基于绿色环保视域下高速公路分布式配电设计

罗 方

(广东新粤交通投资有限公司，广东 广州 510700)

1 基于绿色环保视域下高速公路分布式配电原理

1.1 基于绿色环保视域下高速公路分布式配电的基本形式

高速公路分布式配电系统由上端供电设备、下端供电设备、上端监控模块、供电电缆和监控管理主机构成(如图1所示)。分布式配电系统需要从供电中心接入380 V三相电，首先进入负载稳压电源对电压功率进行滤波和谐波抑制处理，而后形成较为纯净、符合国家标准的单相或三相交流电，交流电通过等级电缆进入各个用电端口，在用电处还需要下端供电设备将电压转变为220 V/380 V。高速公路的隧道照明与监控需要220 V，外场情报板需要380 V，场外监控需要220 V，隧道风机需要380 V[1]。

1.2 将绿色环保理念应用于高速公路分布式配电的核心思路

分布式配电方式可将可再生清洁能源以分布式接入配电网，降低了化石燃料在供电体系内的占比，减少了整体的碳排放，是目前推广度极高的一类配电形式，也是当前电网整体改革的重点发展方向。但由于风力、光伏等发电效率取决于气候，具有不稳定性，若分布式配电比例过大，将会导致配电网整体运行状态不稳，存在双向潮流、线路损耗等问题。

因此，若要解决上述问题，提升高速公路分布式配电的可控性是本次设计的核心思想。实现可控性目标后，各控制器与相邻控制器之间可形成通信信息交互，利用迭代计算的方式获取控制信号，在区域集群内形成协调控制，形成对局部故障的鲁棒性，且鲁棒性较强。并且，在通信控制正常运行的情况下，可有效采集配电终端的通信信息，有效控制配电终端等重要控制器，使得配电网整体受控性较强，可选用单点接入、多点接入、电压接入等级区分等方式控制电压值，保证电压的可控性和稳定性。

1.3 高速公路分布式配电上端供电设备的功能

高速公路分布式配电上端供电设备负责电流的补偿、监控和稳定，主要由开关、整流、滤波、逆变、升压、变压器、显示通信监控等模块组成。分布式配电上端供电设备需要对供电处的电流输入端进行监测，若输入电流出现异常波动，分布式配电系统可自动受到保护。上端供电设备的软硬件设施都具有抗外部干扰的作用，可对电流进行过流、过压保护，并运用了PWM脉宽调制设计和IGBT作为开关模块的重要配置，在不需要耗费过多功率的情况下就可快速高效实现配电开关。高速公路分布式配电上端供电设备运用了无主均流技术、多模块冗余设计以及特种干式升压变压器，为分布式配电系统的检修、优化与拆卸带来极大便利，系统运作速率高、温度低且低噪音。

同时，分布式配电系统的上端供电设备通过电力监控数据采集器和零触发技术，可全面实时监控供电处电流的补偿、滤波和分配情况，并及时跟踪配电均衡负载变化，对异常功率进行补偿，有效提升谐波吸收率和配电质量[2]。

1.4 高速公路分布式下端供电设备的主要构成

高速公路分布式下端供电设备由变压器(1 kV/220 V)、配电开关模块、通信模块、负载检测控制模块、降压模块组成。由供电处输入的交流电经过上端供电设备后再进入下端供电设备进行降压处理，而后将电流配送到各个用电设备。对于高速公路分布式配电系统的用电参数而言，可以通过电力设备或电缆实现故障预警和紧急制动，远程实时监控下端供电设备的配电情况，以确保分布式配电系统稳步运行。

2 高速公路分布式配电的实际应用案例

2.1 案例概况

河惠莞高速公路龙紫段项目路线全长约152 km，位于广东省高速公路网规划广龙高速(S6)的最北端，起于赣粤两省交界处，终点位于紫金县紫城镇，是粤港澳大湾区出省和连通粤北赣南的重要通道，也是广东省绿色公路建设的典型示范工程项目。河惠莞高速公路龙紫段项目运用了分布式智慧配电系统，实行了高速公路配电系统的智能化管理，在项目主线的ETC门架系统的左幅和右幅都设置了10 kV业扩配套延长线，从供电中心引入三相380 V输入，经由上端供电设备输出单相3.3 kV电压，而后再通过下端供电设备进行降压，将3.3 kV转变为380 V/220 V的配电电压。

2.2 分布式配电方案

该项目若使用传统380 V的供电方案，则难以满足各用电设备距离过大的用电需求，门架机电设备无法正常运转，且造价高达145.46万元。因此，该项目设计了分布式智慧配电方案，在主线的各ETC收费站增设1 kV的上端供电设备，在K9+320、K12+380 ETC附近设置下端供电设备，运用中压电缆连接上、下端供电设备，下端供电设备可对传输的电压进行降压处理，降至0.4 kV，以此有效满足项目主线ETC门架和各项设备的用电需求。

2.3 传统配电与分布式配电方案对比

高速公路传统配电系统的建造方案主要有低压三相380 V、升降压三相660 V、中压三相10 kV三种配电方案。低压三相380 V供电方案的系统造价与维修成本低，但只能支撑4 km的配电传输距离，且难以为各个用单设施提供平衡充足的电能；升降压三相660 V配电方案能够支持10 km的配电传输距离，但长距离的配电路径需要多次敷设电缆，配电能力减弱；中压三相10 kV配电方案的配电能力较强，能够支持较长距离的配电传输路径，但配电系统的建造价格较高，运用维修费用高，使用寿命难以估计。而分布式配电方案增设了20 kVA智能上端供电设备，并在ETC门架分别装配了K9+740、ZK11+545、ZK12+380的下位供电设备。分布式配电方案能够有效监控和采集系统中每个节点的运作情况和电力参数，有效防止系统受到外部电压波动的影响，使各用电设备都可免于浪涌电流的危害，配电系统的使用寿命也能够得到保证。

2.4 方案效益对比

河惠莞高速公路龙紫段项目运用分布式配电方案的最终造价为56.64万元，大幅提高项目建造的经济效益，可为项目主线提供高达95%的用电有功因数，相较于传统中压10 kV配电每年可节省4.75万度电，并能够减轻与弱化电路系统的闪变冲击和高次谐波，有效降低了用电成本和设备维护费用，可满足高度公路配电网绿色低碳的发展要求，实现高速公路配电系统的精细化管理。

表1 高速公路传统配电方案和分布式配电方案造价对比

3 基于绿色环保视域下高速公路分布式配电设计方案

3.1 高速公路分布式配电设计思路

为早日达成“双碳”目标，高速公路配电网接入分布式电源势在必行，通过分布式形式接入电网的可再生能源是未来电网结构中不可替代的重要能源。因此，为落实绿色环保思想，本研究配电网设计的方案选用分布式配电的形式。

高速公路分布式配电设计方案包括单点接入方案和多点接入方案，提供10 kV、220 V/380 V两类电压等级。单点接入方案根据配电系统各用电设备的电压等级，按照系统中的上端供电设备、下端供电设备、用电设备的位置，接入配电室、开闭站、环网柜和线路，并分别接入高速公路用电网和公共电网。多点接入方案是将高速公路单个项目进行多点接入，制定配电系统多个项目的组合配电方案。根据用电设备的用电需求，设计多点接入10 kV、380 V的组合方案。同时，还要设计计量点，计量点的设置用于对配电系统的上端供电设备、下端供电设备的输入和输出端口的用电量进行计量，还需要配置配电量的计量电能表，可进行配电计算和电价计量[3]。

高速公路分布式配电系统设计还需要防孤岛监测和保护发电的逆变器，以实时监测系统中的孤岛问题，捕捉异常情况后可立刻断开与配电系统的连接，并接入10 kV的配电项目，为高速公路分布式配电系统打造双重保护和监测的结构。380 V电压通过配电系统的逆变器发挥孤岛问题监测与保护功能，并与配电系统的上、下供电设备的开关模块进行连接，以此充分保障分布式配电系统的稳定运行。分布式配电系统接入10 kV的项目，对配电系统中的电流、电压、功率、配电量等运行状态进行信息采集；接入380 V的项目，需要单纯采集配电系统的电能信息，提前预留系统中各设备的信息采集能力[4]。

3.2 高速公路分布式配电系统的单点接入设计方案

单点接入可将光伏等可再生能源有效接入电网，是节能减排的重要手段，是落实绿色环保理念的重要形式。单点接入方案适用于高速公路具有多个公共连接点的配电系统，并将公共连接点作为公共变电站的10 kV母线，或上端供电设备的开关模块、环网室、配电室的10 kV母线如图1所示，配电系统的装机容量可设置为1～6 MW或400 kW～6 MW。高速公路分布式配电系统的单点接入方案还可以运用三相接入的方式，系统的装机容量需要控制在400 kW以下；也可以采用单相接入，装机容量需要保持在8 kW及以下，或将配电系统的配电室、变压器、箱变等作为连接点，装机容量需设置为20～400 kW。

图1 单点接入设计图

3.3 高速公路分布式配电系统的多点接入设计方案

除单点接入形式外，多点接入也是光伏等清洁能源接入配电网的重要形式，做好多点接入对风力、光伏等新能源领域的发展、对绿色环保理念的落实具有重要作用。多点接入设计方案需要接入配电系统的配电箱或线路、箱变或配电室低压母线，接入电压为380 V或220 V；或接入10 kV电压的母线或配电室；还可运用接入电压为380 V的单点或多点接入配电系统的配电箱，以10 kV单点或多点接入系统10 kV母线或箱变。高速公路分布式配电系统还可以380 V或220 V的接入电压多点连接配电箱或配电室低压母线(见图2)；或运用380 V的接入电压连接配电系统的配电箱或配电室低压母线，以10 kV的接入电压链接配电系统的上端供电设备的开关模块和变电站等设备[5]。

图2 多点接入设计图

4 基于绿色环保视域下高速公路分布式配电技术效益分析

4.1 减少电缆线径，降低配电系统的造价

高速公路分布式配电系统可使功率、电缆的使用率大幅度降低，减少电缆芯数的配置，相较于高速公路传统的配电系统，分布式配电的造价更为低廉。传统的配电系统直接由供电处输入380 V的电源，流经开关柜、应急照明灯母线回路，再到达高速公路的照明配电箱，来为外部照明设施和隧道照明设施配电，通过低压开关柜控制母线回路。分布式配电系统将供电设备配置在变电所，可将供电处的输入电流直接输送到高速公路的各个用电设备，可以从单洞输出两条回路，以保证高速公路的不间断配电。分布式配电系统的下端供电设备替代了原有的传统式配电箱，能够实现远程操控电流供应与配送，按照不同天气和时间进行人性化的配电开关。所以分布式配电系统可有效优化配电路径，减少配电系统的建设成本，具有较为优越的经济效益[6]。

4.2 切实满足用电设备的负载运行要求，动态采集回路数据

高速公路分布式配电系统能够实现远距离供电，将供电处的电流转变为1 140 V和3 300 V的单相电，再经过下端供电设备将电流降压到220 V或380 V。分布式配电系统的上端供电设备的运作方式为无主均流和逆变模块并联，若配电系统的某个部位发生故障或异常，不会影响其他配电系统的运行，可为所有用电设备提供500～600 kVA的电流容量，真正满足系统中用电系统的所有负载要求。高速公路分布式配电系统的上、下端供电设备都能开展远程的开关和通信控制，在配电过程中可对下端供电设备实行精准的回路调压控制，按照各用电处的用电规格和用户的配电需要可及时完成调压，并且远程操作和控制的调压和开关并不会影响配电运作系统的正常运作。分布式配电系统的上、下端供电设备还能够实时监控电力传输状态，通过设备的输入和输出端口动态采集回路数据，全程监控配电系统的运作情况、故障与异常、温度和湿度、升压速率等参数，并利用光纤链路将数据传输到监控中心，工作人员可通过检测软件直接监测配电系统的运行状态和能耗情况。

4.3 有效实现不间断供配电，减轻高压电流的负面影响

高度公路分布式配电系统的上端供电设备能够接入供电中心的多路电流，可与系统中的应急设备相连接，为各用电设备提供冗余保护，确保电路系统中发生异常或故障后系统能够稳定运行。由于分布式配电系统的电源柜中配置了蓄电池，所以当供电处的电流切断后，依然可为配电系统中的用电设备提供电流，以此实现配电系统的不间断供配电和应急配电。当分布式配电系统的输入端口和输出端口都为高压，需要通过核心处理方法将供电处的电流和系统的线路进行隔离，此项功能具有与隔离变电器相似的作用。分布式配电系统还能够避免供电处发生浪涌，有效减轻不良电流对配电系统和用电设备的负面影响[7]。并且，用户侧的电网也会免受供电处的异常触点影响，通过上端供电设备进行功率优化与补偿，分布式配电系统的功率补偿效果可超过95%。

5 结 论

高速公路采用分布式配电系统具有良好的经济效益、环保效益与社会效益，是一条实现智慧高速和环保公路的重要路径，可提高配电系统的可靠性、灵活性与高效性。相较于传统的配电技术，分布式配电系统能够减少电缆路径，降低系统故障率和电能消耗，有效提升配电质量和应对系统故障的能力，并能够满足用电设备的负载运行要求，实现配电系统的不间断供配电和应急配电。通过对高速公路分布式配电系统的单点接入和多点接入的方案设计，可明确不同接入方式和配电方式的电压要求，实现配电系统运行数据和信息的动态采集，助力我国高速公路配电网智能化水平和低碳水平的持续提升。