探析分布式智慧供配电系统在取消高速公路省界收费站中的应用

王曙珲

（广东省南粤交通河惠莞高速公路管理中心 广东广州 510030）

1 项目背景

河（源）惠（州）东（莞）高速公路龙川至紫金段路线全长约为151.9km，起点（K0+060）位于广东省龙川县上坪镇与江西省定南县鹅公镇之间两省省界处，与江西省宁定高速安远至定南段相接。路线呈南北走向，与梅河高速相交后，在终点（K150+710.6）与汕湛高速紫金连接线相接。是广东省东部地区的一条南北向重要的出省通道。

取消高速公路省界收费站是党中央和国务院作出的重大决策部署，实现不停车快捷收费是交通行业发展的需要。河惠莞高速龙紫段原设计12 处收费站，其中1 处为省界收费站。根据取消高速公路省界收费站的要求，该项目取消省界收费站1 处，新建ETC 门架系统28 套。因此需考虑适用于新增ETC 门架的供配电系统，为ETC 门架系统提供安全、优质的电源，确保ETC 门架系统有效、稳定地运行，实现高速公路机电系统智能化管理。为降低供电成本及便于营运维护，下文将对该项目ETC 门架采用分布式智慧供配电系统进行深入地分析。

2 分布式智慧供电系统组成原理

2.1 系统介绍

由临近市电T 节点引入三相380V（10kV 或6kV 可选）输入，通过上端电源柜后输出单相3.3kV（660V～10kV 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）再通过下端电源箱将3.3kV 电压转变为380V/220V 电压向负载供电，如图1～图3 所示。

图1 分布式智慧供电系统

图2 上位机系统原理

图3 下位机系统原理

2.2 系统特点

2.2.1 上下位机智能化特点

智慧供配电系统上位机采用多个CPU 组成控制网络，CPU 之间采用CAN 总线通信，各CPU 协调工作，实现监控、调制、显示以及通信的模块化功能。根据CPU 功能，可分为监控CPU、控制CPU、显示CPU 和通信CPU。下位机含有2～3 个CPU，其主要实现的功能为通信、控制和电能监控，通过CPU 与传感器之间的协调工作，可以使下位机对单个输出回路进行调压、开关控制，而不影响其他输出回路。

2.2.2 智能通信技术

高速公路用电设备分散，通过负载端的各台下位机，将负载运行情况和设备自身运行情况进行采集，通过智慧节能供电系统专用传输网络或监控设备数据传输网络，传输至上位机进行统一汇总。而上位机也可通过此网络为下位机发布指令，实现了设备间的双向通信，使整个供配电网络更加智能化。

上下位机采用多传感器、多CPU 的智能化处理，实现自我监控、自我修复、主动控制和按需供电等多种智慧功能，从而实现了供配电系统的由传统单一供电向智慧节能供电的发展。

3 分布式智慧供配电与传统供配电系统对比

智慧供配电与传统供配电方案对比分析：

（1）低压三相380V 供电方案，供电设施造价较低，后期维护成本较低。但传输距离较短（一般为4km），供电能力弱，需要三相平衡，线路成本根据负载情况变化较大。

（2）升降压三相660V 供配电方案，传输距离适中（一般为10km），供电设施造价适中。但长距离供电能力不足，电缆需要重复敷设，需要三相平衡。

（3）中压三相10kV 供配电方案，供电距离长，供电能力强。但要求供电设施耐压等级高，造价高，电缆需要重复敷设，需要三相平衡。

传统的供配电方案存在长距离供电系统存在二次配电的问题，需要大量使用供电电缆，造价昂贵；负载端都需要三相平衡，造成设计和施工难度较为复杂；若未配备无功补偿设备，则系统功率因数低，无功损耗大，造成电网的自身损耗高，能耗大；机电设施用电负载中大量的开关电源使得电网的谐波含量高，电能质量差，负载的使用寿命难以得到保证；智能化水平较低，管理者无法对供配电系统进行有效的监管，运营维护的成本高。

4 分布式智慧供配电系统的应用

在取消省界收费站后，河惠莞高速龙紫段项目按ETC 门架选址要求，在该项目主线增设28 套ETC 门架系统。门架系统取电点（收费站、服务区、隧道配电房）按就近原则进行供电，其中省界站至上坪互通段ETC门架选址，详见表1。

表1

省界ETC 门架系统主要设备构成包括：高清车牌识别仪、全景抓拍摄像机、补光灯、RSU 天线、车道控制器、防火墙（带防病毒模块）、以太网交换机、智能室外机柜，用电情况约3kW/处。

4.1 传统供配电方案供电

省界至上坪互通段门架选址距离仰天堂收费站较远，供电半径约5.5km。采用传统的380V 供电，由上坪互通仰天堂收费站供电，由于供电距离大于4km，无法满足门架机电设备的正常运转。如采用中压10kV 供电，门架周边无10kV 线路，需从上坪互通附近的10kV 龙川县供电局业扩配套延长线接电，如图4 所示。

图4 10kV 供电方案

表2 中压三相10kV 供配电方案造价估算

4.2 分布式智慧供电方案

在上坪互通仰天堂收费站配电房增设上位机将电压升至1kV，然后在分别在K9+320、K11+465/K11+400、K12+380ETC 门架附近（考虑外场监控设备）增设下位机，通过中压电缆传输至下位机，下位机将电压降至0.4kV，给ETC 门架及外场监控设备供电，如图5、图6 所示。

图5 分布式智慧供电方案

图6 分布式智慧供电系统

表3 分布式智慧供配电方案造价估算

4.3 方案对比

4.3.1 建设期

（1）工程造价方面，根据上述方案分析对比，省界至上坪互通段ETC门架采用分布式智慧供电比传统中压10kV 供电节省造价约60%；

（2）施工方面，分布式智慧供电路径可沿高速公路主线路肩布置，施工受外界因素影响甚少，而传统中压10kV 供电施工难度大，受限因素多，如用电设备周边有无合适的T 接点、10kV 线路架设路由受征地拆迁影响等都制约着施工进度。

4.3.2 运营期

（1）用电成本，省界至上坪互通段ETC 门架每年用电总量为10.4 万度电。采用分布式智慧供配电，用电有功因数可以达到0.95 以上，△P%=有功功率损耗比传统供电降低45.7%，即每年节约电量约为10.4×45.7%=4.75 万度电。

（2）设备维护，分布式智慧供配电能实现电力监控功能，并可对供电系统每一个节点的电力参数进行采集分析，实现高速公路精细化管理，且避免了市电小范围波动对设备的影响，同时可消除电网电压瞬间闪变对用户侧的冲击，消除高次谐波，过滤噪音，防止浪涌电流危害用电设备，保护设备安全及稳定运行，延长设备使用寿命。

（3）其他，智慧供配电与传统供配电系统相比对养护人员的专业水平要求更高。

4.3.3 不足与改进建议

通过上述分析，在超长距离终端供电案例中分布式智慧供配电与传统供配电相比较优势显著，但分布式智慧供配电通过等位线圈进行变压传输，在变压过程中，上下位机设备会产生大量的热量，存在设备体积小，散热慢的问题，在实际使用中由于设备及场地的限制，一般情况下，下位机通常为露天安装，长时间的发热容易影响终端设备运转。建议增加下位机散热设施及远程温度告警系统，实现实时监控，当设备出现异常时能及时通知养护人员到达现场进行设备维护。

5 结语

智慧交通是我国交通行业发展的趋势，河惠莞项目龙紫段在取消省界收费站中，部分ETC 门架采用分布式智慧供配电方案，很好地解决了传统式终端超长距离供电存在的供电质量差、工程造价高、施工难度大、系统安全稳定性差、耗能大等问题。为高速公路建设实现智能化、节能化提供了参考。