高压直流供电在高速公路监控系统中的应用

摘要：高速公路全程监控系统作为一种能够辅助高速公路相关管理运营单位有效缓解高速公路安全、效率问题的工具，越来越受到高速公路相关管理运营单位的重视。高速公路全程监控系统具有公路沿线外场设备多，供电点分散、供电负荷小、供电传输距离远的特点。高压直流供电方式相对其他供电方式在安全性、稳定性以及建设成本方面有一定优势，能一定程度上缓解交流供电方式、风光供电方式所建供电系统面临的建设运营问题。

关键词：高速公路；全程监控；直流供电；交流供电；风光供电

中图分类号：TM563.1 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2016）022-000-02

一、前言

近年来，我国高速公路的高速发展态势为我国经济、社会的迅速发展奠定了基础。但经济社会发展所带来的高速公路事故频发、拥堵严重等问题阻碍着高速公路作用的发挥。高速公路全程监控系统作为一种能够辅助高速公路相关管理运营单位有效缓解高速公路安全、效率问题的工具，越来越受到高速公路相关管理运营单位的重视。

高速公路全程监控系统主要由摄像机、可变信息标志、气象环境检测器、车辆检测器等外场设备构成，这些设备的实际运行效果决定了全程监控系统效用的发挥，而这些设备能够正常运行的基础条件之一就是稳定可靠的电力配送。从电力输送的角度来看，高速公路全程监控系统具有公路沿线设备多，供电点分散、供电负荷小、传输距离远的特点。如何根据结合高速公路全程监控系统的供配电需求特点以及实际的设备运行环境，设计采用合理的外场设备供配电方式保证系统可靠运行就成了亟待解决的问题。

二、供电方式概述

目前，全程监控系统外场设备供电方式主要有交流供电、风光互补供电、高压直流供电等方式。

1.交流供电方式

交流供电方式一直以来都是高速公路外场设备普遍采用的最简单、最直接的供电方式。对于距供电间距小于5km的外场设备，通常采用低压直接输送的方式供电。当供电距离超过10km时，需通过高速公路设置的变电站等变压设备，将电压升至6～10kV，利用电力电缆传输到外场设备侧，再通过降压埋地式变压器等降压设备变换至220V电源，实现外场设备的供电需要。

2.风光供电方式

风光供电方式是指在外场设备旁配置风力发电、太阳能发电或风力发电与太阳能结合的风光互补供电系统。主要由小型风力发电机或太阳能电池板、蓄电池组、充放电控制器以及逆变器等部件构成，其中，风力发电机和太阳能电池板能够将风能和太阳能转化为电能，通过充放电控制器对充电、放电的控制以及对短路、过流、反接等异常的约束，将电能存储在蓄电池组中，再通过逆变器将直流转变为交流电向外场用电设备供电。

3.高压直流供电方式

高压直流供电方式的原理是从配电室内基础电源（AC220V/AC380V/DC48V）取电，经过局端设备转换升压，将电源局端设备隔离升压到200-400V，再将直流高压电通过传输线缆传输到远端设备处，传输过程中电源处于对地悬浮状态，通过远端设备进行电压逆变，将直流高压变换成远端设备所需电压等级（如DC48V/AC220V），最终实现整个系统用电设备的正常供电。

高压直流供电系统由配电室设备、传输线缆以及用电负载三部分构成，配电室设备配电室设备包括基础电源系统（﹣48V基础电源和220V交流市电）以及局端设备。传输线缆可以使用电缆或者复合光缆。负载设备包括DC/DC变换器、DC/AC逆变器以及外场用电设备。系统工作时，会在配电室将直流﹣48V基础电源或交流220V市电升压转换为直流280V（±140V）后，通过电缆或复合光缆将电能传输至外场用电设备侧，可以直接为具有整流功能的交流220V用电设备供电，或经DC/DC变换后为各种直流用电设备（5V/12V/24V）供电，或经DC/AC逆变器变换后为各种交流用电设备供电。如果用电设备电压需要为﹣48V时，则可以直接由配电室的﹣48V基础电源通过电缆或复合光缆供电。

三、高压直流供电方案特性分析

本文从高速公路全程监控系统各供电方案的工作特性：安全性与稳定性以及各供电方案的投资、使用、维护成本。

1.安全性

直流供电方式局端发送设备的输入输出端在电气上完全隔离，输出的直流高压电平对地悬浮，线路不接地，因此，在传输电缆和外场用电设备处，即使有一极被人或动物触碰或发生接地短路时，均不会造成触电危害；同时，相对于交流供电方式在遭受雷击时，可能会引起供电段全线所挂接的设备损坏，直流供电方式的电气隔离使得外场设备在遭受雷击时仅能影响到遭受雷击的设备，不会导致其他外场设备的远端接收设备与局端发送设备的故障，防雷效果更好。综上，直流供电方式的应用安全性更高。

相对于交流供电系统，风光供电系统有施工简单、经济节能、清洁环保的特点，但风光供电对建设运营环境要求较高，在风力资源或太阳能资源较为丰富的地区，该供电方式较为适用，对于存在长时间阴雨天气的地区，该供电方式无法保证外场用电设备的供电需要。同时，风光供电系统中的蓄电池组对运行环境敏感，且每3-5年需更换新电池，维护量大、使用成本较高。

2.稳定性

用AC-DC变换器进行隔离变换，可以提供稳定的直流输出电压，并且能够隔离电网对远端设备的浪涌干扰；当利用直流电作为供电电源进行供电时，则使用DC-DC变换器，以确保为远端设备提供不间断的供电保障。

由于直流供电系统局端发送设备采用4直流不间断供电的形式，用AC-DC变换模块可以提供稳定的直流输出电压，并且能够隔离电网对外场设备的浪涌干扰；同时，AC-DC变换模块容易实现“N+1”冗余并联形式以备份系统，使得供电传输过程中，供电区段局部发生市电停电或者单个AC/DC变换模块出现故障时，并不会影响整个系统的正常供电，有效的提高了系统的稳定性。而采用交流供电方式时，交流电的正弦波形相位变化使得并机冗余技术要求高、实现复杂，即使采用UPS方案来提高稳定性，整个系统的运行稳定性仍相比直流供电方式低。同时，高压交流强电的传输会对附近的通信信号、视频信号和语音信号造成较大的干扰，而直流输电就不存在这个问题。

直流远供的传输质量相对较高，在传输线路上不存在感抗和容抗成分，比交流电阻小，功率损耗小，传输距离远；另外，直流远供线缆传输时，介质损耗、电磁感应损耗和电磁干扰小，电磁兼容性好。加之，质量远供线缆传输绝缘电压相对较低，符合目前国家提出的节能降耗和环保要求，属于绿色环保供电方案。因此，直流远供系统更能体现节能环保。

3.经济性

为了全面对比各种供电方式的经济性，本文从投资成本、使用成本和维护成本三部分来分析各种供电方式的经济特点。

（1）投资成本

本文所分析的投资成本主要为供电系统所包含设备成本、线缆成本与施工成本。

高压直流供电方式的局端、远端设备建设投资成本较高，功率为1.5kw局端模块单价约在2万，远端模块的单价约在5000元。而风光供电设备的成本约为5万每套，投资成更高。

直流供电方式的输出为单相电源，与交流供电方式相比，直流供电方式在达到同等传输效率所需要的电缆截面积相对较小，例如：当采用400V直流供电电压时，达到同等传输效率所需要的电缆截面积仅为交流220V传输电缆30%，小线径电缆作为供电电缆就可以保障外场设备的供电需要。

由于交流电电缆会干扰通信信号，无法走弱电管路，需采取路侧挖沟直埋方式单独进行管道施工开挖敷设，会一定程度上增加建设成本。而直流供电方式则无需另行开挖埋深、铺设管道，可采用气吹法直接敷设在通信管道中，同时，由于电缆可布设在通信管道内，可以选用无钢带的普通电缆，相比交流供电方式可节省电缆费用。

为了便于对比分析各种供电方式的投资成本，本文按供电段10公里、每1公里设置一个200W的负载估算。交流供电方式中，线缆费用约为40万，施工费用为20万，合计约为60万。太阳能供电方式中，系统6套共27万，电池井6套共3万，合计约为30万。高压直流供电方式中，局端设备估计为2.5万，远端模块估计为3万，电缆估计为12万，施工费用估计为1.5万，合计为19万。由此可见，高压直流供电方式的投资成本较低。

（2）使用成本

风光系统为绿色环保的供电形式，因而使用过程中不会产生电量使用的成本。交流供电方式的线路损耗约为5%，则2kw×24小时×365天×105%=18396kwh，按照每kwh电费为1元计算，交流供电方式的年使用成本为18396元。而高压直流供电方式的线路损耗较高，这里按照20%计算，则2kw×24小时×365天×120%=21024kwh，则高压直流供电方式的年使用成本为21024元。由此，可见，高压直流供电方式的使用成本相对较高。

（3）维护成本

由于直流供电方式的传输电缆不需要在高速公路两侧重新进行开挖深埋、铺设管道，可以直接放置在高速公路中央分隔带中的通信管道里，降低了因电缆埋在路边容易被盗的风险。同时，直流供电方式采用远程供电模式，蓄电池可以设置在环境相对较好的机房内，相比交流供电方式与风光供电方式中蓄电池的安装环境，直流供电方式中蓄电池的使用寿命更长，从而减少蓄电池更新的速度，降低维护成本。

4.高压直流供电的缺点

直流供电方式仍存在一些缺点。

（1）远端设备有些复杂，在交流负载的情况下，还要配置DC-AC逆变器；

（2）限于现有的产品性能情况，局端设备输出功率比交流远供系统要低，故要提供同样的输出功率，局端设备会复杂一些；

（3）受到局端设备输出功率的局限，供电距离较近，一股情况下以不超过10公里为宜。当供电距离较远时，耍增加中继设备。会增加建设投资的成本。我国现有高速公路的实际供电段基本会小于10km，在外场用电设备用电负荷小的情况下，直流供电方式具有较好的经济管理效益。

四、结语

高速公路全程监控的正常运行能够有效的提升高速公路服务管理水平，其供电方式选择对其效用发发挥有重要的影响作用，不同供电方式在安全性、稳定性、经济性等方面的差异较大。相对于交流供电方式，直流供电方式具有节省投资、施工简单、供电稳定的优势，相对于风光供电方式，直流供电方式具有供电稳定、维护量小优势。在供电距离不超过10公里的情况下，能一定程度上缓解交流供电方式、风光供电方式所建供电系统面临的建设运营问题。

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作者简介：鲍东玉（1978-），女，陕西西安人，工程师，本科。