遠(yuǎn)距離供電技術(shù)在公路工程項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

秦慶飛

（中交一公局集團(tuán)第七工程有限公司，河南 鄭州 451450）

0 引 言

自1971-2001年，我國交通部門的能源消費(fèi)以每年9.3%的速度增長，2001-2015年增長速度激增為23.1%。同時(shí)，我國交通行業(yè)的能源供給系統(tǒng)仍延續(xù)著90年代的技術(shù)體系，其基本目標(biāo)是滿足有限負(fù)載的電力供給需求，然而面對(duì)現(xiàn)階段管理與服務(wù)需求，卻存在著一系列行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)難題。（1）能源設(shè)施信息化、智能化水平低；（2）能源供給設(shè)施建設(shè)與運(yùn)營成本高；（3）能源傳輸消耗大，能源利用率低；（4）電能質(zhì)量差；（5）能源故障導(dǎo)致關(guān)鍵設(shè)備損壞，從而造成重大交通安全隱患；（6）能源管理的手段單一，管理水平低。

基于此，引出了一種帶載能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、供電質(zhì)量穩(wěn)定、供電電壓可調(diào)及自身能耗小的遠(yuǎn)程智慧節(jié)能供配電系統(tǒng)，通過對(duì)供配電系統(tǒng)的按需調(diào)節(jié)、智能控制，最終達(dá)到降低能耗、節(jié)約運(yùn)營費(fèi)用的目的。

1 遠(yuǎn)距離供電技術(shù)

1.1 遠(yuǎn)距離供電產(chǎn)生的背景

我國早期公路工程配置的用電負(fù)載有限，主要集中在收費(fèi)設(shè)施和互通區(qū)附近簡單的監(jiān)控設(shè)施，因此從收費(fèi)站采用電纜直供方案較為方便。隨著我國路網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展、出行和管理需求的不斷提高，公路用電負(fù)載逐年增多，且質(zhì)量越來越高。這對(duì)供電系統(tǒng)的供電能力及質(zhì)量提出了更高的要求。

傳統(tǒng)380 V電纜直供技術(shù)體系一般供電距離在2 km以內(nèi)時(shí)較為經(jīng)濟(jì)合理。隨著全程監(jiān)控、重點(diǎn)路段監(jiān)測(cè)、智能路測(cè)及車路協(xié)同等設(shè)施的建設(shè)，供電距離少為4～5 km，多則超過20 km，特別是在西北、東北等偏遠(yuǎn)地區(qū)，互通間距可達(dá)到30 km以上。

為保證長距離供電遠(yuǎn)端設(shè)備的供電電壓，經(jīng)常采用增大電纜截面積的辦法來提高供電能力。但是此方法在提高供電能力時(shí)，也會(huì)極大地增加建設(shè)成本和線損[1]，且末端供電質(zhì)量差，易損壞用電設(shè)備。

傳統(tǒng)的供電技術(shù)體系已經(jīng)無法適應(yīng)交通行業(yè)的發(fā)展需求，故遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并因其自身的安全、節(jié)能、智能及經(jīng)濟(jì)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)而快速在工程中得以推廣應(yīng)用。

1.2 現(xiàn)有供電方案簡介

在公路工程供電方案中，除380 V電纜直供方案外，常用的供電技術(shù)主要有660 V小升壓供電方案、10 kV供電方案、風(fēng)光互補(bǔ)供電方案及遠(yuǎn)程供電方案，每種供電方案適用環(huán)境略有不同。

（1）660 V升降壓供電方案

660 V升降壓供電方案即在變電所設(shè)置升壓變壓器，將380 V升壓至660 V，傳送至負(fù)載較集中的位置，再通過降壓變壓器降壓至380 V向附近的負(fù)載供電[1]，如圖1所示。

此供配電系統(tǒng)相當(dāng)于對(duì)低壓380 V供電系統(tǒng)進(jìn)行了一定程度的升級(jí)，在傳輸距離和供電能力方面有所提高，但供電能力仍有限，且仍延續(xù)著傳統(tǒng)的供電技術(shù)體系。

（2）10 kV供電方案

高壓10 kV間接供電方案即從變電所高壓柜引出10 kV電壓傳輸至負(fù)載較集中的位置，通過變電箱變壓至380 V向附近的負(fù)載供電[1]，如圖2所示。

此供配電系統(tǒng)雖能夠滿足長距離供電需求，供電能力較強(qiáng)，但所需供電電纜和設(shè)備耐壓等級(jí)要求高，導(dǎo)致造價(jià)成本較高。此外，由于10 kV電壓通過變壓器降壓為380 V后，還需要通過電纜傳輸至附近用電點(diǎn)，因此需要敷設(shè)10 kV等級(jí)和1 kV等級(jí)兩條電纜，造成電纜重復(fù)敷設(shè)[1]。

（3）風(fēng)光互補(bǔ)供電方案

風(fēng)光互補(bǔ)供電方案是在近年來新能源開發(fā)利用的形勢(shì)下產(chǎn)生的一種供電方案，即在風(fēng)能或太陽能較為充沛的地方使用風(fēng)能、太陽能或兩者互補(bǔ)方式進(jìn)行發(fā)電，為用電負(fù)載供電，如圖3所示。

圖1 660 V升降壓供電方案

圖2 高壓10kV間接供電方案系統(tǒng)圖

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)供電方案系統(tǒng)圖

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于能夠充分利用清潔能源，但其受天氣環(huán)境條件的影響及后期運(yùn)維成為了制約其發(fā)展的主要因素。

外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備傳輸主要采用工業(yè)以太光環(huán)網(wǎng)，不穩(wěn)定的風(fēng)光互補(bǔ)供電如果造成個(gè)別設(shè)備點(diǎn)因電源缺失而掉線，將會(huì)對(duì)整個(gè)環(huán)網(wǎng)造成非常大的影響，其余正常供電的設(shè)備信號(hào)也極有可能無法正常傳輸至監(jiān)控中心。

（4）遠(yuǎn)程供電方案

遠(yuǎn)程供電方案是近年來隨著公路工程供電距離和負(fù)載容量的不斷增加而產(chǎn)生的，由先進(jìn)的物聯(lián)、感知技術(shù)為基礎(chǔ)，以智能電網(wǎng)為控制手段的新一代能源供給技術(shù)[2]。

采用三相380 V輸入，通過上位機(jī)輸出單相（660 V～10 kV可選）電壓。通過電纜將電力輸送到各用電點(diǎn)。在用電點(diǎn)（一個(gè)、多個(gè)或串型用電點(diǎn)）再通過下位機(jī)將傳輸電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?80 V/220 V電壓向負(fù)載供電[2]，如圖4所示。

遠(yuǎn)程供電方案因其自身的供電能力、安全性、節(jié)能性及智能化等特點(diǎn)被交通行業(yè)快速認(rèn)可，并得以推廣應(yīng)用。

1.3 多種供電方案之間的對(duì)比

無論是傳統(tǒng)的低壓供電、高壓供電還是新興的風(fēng)光互補(bǔ)及遠(yuǎn)程供電方案，都承載著交通行業(yè)供電重任，但每種供電方案在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能及使用效率等方面都存在較大的差異（見表1）。

2 遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)介紹

目前，公路工程遠(yuǎn)距離供電主要有交流遠(yuǎn)供系統(tǒng)和直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)兩種方式。

2.1 交流遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)

交流供電系統(tǒng)是以能源互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的新一代能源供給技術(shù)，由上位機(jī)組、下位機(jī)群、供電與通信網(wǎng)絡(luò)及管控平臺(tái)組成，形成了分布式的智能電源管控系統(tǒng)[2]。

交流供電系統(tǒng)供電核心技術(shù)主要是在上位機(jī)處，其供電原理是將380 V市電整流逆變成單相交流電傳輸，在下位機(jī)處將傳輸電壓降至220 V為用電負(fù)載供電，供電原理如圖5所示。

圖4 遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)

表1 不同供電方案對(duì)比表

2.2 直流遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)

與交流供電系統(tǒng)相比，直流供電系統(tǒng)同樣存在整流過程、逆變過程。直流供電系統(tǒng)的整流模塊在上位機(jī)，即經(jīng)上位機(jī)將380 V市電整流成直流傳輸，而逆變模塊在下位機(jī)，即在下位機(jī)處再經(jīng)逆變模塊將直流逆變成交流電為用電負(fù)載供電，其原理如圖6所示。

圖5 交流供電系統(tǒng)原理圖

圖6 直流供電系統(tǒng)原理圖

2.3 交、直流遠(yuǎn)距離供電方案對(duì)比

由于交流電與直流電存在著本質(zhì)的區(qū)別，同時(shí)考慮交通行業(yè)應(yīng)用的特定環(huán)境，導(dǎo)致交流遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)和直流遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)在使用性能、經(jīng)濟(jì)性等方面存在較大的差異，具體如表2所示。

3 遠(yuǎn)距離供電的應(yīng)用亮點(diǎn)

遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)與傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)相比，除滿足用電負(fù)載供電需求外，還可以大幅度提高安全性、穩(wěn)定性及節(jié)能性等，技術(shù)優(yōu)勢(shì)較為明顯，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

3.1 遠(yuǎn)距離供電能力

遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)采用逆變模塊并聯(lián)、無主均流工作方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大功率帶載能力，單機(jī)容量可達(dá)1 000 kW，單方向供電距離可達(dá)到25 km，適用于公路工程的多種用電場(chǎng)景。

3.2 安全可靠

（1）高效電能質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)提供優(yōu)質(zhì)純凈電能，減少惡劣的電能質(zhì)量對(duì)機(jī)電設(shè)施性能的影響，保障設(shè)備安全運(yùn)行。

（2）精細(xì)化智能感知、互聯(lián)，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，降低用電設(shè)備故障帶來的安全隱患[2]。

表2 交、直流供電方案對(duì)比

（3）電網(wǎng)與用電設(shè)備相互隔離，主控單元實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)絕緣狀況，確保用電設(shè)備和人身的安全。

3.3 節(jié)能環(huán)保

（1）系統(tǒng)在額定工作狀態(tài)下，功率因數(shù)大于0.95，大大降低無功損耗。

（2）系統(tǒng)采用單相遠(yuǎn)距離供電技術(shù)，減少電纜芯數(shù)和線徑，降低線損。

（3）系統(tǒng)自身能耗較小，且可降低空載能耗。

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控

（1）系統(tǒng)集成監(jiān)控模塊與通信模塊通過供電網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備間的能源與信息的互聯(lián)互通。

（2）智能感知、調(diào)壓及三級(jí)遠(yuǎn)程調(diào)控，管控靈活。

（3）資產(chǎn)數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)維養(yǎng)護(hù)。

3.5 降低成本

（1）一次配電，減少無功損耗，節(jié)約線路成本和用電成本。

（2）電纜采用2芯纜，且電纜線徑較細(xì)，大大節(jié)省建設(shè)成本。

4 應(yīng)用前景

4.1 應(yīng)用領(lǐng)域

遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了信息化與實(shí)體的深度融合，可大大提高能源的利用率，提高供給質(zhì)量和效率，不但滿足公路行業(yè)的發(fā)展需求，還能更好地滿足多個(gè)行業(yè)能源消耗的日益增長、不斷升級(jí)及個(gè)性化的需求。

4.2 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的蓬勃發(fā)展，智慧化成為交通運(yùn)輸系統(tǒng)的顯著特征。交通智能化、信息化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使交通運(yùn)輸系統(tǒng)已物理成網(wǎng)、信息成網(wǎng)、服務(wù)成網(wǎng)，交通用能供給系統(tǒng)必將成網(wǎng)，能源成網(wǎng)勢(shì)在必行。

交通運(yùn)輸行業(yè)迫切需要一種智能化、物聯(lián)化、高質(zhì)量及高效率的能源供給技術(shù)來促進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”的蓬勃發(fā)展。而遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)正是能源網(wǎng)的雛形，對(duì)后期能源的智能化、網(wǎng)聯(lián)化、管理、監(jiān)測(cè)及凈化等方面的進(jìn)一步延伸奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)切實(shí)解決了大范圍分布式供電的難題，在建設(shè)成本和節(jié)能方面具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其網(wǎng)絡(luò)化的管理功能順應(yīng)了電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，在很多機(jī)電工程施工領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，值得更深入地研究和推廣。