高速公路机电设备的智能供电技术研究

2023-03-29符方睿

机电信息 2023年6期

符方睿

（广东新粤交通投资有限公司，广东广州 510700）

0 引言

现阶段，高速公路机电设备的供电技术与系统存在造价高、稳定性不够、质量控制差、能耗较高、智能化水平较低等现象，鉴于此，提高供电技术的供电质量与智能化水平具有重要作用。本文提出了智能链式网供电技术，可以智能地对供电进行调节、控制，在保证质量与稳定性的前提下，达到降低能耗及建设成本的目的。

1 智能链式网供电技术

高速公路机电设备主要供电方式可概括如下：电能由高压电源点出发，流经供电电缆、交流变压器，最终为机电设备进行供能。智能链式网供电技术通过在电源点与交流变压器之间设置能源智控站、总协调控制单元，实现链式及网状结构，从而构建智能链式网供电系统，实现高速公路机电设备的智能供电。

1.1 高压电源点和交流变压器

高压电源点是隶属于配电网的供能节点，为高速公路机电设备的用电负荷能源来源。交流变压器的作用是将高压电源点提供的电能降压处理，使其满足低压交流母线下能源智控站的使用要求。

1.2 能源智控站

能源智控站由多种设备及系统构成，主要包括低压配电柜、能量路由器、分布式智能终端、清洁能源及储能系统、电能质量控制系统。

1.2.1 低压配电柜

低压配电柜主要由断路器、计量设备、测量设备、保护设备等组成[1]。电能由电源点供给，经变压器降压处理，低压配电柜与其输出线路进行连接，将电能引入能源智控站，并为能源智控站中的构成部分供电，为高速公路用电负荷提供电能的接入，通过柜内设备实现电能接入、控制和保护作用。

1.2.2 能量路由器

能量路由器的主要作用是实现电能互联，提高电能接入质量[2]。能量路由器通过自身将交流变压器低压侧的交流母线进行连接，使电能的流动形成链式网状结构，提高了末端供电系统的稳定性，并且能量路由器还能对其他多种电压等级、多种类型交直流电的接入和电能进行整合，例如光伏发电、风力发电产生的电能以及储能系统储存的电能。

1.2.3 分布式智能终端

分布式智能终端主要的作用是进行数据的采集，然后与总协调控制单元进行信息的互通，通过对数据进行分布式边缘计算分析、传递，为总协调控制单元的控制决策提供数据支撑，执行反馈回来的指令，对能源智控站的运行进行控制。数据的采集主要包括有关设备的环境数据、运行数据，例如环境温湿度、交直流电压、电源以及漏电情况等。

1.2.4 清洁能源及储能系统

清洁能源及储能系统主要的作用是为能源智控站的运行提供后备电源，通过蓄电池组对电能进行收集储存。对比不同种类例如铅酸蓄电池、UPS蓄电池、磷酸铁锂电池等的特点和应用环境等，UPS蓄电池因具有良好的安全和放电性能以及高耐用性，作为储能系统具有较好的应用效果。为满足节能环保要求，减少电能损耗，还可设置清洁能源系统，对蓄电池中的电能进行补充，例如可采用光伏发电系统，通过在能源智控站外部设置光伏组件获取太阳能，但能源智控站的占地面积较小，而且清洁能源系统为非必要系统，因此在选用清洁能源系统时应充分考虑实际情况。

1.2.5 电能质量控制系统

供电系统在正常工作的情况下，不中断和干扰用户使用电力的特性被称为电能质量。由于高速公路供电系统线路、设备的损耗，为保证电能质量需设置质量控制系统，从而使供电系统的输入电压、功率因数等满足使用要求。电能质量控制系统通过无功补偿进行电能质量的控制，利用静止无功发生器控制系统侧的电流，并通过静态同步补偿器、静止无功补偿器等实现对于供电系统的无功补偿[3]，为对电流质量敏感的高速公路机电设备提供稳定、可靠的电能。

2 智能链式网供电系统的布设

智能链式网供电系统的布置方式示意图如图1所示。

图1 智能链式网供电系统布设示意图

2.1 布置方式简述

各个高压电源点通过高压断路器接入母线，总协调控制单元也与母线连接，将电能引入各个高压配电室，每个高压配电室母线之间设置连接开关，电能经高压配电室流入交流变压器并进入能源智控站，每个高压配电室对应一个变压器，且每个变压器对应一个能源智控站，站间设置断路开关，电能经能源智控站处理后提供高速公路机电设备的用电负荷。

2.2 布设要点

（1）布设智能链式网供电系统时，首先要注意高压电源点供电方式的选择。供电方式主要分为交流供电、直流供电，其中交流供电方式相较于直流供电方式，其建站的造价低廉，且升降压方便，电能调配性好，但发生故障的频率较高，其线路内存在电容电流，容易引起损耗；而直流供电方式当输送的功率相同时，线路、线路架空杆简单，可以使同等绝缘水平的电缆运行于较高的电压之下，功率、能量损耗较小，且具有较强的抗干扰能力，其缺点为直流输电所需的换流站对比交流供电的变电所成本较高，且直流输电中起到整流和逆变作用的换流装置在运行过程中需要大量的无功补偿。综合对比两种供电方式，本智能链式网供电系统选择高压交流供电方式。

（2）其次是供电电压等级的选择、高压交流电源点之间距离的把控。现阶段大部分区域的供电等级为35 kV、10 kV[4]，电压等级的选择应考虑容量问题，其次需要综合考虑造价、用电费用以及电压等级可靠性。35 kV变电站的造价相较于10 kV变电站更加昂贵，但是其用电费用相对较小、可靠性较高。高速公路机电设备主要通过各设备的结合保障车辆的安全行驶，例如通信、监控、收费、照明等系统设备，因此在有条件的情况下，应选择具有较高可靠性的35 kV供电等级，从而保证高速公路机电设备用电的稳定性。

高压交流电源点之间距离取决于电能输送的容量和输送线路使用电缆的线径，在电缆的线径具有充足的裕量时，电能输送的容量越大，其供电半径越小。为保证供电的稳定性，高压交流电源点之间距离应小于其供电半径，即间距越小，供电稳定性越高[5]。经调查，高速公路机电设备所需的电能输送容量为2～15 MVA，以电压等级为35 kV为例，其供电半径为20～50 km，当电压等级为10 kV时，其供电半径为10～25 km，则当本系统选用35 kV高压电源点时，两个电源点间距应控制在30 km以内，而选用10 kV高压电源点时则应将间距控制在15 km内。如选用35 kV高压电源点，在将电能引入能源智控站时，应由交流变压器将35 kV电能降压至0.4 kV交流电。

（3）最后为能源智控站布设数量的确定和总协调控制单元的布设。能源智控站布设时，站间距离控制在500 m左右为宜，因此可根据选择的电压等级确定供电半径，结合能源智控站间距可确定布设数量。以35 kV高压电源点为例，其供电半径设定为30 km，则所需布设的能源智控站数量为60个。针对总协调控制单元的布设，由于本系统中通过无线网络进行通信，因此在布设总协调控制单元时应综合考虑布设位置的信号强度、信号遮挡情况和造价、控制灵敏度等，从而确定布设的数量，在信号良好、造价可接受的条件下，每6～10个高压电源点可选择布设一个总协调控制单元，总协调控制单元的布设位置在其控制的高压电源点500 m范围内为宜。

3 智能链式网供电系统的运行方式

在日常运行中，实时监测智能链式网供电系统的运行状态，首先由总协调控制单元检测供电系统中高压交流电源点的状态，检查除能源智控站之外的供电系统的主要设备运行状态，判断是否存在故障，当检查发现出现故障时，通过配电网的控制中心进行网络连接，确定出现故障设备的故障原因、故障位置等，并上报维修。

当检查正常时，则总协调控制单元与分布式智能终端进行通信，当两者间通信发生异常时，则可以确定能源智控站的位置，并上报维修；当两者间通信正常时，由分布式智能终端对实时采集的能源智控站运行数据进行边缘计算，分析能源智控站中的设备是否存在异常状态。

当计算分析无异常情况后，智能终端可自主对能源智控站中设备的运行进行调节，使其协调运行，并通过电能质量控制系统保证用电负荷的供电质量。调节的数据信息还需上报至总协调控制单元，总协调控制单元作为智能链式网供电系统中的主站，对比能源智控站具有最高的优先级，所有的调整数据、信息策略等都需要传输至总协调控制单元，由总协调控制单元协调所有能源智控站的运行。

当计算分析后发现存在异常情况且无法自我调节后，智能终端向总协调控制单元上报故障的能源智控站，总协调控制单元下达控制指令，通过控制能源智控站中的智能断路器切断报障的能源智控站的电力供应。切断主要的电力供应后，能源智控站的能量来源为其自身的能量储存系统，利用能量储存系统作为保证能源智控站运行的备用电源，为开关、断路器的控制以及信息交流系统提供能量。

当启用备用电源后，需要对故障能源智控站对应的用电负荷提供应急电能，由于各个能源智控站中的能量路由器相互连接，但母联开关一般处于断开状态，为保证用电负荷，控制切断电力供应的能源智控站中的能量路由器母联开关闭合，利用切断电力供应的能源智控站两侧的能源智控站，通过能量路由器实现能量互济，从而为故障能源智控站对应的用电负荷提供应急电能。

故障检修维护完毕后，断开能源智控站备用电源的供能，同时断开能量路由器母联开关，恢复能源智控站的电力供应，至此完成系统智能供电的一次运行循环。