摘要：高速公路行業(yè)機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行，依靠供配電系統(tǒng)提供的電能支持。隨著機(jī)電系統(tǒng)建設(shè)的逐步完善，高速公路供配電系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為電力供電系統(tǒng)的一個重要分支，因此對高速公路供配電系統(tǒng)的質(zhì)量檢測顯得尤為重要。高速公路機(jī)電系統(tǒng)中的變壓器、照明燈具、不間斷電源等機(jī)電產(chǎn)品以及一些非線性負(fù)載在產(chǎn)生諧波的同時也會降低功率因數(shù)，諧波的產(chǎn)生會對整個供電系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，功率因數(shù)低會導(dǎo)致電能的損耗，從而使高速公路的運(yùn)維面臨很大問題。本文根據(jù)高速公路的現(xiàn)狀，分析高速公路負(fù)載的特性、諧波產(chǎn)生的原因以及電能質(zhì)量需求，并提出來相應(yīng)的系統(tǒng)解決方案。
關(guān)鍵詞：高速公路行業(yè)；機(jī)電系統(tǒng)；電能質(zhì)量；諧波危害及治理；系統(tǒng)解決方案
0.引言
近年來，隨著高速公路的飛速發(fā)展，高速公路機(jī)電設(shè)備也日益增加(如變壓器、隧道燈具，機(jī)電產(chǎn)品和不間斷電源不斷增加)，對這些設(shè)備的日常使用、工作壽命和維護(hù)更換都提出了更高的要求，這樣對他們的供電系統(tǒng)也提出了要求，而供電系統(tǒng)主要由變壓器(典型配置為10kV/400V型的降壓變壓器)、柴油發(fā)電機(jī)和不間斷電源組成。其中不間斷電源(包括UPS、EPS)為機(jī)電設(shè)備提供了供電的高可靠性，但由于其非線性特性，產(chǎn)生諧波污染，其中高次諧波對機(jī)電設(shè)備中的通信傳輸設(shè)備和高性能服務(wù)器等都有很大的干擾;低次諧波會降低變壓器設(shè)備和線路的使用壽命，且諧波電流對供電系統(tǒng)產(chǎn)生很大功耗; 并且隧道燈具和機(jī)電產(chǎn)品等設(shè)備也產(chǎn)生諧波污染；同時這些負(fù)載有一部分屬于感性負(fù)載，會降低功率因數(shù)，因此對高速公路供電系統(tǒng)進(jìn)行全面的電能質(zhì)量治理，才能滿足機(jī)電設(shè)備使用的要求。
1.高速公路行業(yè)負(fù)載分類和特性
1.1高速公路行業(yè)負(fù)載分類
高速公路用電設(shè)備除少數(shù)電阻性負(fù)載外，有一部分用電設(shè)備屬于感性用電負(fù)載，例如高壓鈉燈、變壓器等設(shè)備。其余大部分設(shè)備為非線性負(fù)載，例如計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、收費(fèi)車道設(shè)備、攝像機(jī)、可變情報(bào)板、各類檢測器以及LED照明燈等。
高速公路供配電系統(tǒng)是采用集中或相對集中供電所用電源從發(fā)電廠或從附近地區(qū)的高壓電網(wǎng)引出10kW或35kW高壓送至高速公路的變電所，用低壓變壓器產(chǎn)生220V或380V的供電電壓，然后再由低壓配電屏及輸電線送至有關(guān)用電設(shè)備。當(dāng)市電停電或出現(xiàn)故障不能正常供電時,則由自備柴油發(fā)電設(shè)備發(fā)電供電。
隧道變電所重要負(fù)荷一般為應(yīng)急照明設(shè)施、通風(fēng)及照明控制設(shè)施、緊急呼叫設(shè)施以及部分消防設(shè)備等。隧道都處在比較偏遠(yuǎn)的地段，采用鄉(xiāng)電比較多，由于鄉(xiāng)電本身就不穩(wěn)定，經(jīng)常面臨著停電的風(fēng)險，一般采用EPS應(yīng)急電源。如所帶負(fù)載有設(shè)備對電壓要求高的可由UPS供電。
收費(fèi)站變電所重要負(fù)荷一般為通信系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。常設(shè)有UPS為操作機(jī)構(gòu)、監(jiān)控設(shè)備、測控單元及ATS供電。
服務(wù)區(qū)變電所重要負(fù)荷一般為外場監(jiān)控、通信系統(tǒng)、生活水泵、消火栓泵、綜合樓照明、場區(qū)照明等。1.2高速公路行業(yè)負(fù)載特性
（1）單相設(shè)備多，采用單相供電容易造成三相負(fù)載不平衡，中性點(diǎn)偏移，且三相相差不對稱。
（2）絕大多數(shù)用電設(shè)備為非線性負(fù)載，一類是呈電容性的非線性負(fù)荷(含有開關(guān)電源的設(shè)備)。另一類是呈電感性非線性負(fù)荷(含電感鎮(zhèn)流器的照明燈具等)。
（3）非線性負(fù)載的大量存在直接導(dǎo)致電流諧波畸變率增大，從而造成無功功率增大、功率因數(shù)降低。傳統(tǒng)的電容補(bǔ)償技術(shù)不能有效地提高功率因數(shù)。
（4）所有使用到直流電壓的電氣產(chǎn)品，其電源供應(yīng)器的最前面一般大都會使用橋式整流電路，橋式整流電路會產(chǎn)生大量的奇次諧波，對電路系統(tǒng)的元器件造成損傷。
2.高速公路行業(yè)電能質(zhì)量治理需求分析及主要特征
2.1需求分析
高速公路變電所包括隧道變電所、服務(wù)區(qū)變電所、收費(fèi)站變電所、沿線箱式變電站、互通樞紐等區(qū)域。同時由于綠色交通的推進(jìn)以及擴(kuò)容調(diào)整，目前高速公路變電所呈現(xiàn)帶狀分布供配電所數(shù)量多、距離長且位置分散、橋隧比高等特點(diǎn)。也正是由于這些特點(diǎn)，高速公路配電系統(tǒng)面臨了如下痛點(diǎn)：
(1)供電可靠性要求高；
(2)供電范圍大造成運(yùn)維管理困難；
(3)隧道內(nèi)控制設(shè)備種類多，頻次高；
(4)長期處于山區(qū)或鄉(xiāng)村存在高風(fēng)險又缺乏專業(yè)人員。
3.2高速公路行業(yè)電能質(zhì)量主要特征：
（1）國家持續(xù)重點(diǎn)建設(shè)發(fā)展的行業(yè)，配電管理逐漸智能化、自動化，對電能質(zhì)量要求高，對配電設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性要求高。
（2）變壓器容量小，負(fù)荷輕。
（3）主要關(guān)注電能質(zhì)量問題是無功補(bǔ)償問題，負(fù)載設(shè)備中主要諧波源為UPS，但諧波含量較小。
（4）補(bǔ)償設(shè)備更推薦SVG，SVG補(bǔ)償精度高，能適應(yīng)高速公司輕載的特性。且SVG自動化免維護(hù)，壽命長，沒有電容補(bǔ)償故障率高這些問題。
3.1解決方案
通過上述對高速公路行業(yè)各方面的分析得出配電穩(wěn)定性可靠性對于高速公路配電系統(tǒng)越來越重要，對配電的電能質(zhì)量要求也越來越高。但是高速公路供配電系統(tǒng)負(fù)荷分布較為分散，負(fù)荷一般都是日常用電的輕負(fù)荷，同時部分負(fù)荷是感性負(fù)荷，因此需要一個系統(tǒng)的解決方案來提高高速公路行業(yè)電能質(zhì)量的監(jiān)管和電能的質(zhì)量。安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運(yùn)維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為高速公路行業(yè)用戶提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創(chuàng)造價值。
3.2方案特點(diǎn)
（1）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)可在終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效管理平臺，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)；
（2）專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測：電能質(zhì)量實(shí)時在線監(jiān)測，測量精度高、測得準(zhǔn)，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)；
（3）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置整體設(shè)計(jì)，通過上位平臺實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制；
（4）根據(jù)高速公路行業(yè)特點(diǎn)制定合理電能質(zhì)量治理策略；
（5）電能質(zhì)量有源治理設(shè)備采用DSP+FPGA的控制架構(gòu)、模組式高功率IGBT的輸出方式，為電網(wǎng)的安全可靠保駕護(hù)航；
（6)電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同：配電監(jiān)控管理與運(yùn)維、電能分析與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)共享融通，為企業(yè)電能供給與消費(fèi)提供控制手段。
3.3方案價值
(1)全面監(jiān)測電能質(zhì)量，保障供電可靠性,對供電回路的電氣參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測，確保設(shè)備用電符合標(biāo)準(zhǔn)要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時記錄故障發(fā)生時全部數(shù)據(jù)信息，支持開展故障追蹤與問題定位。
(2)完整電能質(zhì)量治理,結(jié)合高速公路行業(yè)供配電系統(tǒng)的特點(diǎn)以及配電設(shè)備負(fù)載的特性，通過集中治理的模式，更經(jīng)濟(jì)和高效的滿足無功和諧波的治理需求，達(dá)到提高高速公路行業(yè)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，降低設(shè)備故障率的目的。
4.安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理產(chǎn)品選型
由于高速公路行業(yè)負(fù)載較為分散，通過集中治理的方式，對高速公路行業(yè)配電系統(tǒng)所涉及到的UPS、LED燈、機(jī)電等設(shè)備產(chǎn)生的諧波統(tǒng)一治理，減少諧波對電網(wǎng)側(cè)的危害和影響；對非線性負(fù)載產(chǎn)生的功率因數(shù)問題，也在高速公路配電房內(nèi)裝設(shè)相應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置，確保無功功率因數(shù)達(dá)到國標(biāo)要求值，避免罰款。同時也可對整個低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測等，其集中治理的產(chǎn)品選型見表2。
表2電能質(zhì)量監(jiān)測及集中治理產(chǎn)品選型表
5.結(jié)論
自改革開放以來，我國高等級公路得到迅猛發(fā)展。與此同時，高速公路的擴(kuò)容與升級對高速公路行業(yè)配電需求也越來越高，人們對配電的電能質(zhì)量也是越來越重視。本文通過分析目前高速公路沿線用電設(shè)施的特點(diǎn)和性能、諧波源的特性、治理需求以及痛點(diǎn)，并針對高速公路所面臨的電能質(zhì)量問題，在相應(yīng)配電系統(tǒng)配置合理的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案，以監(jiān)測電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償無功功率和抑制諧波，減少線路損耗的目的，從而起到提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障設(shè)備的性能以及降低能耗的目的。
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