高速公路UPS+直流高压传输远程供电系统的设计与实现

高速公路UPS+直流高压传输远程供电系统的设计与实现郭亚喆
【摘要】随着高速公路建设的迅猛发展,高速公路全程监控手段已经越来越多地被高速公路管理者运用到实际路段中,而设备供电问题也随之困扰着广大管理者,一边是不断提高的运用管理服务水平,一边是有限的投资经费.UPS+直流高压传输远程供电作为一种新型、稳定的供电方式,在通信和大型企业中已有较为成熟的应用.本文通过与高速公路传统供电方式的对比,提出了UPS+直流高压传输远程供电方式的可行性.
【期刊名称】《山西电子技术》
【年(卷),期】2017(000)005
【总页数】4页(P28-30,33)
【关键词】全程监控;UPS;直流高压传输远程供电系统
【作者】郭亚喆
【作者单位】山西欣奥特自动化工程有限公司,山西太原030012
【正文语种】中文
【中图分类】TN86
近年来，我国高速公路建设飞速增加。

据统计，1999年我国高速公路总里程突破1万km，2003年年底超过2万km，2014年年底超过11万km，2016年总里程突破了13万km，居世界第一。

随着高速公路通车里程的快速增长，人们对公路交通服务水平的要求也越来越高，尤其是对安全因素越来越重视。

然而近些年高
速公路交通事故频繁发生，且呈较大上升幅度。

为了减少交通事故的发生，保证道路畅通，提高道路的使用率，交通部要求各地相关部门加强高速公路机电工程的建设，采用先进监控技术手段，减少并及时处理交通事故，在保证高速公路畅通的同时，为高速公路的养护及堵截漏逃费行为提供辅助手段。

高速公路道路沿线外场监控系统设备包含各类安全设施(如：雾灯诱导系统、微波
车辆检测器、爆闪灯等警示标志、可变情报板、风速风向仪、能见度检测仪和摄像机等)，其主要的特点是点多、面广、线长，且大部分都是小功率的负载，用电负
荷为沿线分散性负荷，尤其是越来越多的路段正在实施和完善全程监控设备，这是智能高速发展的趋势和方向。

因此，远程供电是外场监控系统建设需要解决的一大难题。

目前高速外场供电电源大部分是采用低压变压器产生220 V或380 V的供电电压，由于用低压电缆向远处供电，长距离传输只有以加大电缆截面的代价来解决，虽然保证了供电质量，但造成压降增大，这就增加了工程投资和施工难度，特别是多根粗电缆过特大桥梁，施工难度更大，也造成巨大的浪费。

因此，如何针对高速公路外场电力设施远距离供电的问题，提出一套环保、节约、稳定、可行的输电供电方案，专用于高速公路外场远距离的设备供电，是一项十分意义重大的工作。

UPS是不间断电源的缩写，其工作原理是交流市电电源输入由整流器转换为直流
电源，逆变器将此直流电源或转换为交流电提供给负载，市电中断时，由电池通过逆变器给负载提供后备电源，市电电源还可通过静态旁路向负载供电，需对UPS
进行保养或维修时，可将负载切换到维修旁路供电，保障电源不中断。

而UPS+直流高压传输远程供电技术则是通过把传统交流电传输改变为直流电传输。

采用直流输电，使得电网功率因素达到最高，进一步提高电缆的输电能力，同时直流输电对设备的干扰比交流输电小得多，通过改变传输方法，不仅可以节省传输线
缆的截面，而且可更好地解决高速公路外场设备远距离不间断供电的问题。

根据常规互通区设置机电设备情况(互通两侧设置可变信息情报板、路段云台摄像机、气象检测器和微波车辆检测器等常规设备)，其传输距离一般在4公里左右，
如果采用中压供电方式一般单项需要选择25～35平方左右的线缆进行供电才可实现稳定供电，且距离越长则线径越粗、投资成本越高。

如果采用UPS+高压电缆供电+变压器降压远程供电相结合的方案对外场监控设备进行远距离的设备供电，则可以大大节省投资，从供电的经济性、节能性及稳定性等因素考虑都是十分可行的。

该方案是通过把传统交流电传输改变为直流高压传输，使得电网功率因素达到最高，进一步提高电缆的输电能力，同时通过改变传输方法，可以节省传输线缆的截面，更好地解决外场设备远距离供电线路损耗及欠压的问题。

1) 直流高压输电是采用UPS+两线制的两极直流输电线路，相比交流低压输电时,
输送同等功率、输送同等距离，输电的电缆线径相同。

例如使用400 V传输
使用2×10 mm线缆电阻=0.017/10×1 000=1.7 Ω(km)
4 km电阻=1.7×4=6.8 Ω
传输5 kW设备供电电流=5 000/400×0.8=10 A
电缆损耗=10×10×6.8=680 W(400 V传输的损耗)
采用660 V传输5 kW设备供电电流=5 000/660×0.8=6 A
电缆损耗=6×6×6.8=244.8 W(660 V传输的损耗)
计算可以看出损耗明显降低。

2) 高压输电比低压输电线路损耗较小，因此在同负荷前提下，通过计算相比最大
可以节约64%电费。

3) 国家电网都是采用高压传输，节省电力资源。

4) 设备简单、直观，故障率低，维修方便。

5) 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，即使有一级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直接遭受雷击的设备，防雷效果更好。

全线采用YJV2×10的铜芯电缆，其耐压性达1 000 V以上，局端处理器通过UPS 输入交流电，经升压隔离变压器转换至直流高压，经2芯电缆传输至终端降压，
可降低电缆的无功损耗。

终端降压变压器在接收到远端输送来的高压电能，把送来的高压进行隔离降压，转换成负载需要的正弦波交流220 V电压，保障互通附近监控设备的正常工作。

如图1所示，设备满负荷运行,最经济的选配功率≥实际最大功率×(130%～150%)。

因用电设备启动、情报板信息变动、爆闪灯的迅速充放电等因素，瞬时的过电流会引起电压波动，过载抗冲击电流≥实际工作最大电流×(130%～150%)。

变压器供电系统与互通区域设备用电及功率匹配选择。

根据常规情况得出设备用电量计算如表1。

算出实际最大功率约为12.2 kW。

因此，局端升压器选择为25 kVA机型，放置在变电所。

P总(道路设备总功率W)=P局(kVA)×0.8
P局(kVA)=P总(道路设备总功率kW)/0.8=15.25 kVA
P(kVA)=P局(kVA)×(130%-150%)取140%≈21.35 kVA另考虑到线路损耗原因，故选25 kVA(25×80%=20kVA)
远端降压器选择为1kVA、3kVA、5kVA三款产品，为节约成本，可分别就近安
装在外场监控设备配电箱内。

产品实际选型示意图如图2。

该套系统已成熟地运用在电信领域多年，尤其是在偏远山区等人烟较少的区域更是得到了广泛的运用。

不仅在通信行业，在大型企业中已有较为成熟的应用，其以安全、稳定、可靠、环保的特性，渐渐
成为替代传统供电的一种趋势。

而对于高速公路来说，该套系统的运用效果也显而易见，首先是从经济角度考虑，不仅降低了投资成本，而且从施工的角度来讲也减轻了施工压力，同时因不需要和电业局等部门进行沟通，减少了占地和征地的协调问题，给运营单位的后期维护和管理提供了更多的方便，不仅稳定性高、损耗降低、投资减少、同时维修及保养成本也随之下降。

在高速公路监控设施中，远程监控系统供电或常规供电实施条件有限的情况下，运用UPS+直流高压传输远程供电系统进行供电，可达到施工便捷、节约成本、绿色环保的目的。

由于地理位置不同，可变情报板、摄像机及其相关设备功耗不同、厂家不同等因素，在实际工程施工中应结合设备的实际情况进行具体的选型配置。

【相关文献】
[1] 张宁宁.交通部：2016全国高速总里程已突破13万.卡车之家，2016.12.
唐占文.高速公路监控系统引入高压直流技术探讨.内蒙古公路与运输，2014(2):77-78.
鲍东玉.高压直流供电在高速公路监控系统中的应用.现代经济信息,2016(22):342-343.。