智慧高速公路供配电方案

（中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089）

根据交通运输部2019年8月发布的《2018年全国收费公路统计公报》，中国高速公路通车总里程已达到14.26万公里，里程规模居世界第一，同时，仍有大量的高速公路项目还在规划、建设中。随着科技的发展和交通强国战略的提出，新一代信息技术与交通运输深度融合发展成为必然趋势。智慧高速公路作为智慧交通的重要组成部分，日益得以重视并发展。在高速公路的设计建设过程中，供配电设施是高速公路各种机电设施得以正常工作的基础设施，是实现智慧高速公路的保障条件。因而，如何确定与智慧高速公路需求相适应的供配电方案是公路建设者和设计人员需要认真探究的问题。本文将通过与普通高速公路供配电需求的对比分析，探讨智慧高速公路的电能需求及其供配电方案。

一、智慧高速公路发展现状

2014年全国交通运输工作会议提出加快综合交通、智慧交通、绿色交通、平安交通“四个交通”发展；2019年中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》，提出大力发展智慧交通。智慧高速公路一直作为智慧交通的一部分不断发展。2017、2018年交通运输部确立了北京、河北、浙江、广东等9个省份承担智慧公路与新一代国家交通控制网试点工作，国内多条高速公路已陆续开展智慧高速公路建设。

目前智慧高速公路尚未形成统一的定义，已建或在建的智慧高速公路分别从不同的方面围绕着“智慧”功能进行实施；但是从试点方向和建设实际来看，智慧高速公路建设集中在公路管理、服务、养护、行驶等的智慧化，以大数据、物联网、互联网、云计算、车路协同、自动驾驶、5G通信等前沿技术的实现为特征，使高速公路成为更安全、更高效的运输系统。

智慧高速公路与普通高速公路相比，应用了多项新技术、新设备和新的建设方案，其供配电系统也有所不同。甚至某些供配电方案本身已融入智慧公路建设中，成为智慧公路的一部分。如苏州同里的“三合一”无线充电智慧公路，已实现光伏路面发电、动态无线充电、无人驾驶三种技术的融合应用，虽然还处于短距离、低时速路段试验阶段，仍然不失为未来智慧高速公路发展方向之一。

二、智慧高速公路的电能需求分析

（一）普通高速公路的电能需求

普通高速公路的用电负荷集中在收费站、服务区、停车区、隧道等区域，主要用于收费、通信、监控等机电设施和办公、生活以及隧道照明、通风、消防等设施。同时，由于南北方地域与气温不同，使得高速公路的用电需求也存在很大不同，比如，北方冬季寒冷，需要在办公和生活区设置电暖气、电锅炉等电力供暖设施；为防止隧道消防管道冻裂，需设置电伴热装置等，一个站点的用电负荷往往高达数百甚至上千伏安。而南方则不需要这些设施，但在夏季空调又是必需品。普通高速公路供电多以集中供电为主，既符合供配电设计规范要求，又便于管理和维护。对于公路沿线分布的少量小负荷机电设施，如监控摄像头、情报板等，或采用太阳能、风能供电，或单独从电网接引电源独立供电，均可满足其电能需求。

（二）智慧高速公路的用电设施和设备

全程视频监控、交通流感知、交通事件感知、交通环境感知和基础设施监测等设施是智慧高速公路的基本配置。根据高速公路路段所属地域情况还需配置消冰融雪系统、匝道控制系统、电子标志标线、智能护栏、智慧路灯等智能设施、车路协同相关设施等；在服务区、停车区需增加智慧服务功能、电动汽车充电设施等。而智慧高速公路的管理中心也将布置管养一体化数据平台等综合管理平台。总而言之，随着信息技术的发展，智慧高速公路必将集成更多以电能驱动的智能设施设备，对电能的依赖程度将不断增加。

（三）智慧高速公路用电负荷特点

智慧高速公路与普通高速公路相比，站点的集中负荷可能会有所减小，但以电能驱动的各种智能设施设备将遍布公路全域范围。公路监视、检测、引导、提示、联网等功能为主的智能设施设备，单点用电负荷较小；但为保障公路数据的实时性、大流量的通信，就要求电能供应稳定、不间断。目前标准规范中尚未形成针对智慧高速公路机电设施用电负荷性质的具体规定，但从智慧高速公路需要实现的功能来看，为实现公路智慧化而设置的各类用电负荷，至少应归为二级负荷；部分负荷应为一级负荷。智慧高速公路用电负荷的特点如表1所示。

表1.智慧高速公路用电负荷特点

三、普通高速公路供配电方案存在的不足

普通高速公路用电负荷多以站点式集中分布，供电方案以集中供电方式为主，即通过各站点从就近电网接引电源至站点变电所，再向具体设施供应配电。同时，为满足一级负荷和主要二级负荷的供电要求，采用双重电源供电或设置柴油发电机组作为备用电源，设置UPS或EPS作为应急电源。对于公路沿线分布的少量小负荷机电设施，例如监控摄像头、情报板等，采用太阳能供电、风光互补供电；技术经济合理时单独从就近电网接引电源独立供电。但如果公路沿线小负荷、多点分布的设备较多、对供电可靠性要求较高，或穿越人烟稀少路段且该地区附近无电网时，这些设施的供电可靠性就难以保障了。但是，即便就近地区有电网时，直接从电网接引电源供电一方面经济性较差，另一方面与电网接口较多时，也增加了管理与维护的难度。

四、智慧高速公路的供配电方案

（一）智慧高速公路的供配电要求

从智慧高速公路用电负荷的特点可以看出，智慧高速公路各类设施设备对供配电的要求包括：

1.供电可靠性高。设备不能间断工作、不能随意中断供电。

2.电能质量要好。智慧高速公路的设备包含大量功率、测量等电子器件，对电压、电流、频率等变化敏感，容易损坏。

3.供电距离较长。一般低压（380/220V）合理供电距离均在1km以内，而智慧高速公路需对沿线连续几公里甚至十几公里范围内的设备供电。

4.便于集中管理。设备数量多、用电负荷分散，在满足电能需求的同时还要便于集中管理和维护。

（二）适用的供配电方案

智慧高速公路的供配电方案需要在普通高速公路供配电方案的基础上有所调整才能满足要求。针对公路匝道收费站、服务区、停车区、养护工区等站点，可参照普通高速公路站点集中供配电方式进行。对于高速公路沿线门架系统及各种智能设施设备，若均采用太阳能或风光互补供电则在可靠性、经济性等方面存在弊端，可采用长距离单相分布式供配电方案。该方案以单相升压-传输-降压为基本原理，从地区电网引入三相电源后，经三相平衡处理，将三相电转换成单相电，再经长距离传输后为远端负荷单相供电。其系统组成意如图1所示。

图1.长距离单相分布式供配电示意

采用该方案进行供配电设计应考虑以下问题：

1.需综合分析公路全线用电负荷，合理划分供电区间。包括全线上位机安装数量及位置和上位机、下位机覆盖区间，确定合理供电距离和负载率。

2.根据供电区间划分，选择合适的长距离传输电压等级及相应设备。

3.根据远端负荷重要性，确定上位机电源是否接入备用电源或应急电源系统。

此外，对于分布较远的零星小负荷用电设备，从经济性、功能性等方面考虑，可单独采用太阳能或风光互补方式供电，并配以可靠的蓄电池组、智能监测及通信单元，以便于及时处理故障情况。

五、结语

未来智慧高速公路供配电系统应向高效、低耗和节能等方向不断完善。随着信息、电力等技术的发展，智慧高速公路供配电系统也必将不断发展，逐步实现“智慧”供配电。