浅析高速公路沿线监控外场设备的供电方案及方案选择

摘要：高速公路监控系统的供电方案直接影响到外场设备的供电质量及项目的建设成本，选择适合于项目外场设备分布特点的供电方案尤为重要。本文对高速公路监控系统常见的供电方案进行浅析及对比。

关键词：高速公路;监控系统;供电质量;建设成本

高速公路的变电站一般设置在沿线的管理中心、收费站、服务区 、停车区、养护工区内或者是隧道口，变电站间隔一般小于40kM。传统的高速公路供电系统具有一些特点，如距离长、负荷小、供电点分散等。根据2019年交通运输部下发的《交通运输部办公厅关于印发<全国高速公路视频联网监测工作实施方案>和<全国高速公路视频云联网技术要求>的通知》要求，新建、扩建高速公路的视频监测设施按每2公里1对的标准一次性建设;伴随我国高速公路的快速发展，智慧高速逐渐成为高速建设的趋势。

随着监控外场设备种类，用电负荷及点位分布的变化，供电方式的选择问题日益突出，如何选出适合于项目特点且系统稳定性高，建設成本小的供电方案是 个值得思考的问题。

1.高速公路中常见的沿线监控外场设备及用电量

沿线监控外场设备主要包括视频监控设备、信息采集设备、信息发布设备等。

1.1视频监控设备

视频监控设备主要是沿线的外场摄像机。

1.2信息采集设备

信息采集设备主要包括车辆检测器、能见度检测器、气象检测器、事件检测设备等。

1.3信息发布设备

信息发布设备主要包括大型可变信息标志、小型可变信息标志。

1.4沿线监控外场设备用电量

2.常见的高速公路监控外场设备供电方案

在高速公路中监控外场设备通常呈带状式分布，用电负荷一般小于15kVA，而其变电站一般设置在管理中心、收费站、服务区、养护工区内或隧道口，变电站间隔为小于40kM。

根据《标准电压》（GBT 156-2017 标准电压），我国推荐的标准电压有：380V、660V、1000V等。

目前传统的供电方式大多采用低压电力电缆直接供电的方式，若取电点远时，为了保证供电的质量，需要增加供电电缆的截面积。增加电缆的截面积会使供电成本大大增加，电缆的敷设难度也会增加。如何在不增加供电成本的同时，选取适合项目特点、保证供电系统稳定可靠的供电方案十分重要。若没有稳定可靠的供电方案，沿线建设的监控外场设备也形同虚设。

在输送相同电能的情况下，采用越高的电压供电，线路的电能损耗就越低，更能保证电业的质量。但不能一味的追求高压，还要考虑系统的性能价格比，力求降低系统的投资。

2.1低压电力电缆直接供电方案

该方案是采用低压电力电缆直接从就近变电所或箱式变电站（收费站变电所、服务区变电所、隧道洞口变电所或箱式变电站等）低压配电柜引出回路，向外场设备供电。

具体方案如图1所示：

2.2高压10KV箱变/埋地变间接供电方案

由P=U×I可知，在传输一定的电能量时，电压值越高，电流值越小。再根据ΔU=I2R，电流越小则压降越小。故提高传输电压可以减小电压降。

高压10KV间接供电方案是从变电所或箱式变电站的高压配电柜侧引出，将10kV电压传输至负载较集中位置，在此处安装10kV/0.4kV变压器，将10kV变压为380V/220V，再将380V/220V进行二次配电，向附近的设备供电。

具体方案如图2所示：

2.3低压升降压供电方案（380V/660V）

低压升降压供电方案是近些年常用的一种外场设备供电方案，该方案电源取自变电所或箱式变电站的低压配电柜侧，通过在变电所设置升压变压器，然后将三相380V电压升至三相660V，最后传送至负载较集中的位置。在设备终端处通过降压变压器降压至三相380V，向附近的负载供电。该方案将输送电压从380V提高至660V，电压提高了1.73倍，由ΔU=I2R可知，电压降变为原来的（1/1.73）2，负荷矩（kW·m，指线路的有功负荷与输送距离的乘积）相同的情况下，压降可以减少3倍，输送距离可以提高3倍。

具体方案如图3所示：

2.4直流远供供电方案

直流远供系统由发送端和接收端组成。

直流远程供电系统在发送端采用AC-DC交直流变换器进行隔离转换，将交流电源经过变换装置变换为直流电源，并把电压升高，该设备一般设置在就近的变电所。

接收端主要由变换部分（DC/AC、DC/DC）组成，电能通过电缆将发送端输出的电能传输给远端的接收设备，远端接收设备将该电能进行降压，远端装置由DC-DC或DC-AC转换器构成，远端设备根据实际使用情况将直流电转换成交流电或直流电，供给外场负载使用。

直流传输供电原理就是将220V交流电源整流成直流并把电压升高通过线缆进行电能传输，到末端用电点处再进行逆变成220V交流，给现场设备供电。

2.5交流远供系统供电方案

该方案采用三相380V（10kV或6kV可选）输入，通过上端电源柜输出单相1KV（660V～10kV可选）电压。通过电缆进行远距离传输，将电力输送到各用电点。在用电点（一个、多个）再通过下端电源柜将1KV电压转变为380V/220V电压向负载供电，如图5所示。

上端电源柜一般安装于配电房，根据事先设定输出一定电压，当负载电流发生变化时，对电压调进行自动均衡调节，始终保持在下端电源柜允许的输入电压的范围。

下端电源柜主要是将上端电源柜远距离传输的单相交流电或三相交流电进行调压处理，为负载提供相应电压等级的电能，同时能够监测用电负载的用电状态。

3.几种供电方案的优缺点分析

3.1低压电力电缆直接供电方案优缺点

低压电力电缆供电方式下的线电压通常为220V/50Hz，相电压为380V/50Hz。在具有电阻、电感和电容的电路里，有对交流存在阻碍作用的阻抗，阻抗的存在使得输电线路必然有线路压降。按现行的国家电力标准，供电线路的末端电压降应不超过5%。根据380V三相交流供电电压降计算公式： （其中M为负荷矩，C为计算系数，A为电缆的截面积），低压电力电缆供电距离一般在3KM范围内，对于管理中心、收费站等距沿线变电所或箱变较近的机电设备，可通过低压供电方式进行供电，该情况下此供电方式具有明显优势。

若沿线监控外场设备多，负荷大，距离供电点远，需增大电缆的截面积来控制压降，保证供电质量。电缆截面积的增加会快速增加建设成本，且会给施工增加难度。若距离过远（大于5KM），电损耗大，线路压降大，供电质量差。

综上所述，当沿线分布众多且距取电点较远的监控外场设备时，此方案不合适。

3.2高压10KV箱变/埋地变供电方案优缺点

高压10KV箱变/埋地变供电方案可以解决距供电点较远外场设备的供电传输问题，该方案供电能力强，传输距离远，带载能力强。

虽然该方案可以传输较远距离，但是电压越高，该供电传输系统需要敷设的供电电缆和配置的设备耐压等级要求越高，设备、电缆造价也会增加，10KV电缆、埋地式变压器等用电设备造价也较高。另外间接供电需要二次配电，在10KV电压通过变压器降压为380V之后，仍需配置电缆传输到附近的用电设备。此时会造成电缆重复敷设，且电缆重复敷设比例较高，增加成本。对于沿线监控设备负荷小，分布分散的情况，配置一套10KV变电设备可能只为了几十瓦至几百瓦的设备供电，而且每隔2-3km就有一处点位需要供电。

综上所述，该方案供电距离远，带载能力强。但综合造价高，施工难度大，维护成本高。

3.3低压升降压供电（380V/660V）方案优缺点

该方案简单、经济、可靠，通过升压和增大电缆的截面积有效的解决了5-6km范围内情报板等功率较大（相对于摄像机）监控外场设备的供电问题。相比于380V低压电力电缆直接供电方案，供电能力较强，供电距离较远;相比于10KV间接供电方案，该方案供电电缆和设备耐压等级要求降低，成本降低;跟10KV供电方案相比，设计和施工的难度均降低。

这种方案相当于将低压380V供电方案进行了一定范围的延伸。由于在电压输送等级上有所提高（提高1.73倍），则电压降相应的减少了1.732的平方倍，即3倍，供电距离可以提高到3倍。该方案的供电范围为4km～10km，对于中距离、中负荷的监控外场设备，此方案有明显优势。但若所需要供电距离较长（超过10km），特别是在大小负荷混合供电的需求下，该方案存在不足。在用电点的电压除了和升压端外电电压有关还与沿线负荷产生的线路压降有关，当线路中存在较大负荷并动态变化时，末端电压就很难稳定，即很难保证供电的质量，由于三相供电需要平衡，也存在一定范围的二次配电和电缆重复敷设的问题，如果低压电缆数量较多，则综合工程造价也较高，故此方案对监控系统的供电也存在一定的局限性。

3.4直流远供供电方案优缺点

直流远供系统其实是采用固定升降压的方式，在首段将电压升高到一定范围，用电端再通過整流逆变将电压变成220V。在供电范围超过10Km时，该方案具有明显优势。

本方案一般适用于小负载长距离下的设备供电，但直流远供供电方案系统柔性不强，很难实现大功率设备和小功率设备的混合供电;该方案主要靠斩波振荡逆变实现稳压，大量使用电子设备，本身设备又都是在户外运行，电子设备受环境的影响较大，所以装置可靠性差;直流供电方式系统容量通常都不大，难以满足未来扩展的需要。由于此供电方式首末端都没有稳压设备，因此很难保证用电端电压波动范围在±5%，对供电质量无法保证。

该系统运行的项目较少，且通常是给摄像机供电，大小负荷混合供电能力较弱。

3.5交流远供系统供电方案优缺点

交流远供是采用三相380V输入，将三相电转化为单相电，再通过上位机输出单相3.3KV电压，通过电缆将电输送至各个用电点，在用电点通过下位机将3.3KV电压转变为220V电压向负载供电。该方案传输距离在4～30km，在用电设备距供电点较远时具有明显优势，且带载能力强。由于系统是采用单相电压输送，因此可以减少电缆的芯数，节约成本，且负载端无需三相平衡。

4.方案对比

根据上节对各供电方案的分析，做出以下对比分析表，如表2。

表2  常见的高速公路外场设备供电方案对比分析表

低压电力电缆直接供电高压10KV箱变/埋地变间接供电低压升降压供电直流远供供电交流远供系统供电供电距离4km15km10km30km30km电缆芯数4芯3芯4芯2芯2芯建设成本低高较高较高较高大小负荷混合供电能力优较优差差优用电质量稳定较稳定不稳定不稳定稳定

通过以上对比可知，在供电距离短，用电负荷小的情况下，选择低压电力电缆直接供电方案合适，;在供电距离较远，用电负荷单一的情况下，可选择直流远供或交流远供方案;在供电距离远，需大小负荷混合供电的情况下，选择交流远供方案合适。

5.结束语

“新基建”推动了智慧高速公路建设的到来，高速公路机电设备建设规模也将不断扩大，选择满足高速公路监控系统用电特征的供电方案显得尤为重要。在选择供电方案时，从负荷容量、供电距离、建设成本施工难度等几个方面综合考虑，才能提供安全可靠且经济适应的供电方案。

参考文献：

[1]曲晋.浅谈交通工程供配电系统设计与新技术应用[J].科技创新与应用，2012（3）：8-9.

[2]李俊;向阳.高速公路全程监控设备供电方案探讨[J].中国交通信息化.2017（11）：104-105

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作者简介：马若兰，1994.10.10，女，汉族，河南焦作，硕士，助理级工程师，公路机电设计，中交基础设施养护集团有限公司。