雷凌昱 侯亚楠 佟昕鹏北京中交国通智能交通系统技术有限公司摘 要：高速公路机电系统作为公路工程建设中的组成部分之一，其重要性越发受到交通行业的重视。
随着公路通车里程的不断增加，高速公路管理和运营的智能化需求也逐渐增多。
高速公路供配电系统作为机电系统能源的供给方，将决定用电设施的运行状态，以及智能化水平发展的高低。
为保证系统内用电设备的正常运行及智能化要求，安全、可靠、优质、经济、智能的能源供给系统则变得尤为重要。
本文将对广东省南沙大桥项目中景观照明灯供电系统所采用的智慧远程供配电方案进行研究分析。
关键词：高速公路供电系统;电能优化;物联网;节能减排;1 项目背景南沙大桥，原称虎门二桥，是粤港澳大湾区内又一条重要的过江通道。
作为继港珠澳大桥之后，珠江三角洲的又一座世界级超级工程，大桥的建成通车标志着粤港澳大湾区交通基础设施建设步入新阶段，大湾区快速交通网络正在加快形成。
在“一带一路”的背景下，粤港合作不断深化，合作的重点领域第一条就是推进基础设施互联互通，结合“互联网+”，让“智慧交通”从构想变为现实，因此桥上各种路侧用电设施的数量也是国内外首屈一指的。
同时，为保障夜间的行车安全及景观需求，大桥的照明系统由多达3800盏路灯和景观灯共同组成，在保证照明的前提下，还需尽可能节省能耗，并且供电质量的好坏将极大地影响灯具的使用寿命，这就对大桥的供配电系统提出了非常高的要求。
根据历年来国内外高速公路供配电系统的实际应用情况，并结合物联网等新技术与高速公路机电工程的深度融合，该工程项目将采用基于高速公路能源互联网的分布式智慧节能供配电系统，下文将对此进行深入地研究分析。
2 常见的传统供配电方案分析现阶段，我国高速公路沿线设施传统供电方案主要为以下几种方式:(1)低压380V直接供电低压380V直接供电系统，即通过变电所低压配电柜向负载直接供电，该方案设计施工较为便捷，对系统的供电要求低，是采用最为普遍的一种方式。
但该方式供电传输距离短，供电能力弱，由于存在供电电缆线路阻抗，输电线路会产生线路压降。
通常会采用增大电缆截面积的办法，来降低末端压降，从而来达到长距离供电的需求，但此方式增大了电缆规格型号，导致成本增加，施工难度增加，并且电缆的规格不可能一味地增大，传输距离有限制，只适用于短距离(一般5km以内)，小负载的应用场景，且该方案不具备智能管控的功能。
(2)高压10kV间接供电高压10kV间接供电方案，一般从变电所高压柜引出10kV高压电传输至负载较为集中的位置，再通过变电箱降压至380V三相交流电向附近的负载供电。
相对于低压380V直接供电，该方式传输距离较远，供电能力也有所提升，但系统的耐压等级要求高，成本也相应增加，并且会造成电缆二次敷设，同时负载端需要三相平衡。
因此该方式逐渐被新技术取代。
(3)660升降压间接供电660V升降压间接供电方案，在变电所配置升压变压器，将380V三相交流电升压至660V交流电，通过输电线路传送至负载端，再通过降压变压器降压至220V/380V交流电向附近的负载供电。
相对于前两种方式，该方案比低压380V直接供电有所改进，但供电距离不及高压10kV间接供电的远，同时10kV方案的缺点也同样存在，电缆需要重复敷设，负载端需要三相平衡，只适用于中距离(一般在5km至10km)、中等负载容量(20KVA至30KVA)供电，远距离、大负载容量供电能力仍显不足。
(4)新能源离网式供电相对于前面的几种，该供电方式优点有无需繁杂的电缆敷设，并且系统绿色无污染、可利用能源丰富;不过由于南沙大桥地处潮湿多雨的广东省，日照时长不充足，对环境天气要求高，且储能电池成本昂贵、电池容量有限及寿命极短，电池维护成本过高，太阳能板及蓄电池等设备容易被盗，同时离网式风光互补供电系统本身对大功率设备的供电能力就不足，且能量转化效率低。
综上所述，以上的几种供电方式，各有优劣势，系统本身的适用场景也都有局限性，总体概括为:电缆用量大，造价高昂;二次配电问题，重复使用电缆，再次增加成本;系统自身需要三相平衡;设计和施工难度较为复杂;无功率补偿设备，系统功率因素低，自身的系统无功损耗大;但最关键的是这几种方式都不具备，智能管控、实时监测用电设备运行状态的功能，无法实现“智慧交通，互联互通”的“互联网+交通”愿景。
3 分布式能源互联网智慧供配电系统研究为了保证南沙大桥3800多盏灯具的长效、稳定地运行状态，针对景观灯所采用的LED光源的特性，并结合现场情况，进行分析。
景观照明灯具采用的是LED点光源的节能方式，但3800多盏邓鼓同时点亮的负载功率极大，常见的几种远程供电方式都无法满足大功率负载设备的供电需求。
同时大桥景观灯的取电点距离大桥景观灯配电箱，虽然直线距离在1公里以内，但电缆的铺设长度超过3km，并且桥体箱梁里的施工难度大。
通过对比目前国内常见的几种供电方案分析发现:如果采用低压380V直接供电，虽然方案可行，但需增设埋地变以及大幅加粗电缆线径，成本会大幅度增加，而且不利于施工便利性;高压10kV间接供电、风光互补式供电以及直流供电方案等都不适用现场的高温、高湿、高危、大风条件。
基于上述条件，提出建议采用升降压3.3kV的供电方式，先将收费站配电房的电引至桥墩处箱式变电站，并在此设立一台升压设备，将电压升高到3.3kv后传输至设备用电处，再将电压降至380V对设备进行供电。
此举将大幅提高供电效率、降低施工难度、减少电缆用量、减少后期维护工作量。
高速公路机电设备在高速公路的使用中各种雷击干扰、破坏机电设备的情况也时有发生，其不但会缩短设备使用寿命、损坏设备、丢失数据、导致系统瘫痪，还可能引发人员伤亡。
为了保证机电设备的安全性和使用寿命，供电系统应具有稳压、防雷、防冲击浪涌等防护功能。
3.1 系统构成及原理高速公路能源互联网系统作为“互联网+交通”针对高速公路机电供配电系统的解决方案，具有互联互通、智能感知、绿色低碳、节能减排等特点。
该系统由5大部分组成:上端电源柜、下端电源柜、供电电缆、通信线缆和智能监控终端构成，形成一个分布式的高速公路机电设备智能管控能源供给系统。
首先，该系统从变电站的市电引入380V三相电(10KV或6KV电压可选);其次，上端电源柜将低压三相交流市电通过智能均衡负载稳压电源进行功率因数补偿、滤波、稳压、谐波抑制等处理;接下来，转换为单相或三相高压交流电(660V～10KV国家标准电压可选)，经过相应等级的供电电缆将电力输送到各用电点;最后，在用电点(一个、多个或串型用电点)由下端电源柜将母线电压转变为220V/380V电压的交流电向负载供电，从而实现高压小电流远距离供电;与此同时，智能监控终端经过通信网络获取安装在设备端的智能监控模块发出的信息，能实时监测设备的运行状态，如图1所示。
图1 分布式智慧供配电系统图 下载原图本系统通过采用PWM脉宽调制技术及IGBT等关键技术，实现系统逆变功能。
采用的SPWM控制方法，通过对系统的输入电压、输入电流、相位角度等参数进行监测，判断系统当前的运行状态;通过控制逻辑算法，调节SPWM控制信号的脉宽，配合IG-BT开关器件，对输入电压进行开关控制以达到逆变的目的;通过计算得到PWM波形中各脉冲宽度和间隔，按照计算结果控制逆变电路中IGBT的通断状态，得到PWM的驱动波形;通过计算得到PWM的驱动波形，控制IGBT可以得到稳定可靠的正弦波，实现上端设备的逆变功能并输出到下级模块。
3.2 系统技术特点(1)基于微机控制IGBT和PWM开关技术设计，具有体积小，效率高等特点;(2)采用自动稳压系统，使输出精度达到1%;(3)软开机、软关机，大大延长设备的使用寿命;(4)数字显示屏，便于电流、电压及累计工作时间的查阅;(5)内部采用Can总线通用通信协议;(6)实时检测回路绝缘电阻，根据设定报警界线报警;(7)可为重要设备负荷选配不间断电源;(8)旁路开关实现冗余设计;(9)多模块冗余设计，便于维修和维护，提高设备可靠性;(10)设有遥控和485、RJ45、USB通讯接口，方便与计算机控制系统连接，可实现网络化智能供电管理。
3.3 系统性能测试经南沙大桥项目现场测试后，本系统在额定工作电压380VAC的运行条件下，可以达到输出电压220VAC±5%的运行状态，工作效率大于等于92%。
现选取20组测试数据，如图2所示。
图2 系统输入电压与输出电压关系图 下载原图以南沙大桥景观照明供电为例进行分析，通常情况下景观灯工作时的功率因数只有0.7左右，该方案输出的功率因数能达到0.95以上。
假设100盏景观灯的功率为5KW，那么它每年的耗电量5×24×365=43800kWh，约为4.4万度电。
如果功率因数从0.7提升至0.95，那么有功功率损耗将降低:100盏景观灯每年的节电量约为4.4×45.7%=2万度电，那么南沙大桥整体景观照明系统将每年节电约76万度电。
在本项目中，通过前期的现场调研，结合掌握的供电设计方案，经过分析，该远程供配电系统在南沙大桥的应用可以解决如下工程实际问题:系统不需要负载端三相平衡，降低了设计和施工难度;二芯电缆供电，施工方便，减少干线电缆数量;多电源实现不间断供电，旁路开关实现冗余配置，从而提高系统可靠性;智能通信功能，可实现远程对下位机输出回路进行单独开关、调压控制;输入输出端均带有电力参数采集模块，可对任意单独输出回路进行电力参数采集;保证输出电压为稳定电压，延长了用电设备电源的使用寿命，降低了设备的维护费用;通过“蓄水池”原理隔离市电网络与负载端用电网络，保证电网浪涌冲击不对彼此产生影响，提高系统安全性;供电系统进行功率因数补偿，降低系统无功损耗，功率因数补偿效果不低于0.95。
提出的南沙大桥景观灯三相3.3kv升降压供电方案最终被予以采纳应用，并在实际的工程应用中得到了良好的效果。
4 结语南沙大桥作为与港珠澳大桥同期的世界级的“超级工程”，代表着国内交通建设行业的顶尖水平，智能化水平也同样国际领先，是行业的风向标。
大桥的3800多盏照明灯具，不仅身负着道路安全的照明工作，还承担着南沙大桥这座地标性建筑的景观亮化工作，既要保障安全，又要保持“颜值”，分布式高速公路能源供给系统作为照明亮化工程的强有力支撑，给用电设备提供了稳定可靠的电能输出，减少能源的消耗，提供优质的电能质量，实时监测用能设备的运行状态，从而达到互联互通、节约成本、绿色节能、智能管控、延长设备使用寿命等目的，为实现交通强国战略“互联网+交通”提供产业化的基础。
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