分布式智慧节能供电系统在特大跨径桥梁上的应用

张春声

(广东省公路建设有限公司，广州 510623)

0 引言

公路特大跨径桥梁供配电系统的主要功能是为公路机电系统提供能源配给，具有以下特点：(1)公路桥梁机电设备呈带状分布于沿线，由于供电距离远，负载量小而分散，供配电系统在传输过程中，供电线耗较大；(2)特大跨径桥梁机电设备工作状态的变化幅度较大，用电情况复杂多变，例如情报板、检修电梯、抽湿设备等耗能量较大的设备，在启动初期，瞬时启动电流比额定工作状态下的电流高1～2倍；(3)公路机电设备的负载特性比较复杂，在正常工作状态下，供配电系统电网的电能质量较差，存在谐波含量高、三相不平衡、无功损耗高等问题，导致供配电系统的自身损耗较大。

本文针对特大桥供电距离长的特点，提出智能按需分配分布式智慧供电方案，供电系统实时对回路负载量进行智能化检测分析，动态调整不同供电回路，避免系统空载耗电，实现绿色环保的能源配给目标。

1 按需供电实现原理

针对公路供配电系统中的能效问题，为避免“大牛拉小车”的低能效模式，通过对供配电设备和负载进行系统化分类，提出机电系统按需分配能源的模型，实现供配电系统模块化工作模式。通过对供电系统回路负载量的智能化分析，判别供配电的实时工作容量，将不工作的容量关停，降低供配电系统中变压器、线缆的能耗损耗，实现节能减排的作用。

供配电系统智能化按需工作的技术方案如图1所示，当供配电系统中一部分负载工作，另一部分负载处于休眠状态时，可根据工作负载的容量智能化调整供电系统的供电模块，使供电系统采用相应的功率工作，关闭冗余模块，减少冗余模块的空载损耗。

图1 供配电系统智能化按需供电原理

由上述分析可知，要做到按需供电，其核心技术主要包括两方面：一是具有智能的供配电方案，能够按需分配模块；二是供电系统回路负载量的智能化分析，分不同回路智能供配电系统，避免系统空载耗电。

2 分布式远距离智慧供电系统构成

结合分布式单相供电技术，研究一种智能控制技术应用于分布式单相供电系统，提高机电设施控制智能化程度，通过智能供电系统的单个回路远程控制及调压方等式，实现简单、易行的按需供电智能控制方法。

技术原理如图2所示，整体技术分为上端设备与下端设备。上端设备的主要功能是将变电所端的三相电输入进行三相平衡处理，得到一个单相电输出，然后进行升压传输；下端设备的主要功能是将上端输送的中压电进行降压处理，得到一个可为负载直接供电的电压等级，然后给各个回路进行供电。为了实现智能化的控制技术，下端设备中包含有监控模块，实现对各个供电回路的实时监测与控制。供电方案如图3所示。

图2 智能控制技术原理

图3 外场监控照明等主要设备供电方案

3 分布式智慧节能供配电在南沙大桥工程的应用

南沙大桥主线全长12.89km，主线工程均采用桥梁结构，包含两座超千米级悬索桥(分别为主跨1 200m的大沙水道桥和主跨1 688m的坭洲水道桥)。通过3.3kV的中压分布式智慧节能供电系统，解决了特长桥梁远距离机电设备的用电问题。

3.1 系统架构

采用低压输入，通过升压输出3.3kV电压，再通过下位机降压向负载供电。

图4 系统示意图

3.2 系统的实现和关键设备选型

南沙大桥在东侧沙田管理所和西侧大沙桥变电所共4台上端电源柜。上端机升压电源柜采取380V三相市电作为输入电源，通过上端机电源柜升压整流后输出单相3.3kV电压，经过电力电缆对沿线下端电源箱进行供电；下端机电源箱将3.3kV降压为220V低压向桥梁外场设备(路灯、摄像枪、微波车检器、情报板、主线ETC门架、高清卡口等设备)供电。综合智慧供电系统可靠性和稳定性分析，结合钢箱梁桥梁空间和环境实际情况，上端机升压电源柜具备以下技术特点：

(1)特种干式升压变压器，噪音小，温升低，免维护；

(2)基于微机控制IGBT 和PWM 开关技术设计，具有体积小，效率高等特点；

(3)采用自动稳压系统；

(4)软开机、软关机，延长设备的使用寿命；

(5)来电自动上电启动，无需手动操作；

(6)线路全部进行防潮处理，适于潮湿地区使用；

(7)专用工业级开关电源，保证系统长期可靠运行；

(8)设有避雷器，防止雷电损坏设备；

(9)数字显示屏，便于电流、电压及累计工作时间的查阅；

(10)内部采用Can 总线通用通信协议；

(11)实时监测回路绝缘电阻，根据设定报警界线报警；

(12)软件和硬件均采用大量抗干扰技术，抗干扰能力强；

(13)自诊断功能，便于用户发现和排除故障；

(14)旁路开关实现冗余设计；

(15)多模块冗余设计，便于维修和维护，提高设备可靠性。

为保证上位机能不间断供电，上位机380V进线取自UPS供电。

图5 上端机电源柜电气原理

下端机电源柜处于1kVA～25kVA容量选用，可根据需要实现在对下端机输出开关智能控制。环境温度：-25℃～+65℃，要求具有过流保护功能。同时，为实现监测，要求能通过载波或数据通信实现与上位机进行通信。

图6 下端机电源柜电气原理

南沙大桥主跨主跨1 200m的大沙水道桥左幅分布式智慧供电系统采取1个上位机对35个下位机将近175个回路供电，布设如图7所示。

图7 南沙大桥(大沙水道桥)左幅分布式智慧供电系统布设

3.3 系统应用优势

与传统的高速公路供电系统相比，分布式智慧节能供电系统具有以下优势：

(1)实时对回路负载量的智能化检测分析，实现智慧供电。对照桥梁不同的用电设备和供电负荷等级进行分类和回路供电。上端电源设备输出单相3.3kV电压后，在各用电点通过下端电源设备将电压转变为220V电压分回路向负载供电，或同时采用多个上端电源设备直接分回路进行控制。系统可监测任意一条回路用电设备情况，精细化监测供电设备和负载的用电情况，及时调整控制各用电回路开启，实现智慧供电。

(2)降低线缆建设成本，实现绿色供电。桥上道路照明、枢纽互通照明和监控设备采用分布式智慧供电，可以减少低压铜缆线径。据分析，3km以上供电半径电缆的投资成本降幅可达20%。同时，特大桥预留的电力管道资源和预留电力手孔非常紧张，采取单相单个电缆解决分散的大量外场设备现场供电问题，施工简单、容易操作。

(3)自带回路控制系统，可以提供遥测遥控，按需供电,节省照明能耗。具有软起动功能，不会对电网以及设备造成冲击。处理柜采用先进的动态智能功率补偿技术，有效提高系统功率因数，功率因数0.95以上，降低无功功率，节省电能。

(4)上位机模块化设计，“N+M”冗余备份，支持热插拔；下位机以变压器和开关为主要原器件，无故障运行时间长，免维护。无需停机将故障模块拔出，插入备用模块，不影响其他模块正常工作。准确故障定位：线路灯具可实现单回路控制、单回路监测，可快速定位故障灯具，减少排查带来的维护费用。

4 结语

分布式智慧供电采取上端智能电源柜升压至3.3kV、下端电源柜降压至220V，通过回路负载量的智能化检测，供电回路自动动态智能调节和故障快速定位，实现按需智慧供电。优化了高速公路机电、照明设备的用电效率，尤其适宜于供电长距离、设施负荷相对分散的特大桥梁。