高速公路機電設(shè)備的智能供電技術(shù)研究

摘

要：為提升高速公路機電設(shè)備供電的穩(wěn)定性，提出一種智能鏈式網(wǎng)供電技術(shù)，通過電源點、能源智控站以及用電負荷組成供電鏈，并使不同電源點、不同能源智控站進行互聯(lián)，形成智能鏈式網(wǎng)供電系統(tǒng)。針對該系統(tǒng)，分析了其構(gòu)成、布設(shè)及運行方式。關(guān)鍵詞：智能供電；分布式智能終端；高速公路機電系統(tǒng)0

引言現(xiàn)階段，高速公路機電設(shè)備的供電技術(shù)與系統(tǒng)存在造價高、穩(wěn)定性不夠、質(zhì)量控制差、能耗較高、智能化水平較低等現(xiàn)象，鑒于此，提高供電技術(shù)的供電質(zhì)量與智能化水平具有重要作用。本文提出了智能鏈式網(wǎng)供電技術(shù)，可以智能地對供電進行調(diào)節(jié)、控制，在保證質(zhì)量與穩(wěn)定性的前提下，達到降低能耗及建設(shè)成本的目的。1

智能鏈式網(wǎng)供電技術(shù)高速公路機電設(shè)備主要供電方式可概括如下：電能由高壓電源點出發(fā)，流經(jīng)供電電纜、交流變壓器，最終為機電設(shè)備進行供能。智能鏈式網(wǎng)供電技術(shù)通過在電源點與交流變壓器之間設(shè)置能源智控站、總協(xié)調(diào)控制單元，實現(xiàn)鏈式及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建智能鏈式網(wǎng)供電系統(tǒng)，實現(xiàn)高速公路機電設(shè)備的智能供電。1.1高壓電源點和交流變壓器高壓電源點是隸屬于配電網(wǎng)的供能節(jié)點，為高速公路機電設(shè)備的用電負荷能源來源。交流變壓器的作用是將高壓電源點提供的電能降壓處理，使其滿足低壓交流母線下能源智控站的使用要求。1.2能源智控站能源智控站由多種設(shè)備及系統(tǒng)構(gòu)成，主要包括低壓配電柜、能量路由器、分布式智能終端、清潔能源及儲能系統(tǒng)、電能質(zhì)量控制系統(tǒng)。1.2.1

低壓配電柜低壓配電柜主要由斷路器、計量設(shè)備、測量設(shè)備、保護設(shè)備等組成。電能由電源點供給，經(jīng)變壓器降壓處理，低壓配電柜與其輸出線路進行連接，將電能引入能源智控站，并為能源智控站中的構(gòu)成部分供電，為高速公路用電負荷提供電能的接入，通過柜內(nèi)設(shè)備實現(xiàn)電能接入、控制和保護作用。1.2.2

能量路由器能量路由器的主要作用是實現(xiàn)電能互聯(lián)，提高電能接入質(zhì)量。能量路由器通過自身將交流變壓器低壓側(cè)的交流母線進行連接，使電能的流動形成鏈式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了末端供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且能量路由器還能對其他多種電壓等級、多種類型交直流電的接入和電能進行整合，例如光伏發(fā)電、風力發(fā)電產(chǎn)生的電能以及儲能系統(tǒng)儲存的電能。1.2.3

分布式智能終端分布式智能終端主要的作用是進行數(shù)據(jù)的采集，然后與總協(xié)調(diào)控制單元進行信息的互通，通過對數(shù)據(jù)進行分布式邊緣計算分析、傳遞，為總協(xié)調(diào)控制單元的控制決策提供數(shù)據(jù)支撐，執(zhí)行反饋回來的指令，對能源智控站的運行進行控制。數(shù)據(jù)的采集主要包括有關(guān)設(shè)備的環(huán)境數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)，例如環(huán)境溫濕度、交直流電壓、電源以及漏電情況等。1.2.4

清潔能源及儲能系統(tǒng)清潔能源及儲能系統(tǒng)主要的作用是為能源智控站的運行提供后備電源，通過蓄電池組對電能進行收集儲存。對比不同種類例如鉛酸蓄電池、UPS蓄電池、磷酸鐵鋰電池等的特點和應(yīng)用環(huán)境等，UPS蓄電池因具有良好的安全和放電性能以及高耐用性，作為儲能系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用效果。為滿足節(jié)能環(huán)保要求，減少電能損耗，還可設(shè)置清潔能源系統(tǒng)，對蓄電池中的電能進行補充，例如可采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過在能源智控站外部設(shè)置光伏組件獲取太陽能，但能源智控站的占地面積較小，而且清潔能源系統(tǒng)為非必要系統(tǒng)，因此在選用清潔能源系統(tǒng)時應(yīng)充分考慮實際情況。1.2.5

電能質(zhì)量控制系統(tǒng)供電系統(tǒng)在正常工作的情況下，不中斷和干擾用戶使用電力的特性被稱為電能質(zhì)量。由于高速公路供電系統(tǒng)線路、設(shè)備的損耗，為保證電能質(zhì)量需設(shè)置質(zhì)量控制系統(tǒng)，從而使供電系統(tǒng)的輸入電壓、功率因數(shù)等滿足使用要求。電能質(zhì)量控制系統(tǒng)通過無功補償進行電能質(zhì)量的控制，利用靜止無功發(fā)生器控制系統(tǒng)側(cè)的電流，并通過靜態(tài)同步補償器、靜止無功補償器等實現(xiàn)對于供電系統(tǒng)的無功補償，為對電流質(zhì)量敏感的高速公路機電設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的電能。2

智能鏈式網(wǎng)供電系統(tǒng)的布設(shè)智能鏈式網(wǎng)供電系統(tǒng)的布置方式示意圖如圖1所示。2.1布置方式簡述各個高壓電源點通過高壓斷路器接入母線，總協(xié)調(diào)控制單元也與母線連接，將電能引入各個高壓配電室，每個高壓配電室母線之間設(shè)置連接開關(guān)，電能經(jīng)高壓配電室流入交流變壓器并進入能源智控站，每個高壓配電室對應(yīng)一個變壓器，且每個變壓器對應(yīng)一個能源智控站，站間設(shè)置斷路開關(guān)，電能經(jīng)能源智控站處理后提供高速公路機電設(shè)備的用電負荷。2.2布設(shè)要點（1）布設(shè)智能鏈式網(wǎng)供電系統(tǒng)時，首先要注意高壓電源點供電方式的選擇。供電方式主要分為交流供電、直流供電，其中交流供電方式相較于直流供電方式，其建站的造價低廉，且升降壓方便，電能調(diào)配性好，但發(fā)生故障的頻率較高，其線路內(nèi)存在電容電流，容易引起損耗；而直流供電方式當輸送的功率相同時，線路、線路架空桿簡單，可以使同等絕緣水平的電纜運行于較高的電壓之下，功率、能量損耗較小，且具有較強的抗干擾能力，其缺點為直流輸電所需的換流站對比交流供電的變電所成本較高，且直流輸電中起到整流和逆變作用的換流裝置在運行過程中需要大量的無功補償。綜合對比兩種供電方式，本智能鏈式網(wǎng)供電系統(tǒng)選擇高壓交流供電方式。（2）其次是供電電壓等級的選擇、高壓交流電源點之間距離的把控?，F(xiàn)階段大部分區(qū)域的供電等級為35kV、10kV，電壓等級的選擇應(yīng)考慮容量問題，其次需要綜合考慮造價、用電費用以及電壓等級可靠性。35kV變電站的造價相較于10kV變電站更加昂貴，但是其用電費用相對較小、可靠性較高。高速公路機電設(shè)備主要通過各設(shè)備的結(jié)合保障車輛的安全行駛，例如通信、監(jiān)控、收費、照明等系統(tǒng)設(shè)備，因此在有條件的情況下，應(yīng)選擇具有較高可靠性的35kV供電等級，從而保證高速公路機電設(shè)備用電的穩(wěn)定性。高壓交流電源點之間距離取決于電能輸送的容量和輸送線路使用電纜的線徑，在電纜的線徑具有充足的裕量時，電能輸送的容量越大，其供電半徑越小。為保證供電的穩(wěn)定性，高壓交流電源點之間距離應(yīng)小于其供電半徑，即間距越小，供電穩(wěn)定性越高。經(jīng)調(diào)查，高速公路機電設(shè)備所需的電能輸送容量為2～15MVA，以電壓等級為35kV為例，其供電半徑為20～50km，當電壓等級為10kV時，其供電半徑為10～25km，則當本系統(tǒng)選用35kV高壓電源點時，兩個電源點間距應(yīng)控制在30km以內(nèi)，而選用10kV高壓電源點時則應(yīng)將間距控制在15km內(nèi)。如選用35kV高壓電源點，在將電能引入能源智控站時，應(yīng)由交流變壓器將35kV電能降壓至0.4kV交流電。（3）最后為能源智控站布設(shè)數(shù)量的確定和總協(xié)調(diào)控制單元的布設(shè)。能源智控站布設(shè)時，站間距離控制在500m左右為宜，因此可根據(jù)選擇的電壓等級確定供電半徑，結(jié)合能源智控站間距可確定布設(shè)數(shù)量。以35kV高壓電源點為例，其供電半徑設(shè)定為30km，則所需布設(shè)的能源智控站數(shù)量為60個。針對總協(xié)調(diào)控制單元的布設(shè)，由于本系統(tǒng)中通過無線網(wǎng)絡(luò)進行通信，因此在布設(shè)總協(xié)調(diào)控制單元時應(yīng)綜合考慮布設(shè)位置的信號強度、信號遮擋情況和造價、控制靈敏度等，從而確定布設(shè)的數(shù)量，在信號良好、造價可接受的條件下，每6～10個高壓電源點可選擇布設(shè)一個總協(xié)調(diào)控制單元，總協(xié)調(diào)控制單元的布設(shè)位置在其控制的高壓電源點500m范圍內(nèi)為宜。3

智能鏈式網(wǎng)供電系統(tǒng)的運行方式在日常運行中，實時監(jiān)測智能鏈式網(wǎng)供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，首先由總協(xié)調(diào)控制單元檢測供電系統(tǒng)中高壓交流電源點的狀態(tài)，檢查除能源智控站之外的供電系統(tǒng)的主要設(shè)備運行狀態(tài)，判斷是否存在故障，當檢查發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障時，通過配電網(wǎng)的控制中心進行網(wǎng)絡(luò)連接，確定出現(xiàn)故障設(shè)備的故障原因、故障位置等，并上報維修。當檢查正常時，則總協(xié)調(diào)控制單元與分布式智能終端進行通信，當兩者間通信發(fā)生異常時，則可以確定能源智控站的位置，并上報維修；當兩者間通信正常時，由分布式智能終端對實時采集的能源智控站運行數(shù)據(jù)進行邊緣計算，分析能源智控站中的設(shè)備是否存在異常狀態(tài)。當計算分析無異常情況后，智能終端可自主對能源智控站中設(shè)備的運行進行調(diào)節(jié)，使其協(xié)調(diào)運行，并通過電能質(zhì)量控制系統(tǒng)保證用電負荷的供電質(zhì)量。調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)信息還需上報至總協(xié)調(diào)控制單元，總協(xié)調(diào)控制單元作為智能鏈式網(wǎng)供電系統(tǒng)中的主站，對比能源智控站具有最高的優(yōu)先級，所有的調(diào)整數(shù)據(jù)、信息策略等都需要傳輸至總協(xié)調(diào)控制單元，由總協(xié)調(diào)控制單元協(xié)調(diào)所有能源智控站的運行。當計算分析后發(fā)現(xiàn)存在異常情況且無法自我調(diào)節(jié)后，智能終端向總協(xié)調(diào)控制單元上報故障的能源智控站，總協(xié)調(diào)控制單元下達控制指令，通過控制能源智控站中的智能斷路器切斷報障的能源智控站的電力供應(yīng)。切斷主要的電力供應(yīng)后，能源智控站的能量來源為其自身的能量儲存系統(tǒng)，利用能量儲存系統(tǒng)作為保證能源智控站運行的備用電源，為開關(guān)、斷路器的控制以及信息交流系統(tǒng)提供能量。當啟用備用電源后，需要對故障能源智控站對應(yīng)的用電負荷提供應(yīng)急電能，由于各個能源智控站中的能量路由器相互連接，但母聯(lián)開關(guān)一般處于斷開狀態(tài)，為保證用電負荷，控制切斷電力供應(yīng)的能源智控站中的能量路由器母聯(lián)開關(guān)閉合，利用切斷電力供應(yīng)的能源智控站兩側(cè)的能源智控站，通過能量路由器實現(xiàn)能量互濟，從而為故障能源智控站對應(yīng)的用電負荷提供應(yīng)急電能