虎门二桥分布式智慧节能供电系统的构建和实施

凌思威

（广东省公路建设有限公司湾区特大桥养护技术中心,广东 广州 510000）

0 引言

随着我国高速公路总里程数的快速增加，相应设施设备的种类和数量明显增多，也对与之配套的配电网的可靠性和安全性提出了更高要求[1]。在高速公路的众多附属系统中，监控系统和照明系统是重要的组成部分，是保障高速公路正常运营、高效管理的重要辅助系统[2]。如今，随着信息化技术的全面推广和应用，供电系统已经不再单一地向末端设备提供电能，而是要满足不同负荷类型的供电需求，需要配置更为智能化的设施设备[3-4]。

高速公路供配电系统造价在机电系统中占有很大比例，传统供电方案普遍存在投资大、施工难、损耗高、能耗大等问题。如今，传统的供电方案在处理高次谐波、浪涌电流、降低线损和无功功率方面已经很难适应当今电力系统的实际情况。为降低供配电系统造价、提高系统节能水平、提高供电质量，该文提出了分布式智慧节能供电方案，结合相关案例就项目实施的成本、供电质量等技术指标进行对比和分析。

1 传统供配电方案

高速公路的传统配电系统一般采用低压380 V 直接供电方案、高压10 kV 间接供电方案、风光互补供电方案，具体方案[5]和优缺点如表1 所示。

表1 高速公路传统供配电方案

整体来看，传统供电方式的突出的不足之处在于：电缆的使用长度过长、二次配电的情况导致造价成本较高、系统内负载端都需要确保三相平衡、功率因素普遍偏低，供电质量较差，无功损耗较大。

2 分布式智慧节能供电系统

2.1 系统介绍

分布式智慧节能供电系统采用三相380 V、10 kV、6 kV（根据项目具体情况选择）输入，通过上端电源柜输出单相3.3 kV（660~10 kV）电压，如图1 所示。通过下端电源箱将3.3 kV电压转变为380 V/220 V电压向负载供电，项目的实际应用情况如图2 所示。

图1 分布式智慧节能供电系统方案图

图2 系统的上位机和下端电源箱

该系统的主要功能如下：

（1）不间断供电功能。该系统采用智能功率因数补偿技术，功率因数＞0.95，提供±2.5%精度的稳压，可以抵抗浪涌电流冲击，谐波分量低，配置蓄电池就可以实现UPS 功能，无需另行配置电容补偿器、稳压器、谐波滤波器、EPS 等设备，降低了建设成本。

（2）智慧供电功能。该系统采用先进的电能数据采集技术和智能电源控制技术，可以实现变频、软启动、调压、自动开关控制等功能，无需另行配置额外的装置等设备。

（3）用电大数据能耗监测分析功能。通过对用电瞬态数据进行归类分析，根据供电对设备冲击的情况，提前对设备进行检查检修，提前进行备品采购，提高设备维修维护效率，提高用电设备的完好率。

（4）上端电源柜多路输入功能。上端电源柜可以接入多路的市电，若有必要可以加入柴油发电机，更好地保障设备的运行，提高供电的可靠性。

（5）隔离变压器功能。传统供电系统需要配置隔离变压器以防止供电线路对电网的负面影响。智慧节能系统可以通过内部核心处理实现项目的供电线路与外部电网隔离，即可以不再装备隔离变压器。

（6）系统功率因数补偿功能。高速公路使用的LED灯和情报板等设施均属于电子型负载，由于负载为脉冲式用电，造成大量无功损耗，功率因数较低。分布式智慧节能供电系统可通过对负荷实时地进行无功补偿，提高系统功率因数，降低系统的无功损耗。

（7）LED 电源集中管理功能。据统计，LED 灯具的损害80%是由于电源损害造成，LED 灯整灯寿命一般也取决于电源的寿命。电源的损害和寿命一般取决LED灯电源部分的质量、散热和供电质量。通过将LED 电源集中在下端电源柜，构建LED 电源集中平台，向LED灯直流电输出，以降低LED 电源总造价，提高集中电源的质量和LED 整灯寿命，达到LED 线性智能调光，降低维修成本。

（8）分布式发电设备并网功能。该系统可以允许与风力发电、太阳能光伏发电等分布式发电系统接入，做到自发自用，提高供电的可靠性，减少对市电的依赖程度，具有良好的经济和环境效益，也可以争取到项目的国家补贴，减少建设成本的支出。

2.2 系统特点

智慧节能供电系统具有可靠性、稳定性、智能性、节能性等特点。具体体现在以下几个方面：

分布式智慧节能供电系统中上位机和下位机之间可以通过有效的通讯，上位机拥有对下位机任意回路的调压和开关等控制能力，有效地实现消除高次谐波、抵御市电浪涌电流、输出稳定的电压、保护用电设备的安全。在光照条件较好或者车流量较小时，可以通过控制灯光的亮度，减少灯具的用电量，从而实现节能的效果。

在节能方面，分布式智慧节能供电系统通过上位机的处理，将功率因数综合提高至0.95，从而降低无功损耗，节能效果明显。对于提高高速公路系统的能源利用效率和减少能源消耗具有重要意义。

综上所述，分布式智慧节能供电系统通过上位机的处理和上下位机之间的智能通信，可以实现对电力供应的精确控制和监测，从而提高电力设备的安全性和使用寿命，并实现节能效果。

3 案例分析

该项目依托广东省虎门二桥进行项目的试验研究。广龙高速南沙大桥（虎门二桥）段是粤港澳大湾区核心位置的重要东西向过江通道，起于广州市南沙区东涌镇，顺接国道主干线广州绕城公路南段，同时与广珠北线高速公路连接，经广州市南沙区、番禺区，并先后跨越大沙水道、海鸥岛、坭洲水道后，进入东莞市沙田镇，终点顺接莞番高速公路，并与广深沿江高速公路连接。路段全长12.89 km，双向8 车道，设计行车速度100 km/h，设计使用寿命100 年。主线全部由桥梁组成，包含特大桥6 座、大桥4 座。全线设有收费站一座、立交三座（东涌互通、海鸥岛互通、沙田互通），有互通匝道桥26 座，匝道总长15.31 km。针对项目特点提出了基于物联网技术的公路智慧型节能供配电系统，对供电电缆、用电质量、稳压情况等进行了优化，并提高了系统功率因数，实现了电源的智能通信和控制。

3.1 传统方案和智能方案

3.1.1 原方案

在沙田管理中心海鸥岛收费站分别设置一处10/0.4 kV变电所，在沿线大桥上共设置10 kV/0.4 kV 埋地式变压器19 座，其中下行线路灯埋地式变压器6 座，景观照明埋地式变压器共4 座，枢纽互通埋地式变压器3 座。埋地式变压器的10 kV 供电电源均有设在沙田管理中心的变电站供给。在项目终点沙田枢纽互通处引入双路10 kV外电，上下行方向通长敷设10 kV 电缆，将沿线埋地式变压器、箱式变电站、变电所串联。

3.1.2 智慧节能供电方案

该方案保留原方案的10 kV 母线回路，将智慧供电的上端电源柜设置在原方案埋地变位置处，直接由10 kV进线，将原设计中除景观照明埋地变为所有埋地变。由智慧供电上端电源柜出线单相1 kV 电压回路为沿线路灯照明、互通照明、监控设备供电，同时智慧供电上端电源柜出线三相380 V电压回路为沿线索塔照明、箱梁照明、锚碇照明、检修插座供电，原景观照明仍由原景观埋地变供电。

智慧供电方案的路灯照明、互通区照明和监控设备干线传输电压为1 kV，沿线每五盏路灯设置一套下端电源柜为路灯和监控设备供电。

3.2 方案综合对比

3.2.1 工程造价

据核算传统方案工程量造价大概为809 万元，智慧供电造价估算约为750 万元，综合对比节省造价约59 万元左右，节省比例为7.2%。

3.2.2 电缆

原供电设计方案采用YJV22-1 kV-4×16 mm2电缆为远端的负载供电，由于采用三相供电，需要考虑三相平衡问题，而且线径较大。

智慧节能供电方案通过对供电形式的优化，仅使用YJV22-3.3 kV-2×4 mm2的电缆即可满足要求。不仅降低了电缆的截面积和芯数，并且无需三相平衡。

3.2.3 功率因数

通过实际测量，传统供电方案下情报板的功率因数仅为0.657；而通过智慧节能供电系统进行补偿后，系统的功率因数为0.958。

3.2.4 提高供电质量

国标《电能质量供电电压允许偏差》（GB12325—90）中规定，10 kV 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%，而公路市电电压波动范围常在±20%，如额定电压380 V，实际电压常在310~450 V 之间波动。分布式智慧节能供电系统通过处理，输出电压偏差范围为±2.5 V。因此智慧供电提高供电质量远超过30%。整体来看，分布式方案在供电质量优化效果明显，上位机带有浪涌抑制、谐波治理、稳压等功能，减少冲击电流对设备电源的影响，提高设备使用寿命。

3.2.5 年耗电量

根据实际耗电量统计，传统供电方案耗电量为13 300 kW·h/年，智慧节能供电方案耗电量为9 100 kW·h/年。

3.2.6 后期维护运行方面

传统方案在维护灯具时需要上路排查，10 kV 箱变不可断开，维护较困难。分布式智慧方案的主要优势体现：上位机采用模块化设计，模块支持热插拔，将故障模块拔出，插入备用模块，可自动识别工作，且不影响其他处理模块。下位机可靠性高，可连续无人值守工作，可以通过单灯监测，实现故障精确定位，减少排查难度。

3.3 创新性分析

该项目的技术创新性可归纳为以下几点：

高可靠性的供电系统，同功能模块互为备份，冗余配置，并采用无主从工作模式，任意一个模块出现故障，其他同功能模块可迅速切入工作，保证设备高可靠性。

动态监测。在不额外增加电力监控系统的基础上，实现全部电力监控功能，可以采集供电系统中所有节点的电力参数，实现对高速公路供电系统的精细化管理。

智能控制。实现了上下位机间智能通信和控制，体现智慧公路的价值。

稳压系统。系统使用后可以避免市电小范围波动对设备的负面影响，消除电网电压瞬间闪变对用户侧的冲击，在消除高次谐波、过滤噪音、防止浪涌电流方面效果十分明显，利于设备的安全，延长设备寿命。

综上所述，该智能供电系统的应用，实现了高速公路精细化、智能化管理，并提供了高可靠、高质量的电力输送网络。

4 结语

综上所述，分布式智慧节能供电系统可以明显地节约工程造价、提高供电质量和应用效果，并通过上位机监视用电设备状态，进行实时控制，实现系统的人性化控制。该方案在解决提高功率因素、降低线损、处理高次谐波、解决中长距离外场监控设备和照明设备的用电问题方面有明显优势。总之，分布式智慧节能供电系统是一种很好的解决方案。