑫.山东德商高速公路机电工程远程供电应用[J].中国交通信息化，2017(3)：126-128.