基于熵权综合评价模型的ETC门架系统远程供电方案研究

刘 浩， 曹佳宝， 齐龙平

(湖南省交通科学研究院有限公司, 湖南 长沙 410015)

0 引言

取消省界收费站项目中ETC门架系统是分段计费、扣费的关键，对设备稳定性要求较高，为了确保ETC门架设备稳定、可靠运行，需要采用供电质量更好、稳定性更强、安全性更高的远程供电方案。

目前高速公路上主要采用3种远程供电方案：直接供电、升压直流供电和升压交流供电，这3种方案从造价、技术和施工难度上来说都有各自的特点[1-2]。本文仅就取消省界收费站项目中的ETC门架系统供电方案进行深入分析和对比，通过建立熵权综合评价模型，分析探讨湖南省ETC门架系统远程供电方案的合理性。

1 ETC门架系统的负载计算

湖南省取消省界收费站项目中ETC门架系统的负载构成为：天线、高清车牌识别摄像机、补光灯、监控摄像机、天线控制器、工控机、空调、UPS、工业以太网交换机。由于湖南省高速公路包含双向四车道和双向六车道2种形式，分别计算其负载，双向四车道半幅门架负载计算见表1，双向六车道半幅门架负载计算见表2。

表1 双向四车道单幅门架设备功率表项目名称数量/个功率/W功率小计/W天线620120高清车牌识别摄像机5120600补光灯650300监控摄像机1100100天线控制器2200400工控机1750750空调1900900UPS1430430工业以太网交换机12020合计3 620

表2 双向六单幅门架设备功率表项目名称数量/个功率/W功率小计/W天线820160高清车牌识别摄像机8120960补光灯850400监控摄像机1100100天线控制器2200400工控机1750750空调1900900UPS1430430工业以太网交换机12020合计4 120

需供电ETC门架数量根据实际情况分为2、4、6个门架。依照门架负载具体情况，实际分析远程供电远端用电需求时，在熵权综合评价模型中仅需分析2种门架负载：单侧2个ETC门架供电和单侧4个ETC门架供电。

2 远程供电方案对比

ETC门架系统的供电点一般在相应收费站的变电站，供电点距门架1.5～3 km，因此需要考虑远程供电，现就常用的3种远程供电方案，分别从经济、技术、施工层面分析对比其优缺点。

方案1(直接供电)：使用低压电缆直接敷设的交流供电。

方案2(升压直流)：升压转直流后使用高压电缆送电，在近端再进行变电降压的直流供电。

方案3(升压交流)：升压后使用高压电缆送电，在近端再进行降压的交流供电。

2.1 造价层面对比

如何降低远程供电成本一直是高速公路远程供电考虑的重要问题，经济性对比不能只从单方面比较，需要考虑供电端负载、供电距离、设备造价和施工造价等多个方面，综合分析造价最低的供电方案。

通过对比3个方案中供电距离和设备总造价(包括电缆、主要设备等)的相互关系，发现在现有用电负载条件下，无论是单侧2个还是单侧4个ETC门架供电，当供电距离小于2.2 kM时，采用方案1造价最低；当供电距离大于2.2 kM时，采用方案3造价最低。

2.2 技术层面对比

ETC门架系统远程供电的技术层面考虑因素分别是：系统构成、可扩容性、通用性、安全性、供电质量和环保水平。ETC门架系统供电是整个门架运行的底层支撑，因此在确定供电方式时，针对3种方案分别就上述因素进行对比(见表3)。

表3 技术层面对比表决定因素方案1方案2方案3系统构成简单主要由换流器、变压器、电抗器、滤波器、避雷器及控制保护设备等构成,非常复杂由电源发生器、隔离变换器、和供电电缆组成,构成复杂程度中等扩容性极佳很差较好通用性可以同时给大功率和小功率设备供电,通用性好由于系统柔性较差,无法同时给大功率和小功率设备供电可以同时给大功率和小功率设备供电,通用性好安全性电缆线径大、发热大,用电安全性差,输送的电流、电压稳定性低,设备安全性较差,防雷性一般电缆线径最小,热功率低,用电安全性高,但是装置可靠性偏低且易行成环流,防雷水平较低电缆线径较小,发热率低,用电安全性比较高,利用箱体联合接地,防雷水平较高供电质量由于没有稳压设备,也没有功率补偿设备,受电网波动影响较大,供电质量很差由于近远端都没有稳压设备,供电功率会有小范围波动。供电质量一般近远端均有稳压设备。可调节供电质量,有效避免热插拔引起的电网波动,基本不受外界因素影响,供电质量高环保水平电缆发热率高,电能损耗大,同条件下节能型差,不环保比传统供电方案节能比传统供电方案节能,节能效果优于直流方案 注: 供电质量的评定参考《电能质量 三相电压不平衡》(GB/T 15543—2008),评定内容包括功率因素、电压不平衡和三相不平衡度。

通过对比3种方案的技术难点和优势可知，方案3系统构成不复杂、扩容性好、通用性强、安全性高、供电质量优秀且兼具环保节能特点，是技术层面的推荐方案。

2.3 施工层面对比

门架系统远程供电方式的确定除了考虑技术层面各种因素外，还应将实施过程中施工层面的各种困难点考虑进去，因此需要对3种方案的施工难度进行对比，对比结果见表4。

通过比对施工难度、采购难度和维护难度，方案1和方案3均有各自的优缺点，方案2设备繁多，施工、采购和后期维护都很困难。推荐使用方案1或方案3。

2.4 基于熵权综合评价模型的实施方案评价

2.4.1评价指标的熵权[3-4]

“熵”的概念最早来自热力学，由德国物理学家克劳修斯于1865年提出，在经典熵的概念中，使用自然对数去评价多个方案结局数据的不确定性；信息论中，熵广泛应用于评价系统的紊乱程度。

表4 施工层面对比表决定因素方案1方案2方案3施工难度系统构成简单,通电操作简单,但是电缆线径大,敷设施工难度大线径最小,敷设作业难度小、但设备多、系统复杂、通电难度大,对现场作业人员要求较高线径小,敷设作业难度比较小,设备不多,普通低压电工即可操作,难度较小设备采购难度普及性高,采购简单设备种类多,采购困难设备采购简单,且专业性设备可排除劣质产品后期维护难度维护简单维护困难基本不用维护

假设有A个需评价的实时方案，每个实时方案有B个评价指标，可以写出各个方案的不同指标构成矩阵，C′={c′i j}a×b，其中c′i j是第i个方案的第j个评价指标。评价矩阵依照一定规则标准化后极为C={ci j}a×b。

在该评价问题中，第j个评价指标的熵定义为:

(1)

相对应的第j个评价指标的熵权定义为:

(2)

考虑到不同情况下不同指标对最后的决策有不同影响力，本文采用如下方式将熵权与赋权合理结合，假设b个评价指标的主观权重为γ=[γ1，γ2…,γb]，其与熵权结合而得到的综合权重为：

(3)

ej为第j个评价指标的综合权重；μ为主观权重对于客观熵权的相对有效性系数，μ的取值范围设定为0≤μ≤2；若μ=1，表示主观与客观权重以相同的权重参与进综合权重之中。

2.4.2评价指标集

本文共有A=3个待评价的ETC门架系统远程供电方案，依照上文分析结论，选用B=10个评价指标，分别为施工难度、设备采购难度、后期维护难度、设备总造价、系统构成、扩容性、通用性、安全性、供电质量和环保水平。在10个评价指标中，设备总造价评价指标是把设备总造价进行反函数标准化处理后得到的指标。

在3个备选方案中，令第i个方案的评价指标集为Ui1=[ui1，ui2，…，ui10]，其中uij(j=1，2，…，10)表示第i个方案的第j个评价指标值。

2.4.3评价矩阵标准化

由评价指标集可得到3个待评价ETC门架系统远程供电方案的评价矩阵：

(4)

对于第j个评价指标，设cij为其标准化后元素，标准化方法为：

i=1，2，3；j=1，2，…，10

(5)

2.4.4单侧设置2个ETC门架远程供电的实施方案评估

当单侧设2个ETC门架，供电距离为2.2 km时，按照评价指标集建立评价矩阵C′如下：

按照公式(5)进行标准化后的评价矩阵C如下：

根据熵的计算公式(1)，得到评价指标熵向量为：

H=[0.907 5 0.960 9 0.960 9 0.175 3 0.967 2 0.908 4 0.953 6 0.899 8 0.952 1 0.971 1]

根据熵权计算公式(2)，得到评价指标熵权向量为：

ω=[0.088 9 0.037 6 0.037 6 0.501 8 0.031 6 0.088 0 0.044 6 0.096 3 0.046 0 0.027 8]

若专家给定的指标权重向量为：

γ=[0.100，0.040，0.060，0.500，0.033，0.030，0.045，0.060，0.078，0.054]

根据综合权重公式(3)，取μ=1，得到综合权重向量为：

e=[0.094 4 0.038 8 0.048 8 0.500 9 0.032 3 0.059 0 0.044 8 0.078 1 0.062 0 0.040 9]

最终可计算出供电距离2.2 km时，熵权综合模型评分方案1得分C1=83.641，方案2得分C2=76.833，方案3得分C3=83.009。

经过类似计算可分别得出供电距离为1.5、1.8、2、2.3、2.5、3 km的得分(见表5)。

通过比对评估模型得分，确定单侧2个ETC门架远程供电的实施方案为： ①供电距离≤2.2 km时，使用方案1远距离直接敷设供电；②供电距离>2.2 km时，使用方案3升压交流远距离供电。

表5 单侧2个ETC门架远程供电熵权综合评估模型得分对比表选择方案供电距离/km1.51.822.22. 32.53方案188.01985.27384.46683.64179.00876.19973.126方案278.04977.52077.20076.83376.99375.36874.441方案383.32283.81983.41183.00983.32681.06380.587

2.4.5单侧设置4个ETC门架远程供电的实施方案评估

采用与单侧2个ETC门架远程供电评估类似的计算，考虑取消省界收费站项目供电质量的重要性，指标权重向量设定为：

γ=[0.100，0.040，0.060，0.500，0.033，0.030，0.045，0.060，0.078，0.054]，

分别计算出供电距离为1.5、1.8、2、2.3、2.5、3 km的得分(见表6)。

通过比对评估模型得分，确定单侧4个ETC门架远程供电的实施方案为方案3,即升压交流远距离供电。

表6 单侧4个ETC门架远程供电熵权综合评估模型得分对比表选择方案供电距离/km1.51.822.22. 32.53方案185.89185.26685.11284.95079.54077.88073.326方案282.71582.65982.60082.53481.11680.67379.489方案391.06891.15391.06791.00386.89186.14584.350

3 结语

依托湖南省取消省界收费站项目，对ETC门架系统远程供电方案，从造价层面、技术层面、施工层面研究，得出以下结论：

1) 推荐使用直接供电方案和升压交流方案有机结合的形式进行ETC门架系统远程供电设计。

2) 直接供电方案或升压交流供电方案的选择主要由供电距离决定，影响供电距离阈值的主要因素有负载、线缆线径和造价。

3) 供电距离小于阈值时,建议使用直接供电方案进行远程供电。

4) 供电距离大于阈值时，建议使用升压交流方案进行远程供电。

5) 由于取消省界收费站项目对供电质量的特殊要求以及设备整体负载较高，建议使用升压交流方案进行远程供电。