直流远供电系统技术在高速公路行业的应用

胥婷、华实、林渡

（1.湖南省高速公路集团有限公司长沙分公司，湖南 长沙 410100；2.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015）

0 引言

高速公路车流量比较大，车辆速度较快。如果不采取科学的管理措施，就容易引发拥堵甚至更严重的交通事故。为此，在高速公路的建设中，需要配套构建监控系统等各种机电系统，以维护高速公路的有序运行。机电系统的运行离不开稳定的电力支持，而直流远供电系统技术的应用，不仅可以解决远端设备供电问题，还能够有效提高路网的通行能力，减少交通事故，对保障我国高速公路事业的高水平发展有十分重要的意义。

1 直流远供电系统技术的优势

直流远供电系统技术是指局端设备通过直流—直流（DC-DC）变换器将机房内稳定的-48V 电源通过复合光缆或者电缆输送至远端设备，然后进行降压处理（直流—交流或直流—直流），最终变换成远端设备所需要使用的稳定电源，确保相关设备运行能够获得高质稳定的直流电支持的供电技术，其工作原理如图1所示[1]。

图1 直流远供电系统原理图

直流远供电系统主要由DC-DC 升压模块、监控模块、输入输出配电单元、侦测保护单元等组成。其远端设备主要由电源分配箱和降压适配器等组成，其中电源分配箱主要承担对远端的多个设备分路配电的任务，同时起到一定的保护、防雷的功能。在应用实践中，直流远供电系统技术有诸多优势：

一是施工简便。由于直流远供电系统技术采用的是高压直流传输方式，因此稳定的电流电压不会产生电磁干扰而影响其他机电设备，施工时利用高速公路的通信管道就可以完成敷设工作，不需要额外开挖，因此施工较为简便。

二是安全性较高，直流远供电系统技术使用的是直流悬浮传输技术，人体接触任何一个极性都不会发生触电的危险，而且该技术具备开路保护、短路保护、漏电保护等功能，安全性较高。

三是具有良好的经济性，该技术不仅施工简便，施工成本低，而且维护成本较低。主要是因为直流远供电系统局端设备采用模块化设计，支持热插拔，设备更换和维护非常方便，在维护成本方面可以节约40%以上。

四是可靠性较高，直流远供电系统局端模块采用N+1 冗余设计，而且局端模块具备短路保护设计、自动限流、欠压关机等功能，即使是在停电或故障发生时也可以更快地采取相应保障措施，有效保障系统运行。

五是具有灵活性，由于远端设备体积小，便于安装，因此安装方式可以灵活选择。加上其具备雷击保护等功能，电路设计高效、适应能力强，可以适应各种运行环境。

六是具备可监控性。局端设备可采用485 串口进行通信，并具备干接点报警功能，远端用电设备终端也可配置干接点报警功能，能够保障系统运行安全。

七是能够降低无功损耗。在智能技术的支持下，直流远供电系统技术的上下端电源都可以采用智能化手段进行控制，具体的控制内容包括设备运行与否、照明设备的亮度等，其原理是通过关闭回路或调节电压来满足设备的实际需求，以此有效降低无功损耗，具备良好的节能性能[2]。

2 直流远供电系统技术在高速公路行业中的应用

2.1 直流远供电系统组成

2.1.1 主设备系统组成

直流远供电系统由局端设备（ZYYG-JD）和远端设备（ZYYG-YD）组成，采用的是PMW 脉宽调制技术。为了保障供给电源的质量，会借助局端设备进行电能的输送，电能经由复合光缆、电力线缆进入到远端设备，最终通过降压处理供给相关设备稳定的电源，从而满足设备的用电需求，保障相关生产工作顺利进行。

2.1.2 设备功能

直流远供电系统主要包括以下功能：

一是输入过欠压保护。主要作用是保障局端设备的安全。该功能会在机房-48V 电压高于60V 或低于40V 时启动，通过停止输出避免机房电池组出现放电过量的问题。

二是输出过压保护。局端设备输出电压高于DC400V时，直流远供电系统就会激发输出过压保护而停止输出，输入电压的可靠性能得到较好的保障。

三是输出过流保护。传输电缆的电流在规定范围内能够确保电流的稳定，这对远端设备也是一种保护，但是经常会出现传输电缆的电流大于额定值的情况，这种情况下就需要局端设备停止输出，以此确保传输电缆运行的安全与可靠。

四是开路保护。传输回路部分或全部被破坏时就会切断高压输出，从而保障人员和设备的安全。

五是短路保护。电缆的正极与负极短接时或者正极与负极任一极与大地短接时就会切断高压输出。

六是强电入侵保护。系统会通过切断局端的高压输出来解决市电与电源传输线路产生搭接的短路问题。

七是线—地漏电流保护。系统会直接切断局端的高压输出，有效避免人触电产生的线—地漏电流；

八是故障报警，不同颜色指示灯亮可以指示相应故障类型，以便提醒相关人员进行处理[3]。

2.1.3 系统组网原则

系统组网要遵循以下原则。

一是负载功耗。要求设计人员能够掌握设备负载功耗（峰值），在选择供电方案的时候也要考虑一定的冗余度，确保功率配置适宜。

二是传输距离。由局端设备（供电网点）至远端设备负载之间的距离还存在长短不一的情况，应严格按照传输距离进行组网设计，尤其是传输线缆的选择要合乎所要求的技术规格。

三是传输线缆程式、线质、线径。应充分考虑设备负载功耗（峰值）、传输距离、技术参数（铜线、铝线）、应用场景（复合缆、专用缆）、敷设条件（城市、农村、管道、架空）及线缆技术规格标准等相关因素，从而保障线路传输安全、可靠[4]。

2.2 直流远供电系统在高速公路监控系统中的应用

2.2.1 高速公路监控系统供电现状

在高速公路的运行过程中，全程监控是保障高速公路有序运行的关键，但是目前监控系统在运行过程中还存在一些问题。就目前来看，高速公路主要采用的供电方式有以下几种：

一是交流电源直接供电。由于可以直接从电网取电，因此供电较为便捷，投资成本也低，但是需要远距离铺设线路，管线施工较为复杂，而且每个设备都需要配备用电表，导致核算比较麻烦，在供电运行中还可能出现供电电压忽高忽低的情况，甚至可能遭受雷电袭击等。

二是交流电源与UPS 不间断电源供用。主要是通过在各设备前配备UPS 不间断电源来解决交流电源直接供电所存在的问题。但UPS 不间断电源的电池寿命较短，随着气温的升高还会缩短寿命，而且对环境的适应性较差，在恶劣的环境中容易损坏，因此维护成本较高。

三是太阳能电池板。其具有绿色环保的优点，但是也会受到外界环境的影响，一旦长时间处于无风或者阴雨天气，会导致供电不足。

通过对上述供电方式的分析可以发现，当前高速公路监控系统的供电方式存在一定的不足，而采用直流远供电系统技术可有效解决上述问题[5]。

2.2.2 直流远供电系统方案

通过对直流远供电系统技术进行分析可以得知其具备施工简便、安全性高、成本低、可靠性高、适应性强等诸多优点，尤其是不需要另行铺设专用线路，更不需要安装体积较大的UPS 不间断电源等，在监控系统中的应用价值更高。

（1）直流远供电系统的发送部分

直流远供电系统的发送部分采用的是模块化设计，可以实现对系统机电设备运行的自动保护、智能通信、继电器硬触点报警功能。如果出现过载、线路开路、蓄电池电压低等情况都可以进行自动检测，并发送报警信号，以便及时处理，这一功能有力地强化了系统供电的可靠性。此外，系统输入和输出中还采用了电气隔离的方式，直流传输可浮出地面输出，即使碰到其中的一极也不会发生触电事故，即使在单极接地的时候也能够保障直流传输系统正常工作，从而确保发送部分的安全性与可靠性[6]。

（2）直流远供电系统的接收部分

远供接收部分主要由直流—交流或直流—直流转换器组成，其中需要使用交流电源的设备采用直流—交流变换器，在变换器的支持下，可以将其接收到的直流电能转换为所需交流电能。需要注意的是，某些可以使用直流电的设备应该采用直流—直流变换器，确保设备所需直流电压的稳定性。在运行中可以发现，线路传输距离的长短存在较大的不同，这就要求接收部分的变换器能适应大的输入电压变化范围[7]。此外，需要考虑外场摄像机等高空设备容易引发雷击的情形，这就需要接收部分一方面在输出端加防雷器件，另一方面对转换设备输入输出进行电气隔离。

（3）发送端电源系统实现方法

远程供电的发送端主要由交流—直流变换组件组成，在实际运行中主要是将交流电源经交流—直流变换装置变换为所需直流电源。该设备可设置在就近的变电所或通信电源室。当市电正常时，由市电提供远端设备电能并对蓄电池组充电，当市电异常（如停电）时系统仍能正常使用[8]。此外，在通信机房中设置通信电源系统，远程供电的发送端能够完成直流—直流变换，将机房中的通信电源经直流—直流变换装置变换为所需直流电源。

2.3 关于直流远供输电线缆的选用

2.3.1 光电复合缆

目前，除了铜芯、铝芯直流远供输电线缆，光电复合缆的应用也越来越常见。光电复合缆可以结合应用场景的不同设计成铠装护套，更加方便直埋施工。光电复合缆在传输过程中不仅不会出现光、电信号相互干扰的现象，而且具有以下优势：

一是外径比较小，因此重量轻，在施工中也不会占用较大的空间。

二是成本低，一方面是购置成本较低，另一方面是施工成本以及维护成本比较低。

三是可提供巨大的宽带接入。

四是可以解决通信网络建设中的设备用电问题，避免重复布放供电线路。

五是能够支持多种传输技术，而且同设备的可扩展性也比较强[9]。

总的来说，光电复合缆在直流远供电系统技术中有较高的应用价值。

2.3.2 使用普通电力电缆时的线缆选型

如果使用普通电力电缆，设计人员进行线缆选型时应严格调查高速公路外场机电设备的负载功率、供电距离、电缆线径、线缆的电阻率以及远端设备工作电压，在此基础上合理地确定选型，计算时主要按照欧姆定律[10]。

3 结语

综上所述，高速公路承担着较重的运输通行任务，各系统机电设备的运行质量更是直接关系到高速公路的运行水平，因此必须重视直流远供电系统技术的应用，确保高速公路各机电系统在运行中能够获得可靠的供电来源，满足实际上生产的需求。相关设计人员进行直流远供电系统设计应用时也要结合工程特点进行科学的设计，增强该技术应用的可靠性、经济性等，使其可以在高速公路行业中得到有效的应用，从而全面保障我国高速公路事业的健康、稳定、可持续发展。