高速公路ETC门架供电系统优化设计研究

陆文新

（福建省高速公路集团有限公司南平管理分公司，福建 武夷山 354300）

0 引言

为落实2020年1月1日零时取消省界收费站采用ETC门架计费的相关政策，ETC门架各项设备正常运行将成为高速公路开展通行费计费的重要条件。ETC门架系统主要作用包括：一是对行驶在高速公路上的车辆进行路径识别及通行费计费；二是承担着通行车辆的车牌识别、车辆图像等信息收集、上传等功能。因此，高速公路ETC门架系统设备（RSU天线、高清车牌识别一体机、高清网络摄像机、工业以太网交换机、天线控制器、工控机及空调等）需确保7×24h持续供电。高速公路上ETC门架供电线缆布设距离较长以及自然灾害等不利因素导致供电线缆等设施时常损坏，同时，高速公路突发性外线路停电的情况时有发生。因此，目前ETC门架的供电系统稳定性有提高的空间。为进一步提高ETC门架设施供电的稳定性，需要对现有ETC门架供电系统进行优化。

1 ETC门架供电系统现状

目前，福建省ETC门架系统主要从门架附近的高速公路收费站、服务区及隧道等配电房中的配电柜进行取电。大部分配电房到ETC门架的距离较长，电缆出现损坏的概率较大。ETC门架一体化机柜内设配电箱和不间断电源（UPS电源）等设施。其中，UPS蓄电池组对门架主要设备的供电时间按照后备4h配置。当遇到自然因素或外力破坏等造成高速公路沿线供电线缆或设备损坏时，ETC门架设施将采用UPS蓄电池组进行临时供电。为确保门架设备不会断电，需在一定时间内外接移动式汽油发电机等移动发电设备对门架设备进行应急供电，同时组织队伍对供电线路故障进行排查和修复。但受供电线缆布设距离较长以及高速公路户外作业恶劣天气等影响，在短时间内排查、修复故障点恢复正常供电存在客观条件限制，同时也增加了高速公路作业人员的不安全因素。

福建省ETC门架供电线路大多采用单回路供电模式，当供电线路出现故障时将直接影响ETC门架系统的市电输送和使用，只能依靠UPS蓄电池作为门架设备的应急电源进行供电。目前，ETC门架UPS蓄电池按设计要求维持约4h的供电保障时间，然而高速公路上抢修电缆或者供电设备有时是一项繁杂、耗时的工作。首先需要组织维修人员到现场对故障点进行排查，然后经过故障点确认、修复以及测试等一系列操作后才能排除故障恢复门架供电，时间往往要长于门架蓄电池后备电源供电时间4h。当UPS蓄电池组电量耗尽或不足时，门架设备将存在停止运行的风险，给供电保障工作增加了较大难度。同时，高速公路ETC门架设备数量大，对电量的需求大，设备用电占维护费用的比例高。目前ETC门架较为单一的供电回路将会影响ETC门架设施供电的稳定性。以上问题对ETC门架运行增加了供电保障的难度及运营成本，不利于高速公路实现机电系统运营降本增效和维护工作的开展。为解决以上问题，使ETC门架系统能够持续稳定地运行，需对高速公路门架系统的供电线路及供电方式进行改造和优化：对ETC门架供电单回路模式进行优化；同时引进太阳能光伏式发电方式作为ETC门架设备用电的主要来源。

2 ETC门架供电系统优化设计

为改善现有门架单一供电回路的供电模式，保证门架设备能7×24h持续得到供电保障，需通过增加一条备用供电回路来提高ETC门架供电的稳定性。依托高速公路得天独厚的土地资源优势，结合现有高速公路供电系统的有利条件，利用太阳能光伏发电[1]和市电相结合的方式为ETC门架设备供电。同时增加一条ETC门架系统供电回路，两条供电回路具备相邻且互不干扰的取电点，如图1所示。同时，在ETC门架机柜中增加可自行切换的电源控制器，当其中一条回路故障时可不间断地切换到另一条供电回路上继续供电，使ETC门架设施能够持续得到太阳能、市电供应，继续稳定运行。

图1 ETC门架双供电回路示意图

2.1 高速公路开展太阳能发电的优势

高速公路沿线的收费站、服务区、互通枢纽以及隧道口隔离带均有较为充足的可供太阳能发电的场所[3]，且日照较为充足。因此，高速公路运营公司可根据实际情况选择合适的太阳能发电场地，如收费站和服务区的屋顶和空闲区域、互通枢纽闲置土地、隧道口隔离带以及硬质大面积边坡等区域均是开展太阳能发电的绝佳场所。且高速公路以上场所均配备相关的电网接入点（配电室等），便于太阳能发电后并网工作的开展。

2.2 太阳能光伏发电

福建省地处北纬：23°30'～28°2'，东经：115°40'～120°30'，是太阳能资源较丰富区，部分地区为很丰富区，年总辐射量在1 055～1 500kW·h/m2，具有太阳总辐射量大、直接辐射多、太阳能利用率高等特点，综合利用太阳能的潜力巨大[2]。

目前，太阳能光伏发电类型主要分为独立光伏发电和分布式光伏发电，随着太阳能光伏发电技术不断成熟，发电效率不断提高，结合两种太阳能发电方式特点和高速公路的自身特点，在高速公路上开展分布式光伏发电较有优势。分布式光伏发电主要设施包括：光伏组件、控制器、蓄电池组及逆变器等。为满足高速公路ETC门架设备特殊供电需求，可在分布式光伏发电系统中配备蓄电池组来储备多余的电能，在阳光充足时段对蓄电池组进行充电，当太阳能发电系统在夜晚或阴雨天气时段发电不足时可由太阳能蓄电池组继续为ETC门架供电，进一步提高ETC门架后备电源的保障时间。通过对ETC门架设备功率的实际测量，单个ETC门架主要设备的功率总和约为1 800W左右，正常情况下一个门架设备一天约耗43.2kW·h电量。按每天发电50kW·h测算，需配置8kW左右的光伏组件进行约6.25h有效发电，可根据不同区域光照强度和时长来调整光伏组件功率，确保太阳能一天的发电量满足ETC门架设备使用。太阳能蓄电池组容量可按照ETC门架设备功率进行相应的配备。

2.3 高速公路太阳能发电的实施

利用福建省高速公路现有优势条件开展太阳能分布式发电，可以达到节能增效的目标。当前，太阳能分布式光伏发电以硬件成熟可靠、相关配件易采购、建设与养护成本低等优势，成为推广太阳能分布式光伏发电系统的有利条件[4]。在开展太阳能发电项目前需对高速公路沿线收费站、服务区、互通枢纽、隧道等区域进行勘察，选择最适合分布式光伏组件安装、布设的地点建设分布式光伏发电站。高速公路太阳能光伏发电及并网系统示意图如图2所示。高速公路太阳能并网发电系统工作原理为：

（1）光伏组件（光伏板）在太阳光照射下产生直流电；

（2）直流电可通过充电控制器对蓄电池组进行充电备用；

（3）同时多余的直流电通过汇流箱接入逆变器；（4）逆变器将直流电转换为交流电；

（5）逆变器输出的交流电统一送往高速公路附近的收费站、服务区、隧道等配电室中将太阳能发电进行并网。

在以上场所配电室中布设并网箱、配电箱、变压柜、光伏电能表和双向电能表等设备，具有以下作用：

（1）并网箱输出稳定的可直接使用的交流电经配电箱送往ETC门架负载使用；

（2）光伏电能表用来计量太阳能发电量；

（3）双向计量电能表用来计量余电上网电量和市电使用量；

（4）如遇光伏发电的电量不够门架设备使用时，则电网将补充市电给门架使用；

（5）当光伏发电的电量有余，则将多余的电量经变压器处理后销售给国家电网。形成“自发自用，余量上网”的太阳能发电模式。

2.4 ETC门架供电系统优化

高速公路ETC门架供电系统优化思路为：将原ETC门架单回路供电改造为双回路供电，形成两条回路互补的模式。从而当一条回路出现故障无法正常供电时，可由另一条供电回路对门架设备进行供电，提高ETC门架供电稳定性。

同时对ETC门架配电箱进行双电源自动切换的电路改造，如图3所示。两条供电回路形成一主一备，若两条回路中只有一条供电回路具备太阳能供电的情况时，一般情况下将具备太阳能发电供电回路作为主回路优先给门架一体机柜UPS蓄电池充电及门架设备供电；若两条回路均具备太阳能发电供电时，可任意选择其中一条回路作为主回路。门架一体机柜配电箱内设置自动转换开关，当主供电回路无法正常供电时将自动切换至备用供电回路进行供电，主回路恢复后重新切换至主回路供电。使门架供电系统具备“自投自复”的功能，确保能为ETC门架设备持续不间断的供电。

图2 高速公路太阳能并网发电系统示意图

图3 双电源自动切换的电路

3 ETC门架供电系统改进后的成效

优化后的ETC门架供电系统更加稳定，降低了ETC门架设备断电和供电抢修维护的风险，使门架设备持续供电得到双重保障。太阳能光伏发电作为自给自足的供电方案，从长远发展角度考虑，此方案是一项可以节能降本的供电方案。可以降低高速公路ETC门架对市电的需求量，从而提升企业综合竞争力。

4 结语

经优化后的高速公路ETC门架供电系统的稳定性以及可靠性有显著的提高，解决了原有单回路供电系统存在的不足，使ETC门架各项设备功能和数据指标维持较高的水平。同时在一定程度上为ETC门架供电线路的抢修争取更多宝贵时间。从可持续发展的角度分析，高速公路作为长期营运企业，各系统机电设备对电量的需求巨大，且成不断增长趋势。太阳能分布式发电的应用在高速公路上可以进一步扩展和开发，高速公路优越的土地资源开展太阳能发电不仅符合国家发展的政策向导，同时高速公路电量需求大的特点使开展太阳能发电项目具备投资成本回收周期短等优势。因此，太阳能开发项目在高速公路运营和机电设备养护中具有良好的发展前景。