远距离供电技术在公路工程项目中的应用研究

秦庆飞

（中交一公局集团第七工程有限公司，河南 郑州 451450）

0 引 言

自1971-2001年，我国交通部门的能源消费以每年9.3%的速度增长，2001-2015年增长速度激增为23.1%。同时，我国交通行业的能源供给系统仍延续着90年代的技术体系，其基本目标是满足有限负载的电力供给需求，然而面对现阶段管理与服务需求，却存在着一系列行业关键技术难题。（1）能源设施信息化、智能化水平低；（2）能源供给设施建设与运营成本高；（3）能源传输消耗大，能源利用率低；（4）电能质量差；（5）能源故障导致关键设备损坏，从而造成重大交通安全隐患；（6）能源管理的手段单一，管理水平低。

基于此，引出了一种带载能力强、传输距离远、供电质量稳定、供电电压可调及自身能耗小的远程智慧节能供配电系统，通过对供配电系统的按需调节、智能控制，最终达到降低能耗、节约运营费用的目的。

1 远距离供电技术

1.1 远距离供电产生的背景

我国早期公路工程配置的用电负载有限，主要集中在收费设施和互通区附近简单的监控设施，因此从收费站采用电缆直供方案较为方便。随着我国路网建设的快速发展、出行和管理需求的不断提高，公路用电负载逐年增多，且质量越来越高。这对供电系统的供电能力及质量提出了更高的要求。

传统380 V电缆直供技术体系一般供电距离在2 km以内时较为经济合理。随着全程监控、重点路段监测、智能路测及车路协同等设施的建设，供电距离少为4～5 km，多则超过20 km，特别是在西北、东北等偏远地区，互通间距可达到30 km以上。

为保证长距离供电远端设备的供电电压，经常采用增大电缆截面积的办法来提高供电能力。但是此方法在提高供电能力时，也会极大地增加建设成本和线损[1]，且末端供电质量差，易损坏用电设备。

传统的供电技术体系已经无法适应交通行业的发展需求，故远距离供电系统应运而生，并因其自身的安全、节能、智能及经济等技术优势而快速在工程中得以推广应用。

1.2 现有供电方案简介

在公路工程供电方案中，除380 V电缆直供方案外，常用的供电技术主要有660 V小升压供电方案、10 kV供电方案、风光互补供电方案及远程供电方案，每种供电方案适用环境略有不同。

（1）660 V升降压供电方案

660 V升降压供电方案即在变电所设置升压变压器，将380 V升压至660 V，传送至负载较集中的位置，再通过降压变压器降压至380 V向附近的负载供电[1]，如图1所示。

此供配电系统相当于对低压380 V供电系统进行了一定程度的升级，在传输距离和供电能力方面有所提高，但供电能力仍有限，且仍延续着传统的供电技术体系。

（2）10 kV供电方案

高压10 kV间接供电方案即从变电所高压柜引出10 kV电压传输至负载较集中的位置，通过变电箱变压至380 V向附近的负载供电[1]，如图2所示。

此供配电系统虽能够满足长距离供电需求，供电能力较强，但所需供电电缆和设备耐压等级要求高，导致造价成本较高。此外，由于10 kV电压通过变压器降压为380 V后，还需要通过电缆传输至附近用电点，因此需要敷设10 kV等级和1 kV等级两条电缆，造成电缆重复敷设[1]。

（3）风光互补供电方案

风光互补供电方案是在近年来新能源开发利用的形势下产生的一种供电方案，即在风能或太阳能较为充沛的地方使用风能、太阳能或两者互补方式进行发电，为用电负载供电，如图3所示。

图1 660 V升降压供电方案

图2 高压10kV间接供电方案系统图

图3 风光互补供电方案系统图

风光互补供电系统的最大优势在于能够充分利用清洁能源，但其受天气环境条件的影响及后期运维成为了制约其发展的主要因素。

外场监控设备传输主要采用工业以太光环网，不稳定的风光互补供电如果造成个别设备点因电源缺失而掉线，将会对整个环网造成非常大的影响，其余正常供电的设备信号也极有可能无法正常传输至监控中心。

（4）远程供电方案

远程供电方案是近年来随着公路工程供电距离和负载容量的不断增加而产生的，由先进的物联、感知技术为基础，以智能电网为控制手段的新一代能源供给技术[2]。

采用三相380 V输入，通过上位机输出单相（660 V～10 kV可选）电压。通过电缆将电力输送到各用电点。在用电点（一个、多个或串型用电点）再通过下位机将传输电压转变为380 V/220 V电压向负载供电[2]，如图4所示。

远程供电方案因其自身的供电能力、安全性、节能性及智能化等特点被交通行业快速认可，并得以推广应用。

1.3 多种供电方案之间的对比

无论是传统的低压供电、高压供电还是新兴的风光互补及远程供电方案，都承载着交通行业供电重任，但每种供电方案在经济、节能及使用效率等方面都存在较大的差异（见表1）。

2 远距离供电系统介绍

目前，公路工程远距离供电主要有交流远供系统和直流远供系统两种方式。

2.1 交流远距离供电系统

交流供电系统是以能源互联网为基础的新一代能源供给技术，由上位机组、下位机群、供电与通信网络及管控平台组成，形成了分布式的智能电源管控系统[2]。

交流供电系统供电核心技术主要是在上位机处，其供电原理是将380 V市电整流逆变成单相交流电传输，在下位机处将传输电压降至220 V为用电负载供电，供电原理如图5所示。

图4 远距离供电系统

表1 不同供电方案对比表

2.2 直流远距离供电系统

与交流供电系统相比，直流供电系统同样存在整流过程、逆变过程。直流供电系统的整流模块在上位机，即经上位机将380 V市电整流成直流传输，而逆变模块在下位机，即在下位机处再经逆变模块将直流逆变成交流电为用电负载供电，其原理如图6所示。

图5 交流供电系统原理图

图6 直流供电系统原理图

2.3 交、直流远距离供电方案对比

由于交流电与直流电存在着本质的区别，同时考虑交通行业应用的特定环境，导致交流远距离供电系统和直流远距离供电系统在使用性能、经济性等方面存在较大的差异，具体如表2所示。

3 远距离供电的应用亮点

远距离供电系统与传统供配电系统相比，除满足用电负载供电需求外，还可以大幅度提高安全性、稳定性及节能性等，技术优势较为明显，具体表现在如下几个方面。

3.1 远距离供电能力

远距离供电系统采用逆变模块并联、无主均流工作方式，实现远距离、大功率带载能力，单机容量可达1 000 kW，单方向供电距离可达到25 km，适用于公路工程的多种用电场景。

3.2 安全可靠

（1）高效电能质量优化技术提供优质纯净电能，减少恶劣的电能质量对机电设施性能的影响，保障设备安全运行。

（2）精细化智能感知、互联，实时监控设备运行状况，降低用电设备故障带来的安全隐患[2]。

表2 交、直流供电方案对比

（3）电网与用电设备相互隔离，主控单元实时监控系统绝缘状况，确保用电设备和人身的安全。

3.3 节能环保

（1）系统在额定工作状态下，功率因数大于0.95，大大降低无功损耗。

（2）系统采用单相远距离供电技术，减少电缆芯数和线径，降低线损。

（3）系统自身能耗较小，且可降低空载能耗。

3.4 远程监控

（1）系统集成监控模块与通信模块通过供电网络与通信网络实现各个设备间的能源与信息的互联互通。

（2）智能感知、调压及三级远程调控，管控灵活。

（3）资产数字化管理，实现智能化运维养护。

3.5 降低成本

（1）一次配电，减少无功损耗，节约线路成本和用电成本。

（2）电缆采用2芯缆，且电缆线径较细，大大节省建设成本。

4 应用前景

4.1 应用领域

远距离供电系统是时代发展的产物，实现了信息化与实体的深度融合，可大大提高能源的利用率，提高供给质量和效率，不但满足公路行业的发展需求，还能更好地满足多个行业能源消耗的日益增长、不断升级及个性化的需求。

4.2 技术发展趋势

随着“互联网+”的蓬勃发展，智慧化成为交通运输系统的显著特征。交通智能化、信息化技术的广泛应用，使交通运输系统已物理成网、信息成网、服务成网，交通用能供给系统必将成网，能源成网势在必行。

交通运输行业迫切需要一种智能化、物联化、高质量及高效率的能源供给技术来促进“互联网+”的蓬勃发展。而远程供电系统正是能源网的雏形，对后期能源的智能化、网联化、管理、监测及净化等方面的进一步延伸奠定了技术基础。

5 结 论

远距离供电系统切实解决了大范围分布式供电的难题，在建设成本和节能方面具有技术优势，其网络化的管理功能顺应了电网发展的趋势，在很多机电工程施工领域具有广阔应用前景，值得更深入地研究和推广。