韦杰
摘要 高速公路机电设备的正常运行，需要有稳定的供电，但当前高速公路机电设备供电技术智控水平较差。基于此，文章提出一种智能链式网供电技术，采用此项技术，可将电源点、能源智控站及用电负荷相互连接起来，构成完整的智能链式网供电系统，并论述了此系统的主要构成，分析了系统的布设及运行方式，实践经验证明该技术具有较高的实用性，可广泛推广应用。
关键词 公路项目；
机电工程；
智能链式网供电网；
分布式智能终端
中图分类号 U418.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）11-0177-03
0 引言
高速公路机电设备的运行，需要有配套的供电技术及系统作为支撑，当前机电设备稳定供电和智控水平较低，会消耗过多电能。因此，必须采取有效措施实现高质量、高智能供电。该文分析了智能链式网供电技术，可实现智能调控供电，确保供电稳定，减少能耗。
1 智能链式网供电网构成
高压电源点输出电能，电缆线将其输送至交流变压器，高速公路机电设备从而获得运转所必需的电能，此为其供电方式。通过运用智能链式网供电技术，将能源智控站、总协调控制单元、电源点与交流变压器串联起来，形成链网结构，设计出智能链式网供电系统，以提升机电设备供电智能化水平[1]。
1.1 高压电源点和交流变压器
高压电源点为高速公路机电设备的运行提供电能，是配电网络的重要构成。交流变压器降低供电的电压值，确保电能与能源智控站更加匹配[2]。
1.2 能源智控站
能源智控站是智能链式网供电网的主要构成部分，它包含以下设备及系统：
1.2.1 低压配电柜
构成低压配电柜的主体为断路器及计量设备，并附有各种测量和保护设备。电源点输出电能，流经变压器后，其电压会变低，电缆线连接到配电柜，电能流入能源智控站，除了满足站内用电外，主要为高速公路机电设备供电。低压配电柜的主要作用是为机电设备接入电能，并实现有效控制及保护[3]。
1.2.2 能量路由器
其功能是将电能连接起来，实现高质量的电能接入。借助于路由器，将交流母线连接起来，电能受其影响，成为链式网状流动结构，供电稳定性得到明显提高。此外，它还能整合不同电压等级交直流电的接入及电能，主要应用于光电和风电的整合。
1.2.3 分布式智能终端
采集电能数据是分布式智能终端的主要功能。数据信息收集完毕后，传输至总协调控制单元，两者之间实现数据共享。数据经过分析后，将其作为系统控制决策的重要依据，终端设备接收指令后，及时有效地控制站点设备的运转。智能终端主要收集温度、湿度、电压等涉及设备运行的相关数据。
1.2.4 清洁能源及储能系统
该系统中设置有蓄电池组，收集电能后做好保存，主要作为后备选项，向能源智控站提供电源，确保站内机电设备正常运行。蓄电池分为UPS、铅酸、磷酸铁锂等多种类型，特点各不相同，适用环境也存在一定的差异。经对比，UPS蓄电池的安全性较高，可高效释放电能，而且经久耐用，在电能储备方面的应用价值较高。低碳环保是当今社会经济发展的主流理念，通过设计清洁能源系统，有效补充传统电能，降低电能消耗[4]。光伏太阳能发电属于一种清洁能源，站外布设光伏太阳能板，将太阳能转化为电能，可为智控站提供补充电能。太阳能板占地面积较大，而智控站面积有限，因此必须根据具体需要来决定是否设计清洁能源系统。
1.2.5 电能质量控制系统
供电系统稳定运行过程中，连续供电且对用户的正常用电不产生影响的性能被称之为电能质量。向高速公路机电设备供电，其系统电路及设备会消耗部分电能，为防止电能质量受影响，确保电压及电功率等指标符合供电要求，需要设计相应的质控系统用于控制电能质量。该系统控制电能质量，主要是通过静止无功发生器对系统内电流进行有效控制，并借助于各种补偿器补偿供电系统的电能，且没有任何能耗，最终实现有效控制电能质量的目的，确保为高速公路机电设备提供的电能具有较高的稳定性和安全性[5]。
2 智能链式网供电系统的布设
高速公路沿线安装有各种外场机电设备，其中可变信息标志的功率大约为3～5 kW，其他设备的功率都不超过1 kW。由此可知，场外设备的功率较小且存在较大差异，由于分布于公路沿线，供电点数量众多，传统供电方式无法有效满足这类供电需求。现阶段，为高速公路外场设备提供电能，所用方式有以下几种：①采用10/0.4 kV变电所、箱式变电站等方式进行供电，设备运转所需电能来自站区变电所，或者通过埋设电缆，由箱式变电站供电[6]。此方式不能实现远距离供电，线路消耗较多的电能，而且电压会有较大下降，若为实现远距离供电，需要铺设大量电缆，这会增加资金投入。②通过变压器进行电压转换实现供电。变电所低压侧为输出电源，结合供电远近及电负荷量，使用变压器将电压升至800 V，当电能送至用电地点后，再将电压降到220 V。如果供电所需的电负荷较大，则该方式较为适用，但如果设备所需电负荷大小不一，则用电点线路的电压值存在显著差异。③安装太阳能或风能装置，为小功率设备供電。此供电方案需配置较多数量的蓄电池，建设成本高，且使用年限短，后期维保费用较高。
（1）向高速公路机电设备提供电能，若采用常规供电方式，供电电压稳定性较差，建设各类硬件设施的成本高，而且后期维保难度大，需要投入较大人力和财力资源[7]。该文设计了智能链式网供电系统，可解决上述问题，实现高效供电，图1所示为其布置方式。
（2）布置方式简述：使用高压断路设备，将不同的电源点连接到母线，后者也与总协调控制单元连在一起，电能被输送至高压配电室中，在其母线间安装有开关装置。电能流经配电室和变压器，被输送至能源智控站，它们之间都是一一对应关系。两两智控站之间安装有断路开关，根据实际情况有效控制机电设备的供电线路。
（3）布设智能链式网供电系统时，要注意高压电源点供电方式的选择：①供电方式有直流和交流之分，对比两种供电方式可知，交流供电方式配套建设的基站费用较低，便于进行电压升降，不足之处在于故障率高，供电线路会消耗部分电能，经济性较低。②传输同等功率的电能，直流供电方式配套的线路较为简单，相同绝缘性能的电缆可传输更高电压的电能，电能传输过程中不会有较大损耗，还能有效抵抗外部干扰，不足之处在于需要建设配套的换流站，建设投资大，且供电过程中换流设备的运行要求必须有较高的无功补偿；
③通过全面比较直流供电和交流供电方式，该文设计的智能供电系统采用了后者[8]。
（4）供电电压等级的选择、高压交流电源点之间距离的控制：①当前各地的供电等级主要分为10 kV和35 kV两类，电容量是选定供电电压等级的主要参考依据。②建设成本、耗电量以及稳定性也是选择电压等级的重要参考，相较于10 kV变电站，35 kV的建站成本高，但耗电量小，且具有较高的稳定性。③汽车行驶在高速公路上，其安全性是通过各种机电设备来保障的，机电设备主要用于控制高速公路沿线的通信、照明等。各类机电设备的稳定运行，要求具备35 kV供电等级，连续向机电设备供电。
（5）电能容量及输送电缆线径决定了高压交流电源点的间距：①当电缆线径裕量较大时，可输送更大电容量，供电半径较小。要实现稳定供电，则要求各电源点的间距不能超过供电半径，电能供应的稳定性，随着供电半径的减小而增强。②据了解，为确保高速公路机电设备稳定运行，要求电能输送容量不能低于2 MVA，最高为15 MVA，例如电压等级为35 kV时，则供电半径超过20 km，最大为50 km。若智能链式网供电系统的电源点电压为35 kV，电源点间距不能超过30 km；
若智能链式网供电系统的电源点电压为10 kV，则电源点的间距不能超过15 km。如果该系统所选的电源点电压为35 kV，电能被输送至能源智控站前，需通过交流变压器将流经电能的电压由35 kV降到0.4 kV，并转变为交流电[9]。
（6）确定能源智控站和总协调控制单元的布设数量：①布设智控站，应设定各站间距大约为500 m，由此可知，供电半径的设定应重点考虑电压等级情况，在各站间距明确后，可测算出站点布设数量。例如设定电源点的电压为35 kV，若假设供电半径等于30 km，此时就可计算出需要布设60个能源智控站。②智能链式网供电系统内部信息的沟通交流，主要通过无线网络实现，所以布设总协调控制单元时，无线网络信号强度、信号收发、通信设备建设成本、设备的灵敏程度等因素，都需要考虑在内，以确保布设数量合理。如果无线网络信号较强，且拥有较为充足的资金保障，则每6～10个高压电源可匹配总协调控制单元，其布设位置与电源点的距离不能超过500 m。
3 智能链式网供电系统的运行方式
为确保高速公路机电设备正常运转，需对智能链式网供电系统的运行状况实施监测，通过总协调控制单元的检测，及时了解各个电源点的运行情况。除此之外，还需对站外构成供电系统的各类设备进行检测，掌握其运行数据，发现其中是否有故障。当故障出现时，工作人员可快速确定发生故障的部位，分析具体原因，并通过无线网络进行通信，将故障信息报送至控制中心。
对智能链式网供电系统进行检查时，智能终端与控制单元通过无线网络实现通信，如果不能正常通信或出现异常，就可明确智控站的方位，故障信息会经通信设备后被传输至控制中心，为后续维修工作的开展奠定基础；
若智能终端与控制单元保持稳定通信，所收集的智控站运行数据由终端设备实施边缘计算，由此判断智控站设备是否正常运行。经过边缘计算，若确定智控站运行无问题后，智能终端可自动调节站内设备的运行状况，确保实现稳定运行；
若智控站运行异常，且不能进行自我调整时，智能终端会将系统故障信息上报，控制单元发出控制信息，智控站的智能断路器将站内电力供应线路切断[10]。当电源被切断后，系统内部存储的备用电源向智控站供应电能，开关装置、断路器及通信设备运行所需的电能也来自备用电源。
当电力故障问题排除后，切断备用电源，停止向智控站提供电能。此外，还需将能量路由器母联开关断开，实现对智控站提供稳定电能，这就是一次运行完整的系统智能供电循环。
4 结语
综上所述，当前高速公路机电设备供电智控化程度相对较低，质控水平差，采用智能链式网供电技术，可有效解决上述问题。该技术与电网发展方向相一致，有利于高速公路机电设备供电技术向智能化和物联化方向发展，具有较高的经济价值和社会效益，值得大范围推广应用。
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