一、引言

在“十一五”公路节能领域，尚未针对公路沿线供电系统进行深人的研究，《基于物联网技术的公路智慧型节能供配电关键技术研究》紧紧围绕国家和交通运输部发展规划纲要的要求，拟针对公路自身特点及不同沿线设施分布对供电系统的不同需求，从公路机电设备负载特性、功率分布特点人手，解决公路工程机电设备供配电系统工程电缆造价高、系统用电效率低以及容易出现电源负载不均衡等问题，有针对性地提出不同规模和设备分布情况下适宜的供配电系统方案，研究开发一套低成本、智慧供电的关键技术，利用物联网技术实现智能供电并进行有效的节能效果检测。

二、高速公路供配电系统介绍

高速公路供配电系统是为高速公路沿线设施如:监控、收费系统、养护服务设施及道路照明设施服务的，目的在于确保沿线设施用电的安全、合理和可靠性，确保高速公路安全、畅通、经济、快速、舒适等综合效益最大限度地发挥。

高速公路供配电系统示意图如下图所示:

高速公路机电系统中的供配电设计既不同于工矿企业的供配电设计，也与房屋建筑中的供配电设计有所区别。高速公路中机电设备负荷小而分散，供电方式呈带状式分布，供电距离长。其变电站一般设置在管理中心、收费站、服务区、养护工区等场区内，供电间隔一般为1-15km。

目前，传统的供电方式大多采用lOKV(6KV)或380V/220V的供电方式。对于距变电站4 km以内的用电设备，通常采用低压380V/220V直接供电;对于4km以上的设备，通常采用lOKV(6KV)电缆供电到负载相对集中的位置，在此处将lOKV(6KV)变压为380V/220V，进而为附近4km范围内的机电设备进行供电，但此方案须380V/220V二次配电。

三、目前高速公路的供电方案

目前，高速公路沿线设施供电方案主要采取以下几种方式:

1.低压380V直接供电方案

低压380V供电系统，即通过变电站低压配电柜向外场设备直接供电。

在低压供电系统中，线电压为380V/50Hz，相电压为220V/50Hz，由于存在线路阻抗包括容抗和感抗，输电线路会存在线路压降，按照现行电力标准，在供电线路的末端电压降不应超过5%。由于外场设备距供电点较远，故电缆截面积的选取主要由电压降来控制，载流量基本都满足要求。

为了保证长距离供电远端设备的供电质量，经常会采用增大电缆截面积的办法。增大电缆截面积，减小导线阻抗，电压降减少。此方法可以提高供电能力，但是也会快速增加成本，如YJV22-IKV-4X50的电缆价格约为153元//m，而YJV22-1K-4X70的电缆价格约为220.4元//m。

2.高压10kV 间接供电方案

采用何种电压等级传输电能，是根据负荷容量、供电距离和经济性相权衡的结果。根据P=U*I，当要传输的电能量一定时，电压越高，电流就越小，电压降就越小。因此，在可能的情况下尽量采用高压传输。但是电压越高，供电设备的耐压水平就越高，电缆绝缘成本就越高，设备、电缆造价也会增加。

在高速公路全程监控项目中，用电负载主要是摄像机、可变情报板等设备，负载比较分散，用lOkV系统供电需要在负载相对集中处设置10/0.4kV变压器，然后低压再供给4km范围内的用电设备。l OkV电压虽然可以传输较远距离，但lOKV电缆、埋地式变压器等用电设备造价较高。另外，间接供电存在二次配电问题，电缆重复埋设比例很高，增加成本。

3.660V升降压供电方案

升降压供电方案也是近些年逐渐得到应用的一种外场设备供电方案。若机电设备位于4km-lOkm范围内，采用三相660V的供电方式，在变电站内将三相380V升压到三相660V，在设备终端处将电压降至三相380V，电缆采用1KV电压等级。此方案相当于将低压380V供电方案进行了一定范围的延伸。由于在电压输送等级上有所提高(提高1.73倍)，则电压

降相应的减少了1.732的平方倍，即3倍，相同的负荷距(负荷距指线路的有功负荷与输送距离的乘积，单位为KW - m)供电距离可以提高到3倍。供电范围一般为4km-l Okm，但对于超过lOkm的用电设备，此供电方案则显得后劲不足，另外三相供电需要平衡，也存在一定范围的二次配电及重复敷设电缆问题，低压电缆数量较多，综合工程造价较高，故此方案对全程监控的供电也有一定的局限性。

4.风光互补供电方案

国内部分高速公路采用太阳能或风光互补系统进行供电，太阳能外场供电的主要特点就是它的能源全部来自太阳能、风能，无需传统繁杂的布线，并且系统使用中无污染、维护简便、使用寿命长、能源丰富。但是，太阳能、风光互补系统的使用也有一定的限制条件:(1)供电能量有限。由于太阳能的转换效率很低，目前在高速公路上的使用也仅能供摄像机等小功率设备。阁造价昂贵。目前一台100W的风光互补设备需要约5万元。(3)使用范围受限。

5.目前外场设备供电方案分析

无论是采用高压供电还是低压供电都存在以下缺点:首先，都需要大量使用高低压电缆，随着原材料的涨价，工程造价很高;其次，由于高速公路地域空旷，较长的供电线路很容易遭受雷击和供电系统的操作过电压;再次，系统需要负载三相平衡以降低设备和线路损耗;最后，外场设备若未配备无功补偿，则线路损耗较大。

四、智慧型节能供配电技术研究

1.主要研究内容

首先对现行公路沿线机电设备供配电系统中存在的问题进行优化;对大幅减少公路沿线机电设备供配电电缆用量、提高机电设备功率因数及用电效率的关键技术进行研究;提出不同规模和设备分布情况下的适当供配电系统方案;选择示范高速公路路段进行综合节能关键技术研究成果应用。

围绕上述三个关键科学问题，重点开展以下研究:(1讼路沿线用电设备的分布特点、负载特性，现常用的供配电系统优缺点，及系统优化措施。(2)研究满足供电需求的前提下，大幅度减少工程供电电缆用量的方法。(3)研究整体提高公路沿线机电系统功率因数、用电质量及用电效率的方法。(4)研究通过智能供电系统同步实现对照明的智能控制功能，而不需要额外增加设备的方法。(5)研究对公路外场设备根据其重要性及功率条件进行智慧不间断供电的方法，包括冗余保护、按需供电等。(6)研究实时对节能效果进行检测与评估的技术。

2.拟解决的关键技术问题

根据项目依托工程云罗高速的项目特点和需求重点，本项目紧紧围绕公路沿线机电设备供电系统造价和节能这一核心问题，从多学科交叉的视角，基于电力电子学对公路机电设备供电技术研究项目凝练出拟解决的三个关键问题:(1工程电缆造价高。对于设备负荷分散、供电距离长(2-20公里)的供电系统，如高速公路沿线机电设备的供电系统。(2)系统用电效率低。公路沿线机电设备大多为电子负载，功率因数较低，虽然有的项目配备了电容补偿柜，但补偿效果不明显，使得公路沿线设备的有功功率较低，无功功率较高，造成能源利用率较低。(容易出现电源负载不均衡等现象。

3.技术创新点

研究开发低成本、智慧供电关键技术，实现节能、负载均衡、智能调压等多种功能。关键技术包括:(1)根据公路沿线用电设备的分布特点、负载特性研究最佳供电驱动方式，提高系统用电效率;(2)实现远距离、分散式供电控制，从而可实现能量使用调节，对照明进行智能控制的功能;(3)对公路外场设备根据其重要性及功率条件进行智慧不间断供电的方法，包括冗余保护、按需供电等;(4)实时对节能效果进行检测与评估的技术。

4.技术路线

本项目研究的智能供配电系统通过智能分布式节能供电系统与供电系统隔离，通过配套的智能均衡负载稳压电源输出单相3.3KV电压，此等级电压通过供电电缆将电力输送到各用电点，在用电点(可以是一个、几个或一连串的用电点)再通过分布式智能开关电源将单相3.3KV电压转变为单相220V电压向负载供电。

相对于其他直接供电方案，本项目研究的智能供配电系统提高了输电线路电压，减小了电缆线径，从而大大降低了线路损耗及压降，因而提高了供电质量，降低了敷设成本，实现了节能减排。另外，本系统由于提高了线路功率因数，故减少了系统无功损耗。且系统为一次配电，不需要电压转换而进行二次配电。

该系统利用物联网技术，可实现监控中心、上端电源、下端电源、用电设备之间只能通信与控制，具有智能选择性对负载进行不间断供电、多电源保护、故障旁路、可调负载工作电压等多种智慧电源功能，是物联网技术在交通行业、电力应用领域的完美结合。

采用智能分布式节能供电方式由智能均衡负载稳压电源，供电电缆(2芯)，分布式智能开关电源构成。

五、结束语

该技术研究还将依托广东省云罗高速公路进行综合供配电系统节能的专项研究及试验，预计将实现依托工程比传统供电方案电能质量提高30%、节能20%,不增加成本实现调压功能，并可进行实时动态监测。