摘要：高速公路行業(yè)機電系統(tǒng)的運行，依靠供配電系統(tǒng)提供的電能支持。隨著機電系統(tǒng)建設的逐步完善，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。高速公路機電系統(tǒng)中的變壓器、照明燈具、不間斷電源等機電產(chǎn)品以及一些非線性負載在產(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)低會導致電能的損耗，從而使高速公路的運維面臨很大問題。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，并提出來相應的系統(tǒng)解決方案。
關鍵詞：高速公路行業(yè)；機電系統(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，高速公路機電設備也日益增加(如變壓器、隧道燈具，機電產(chǎn)品和不間斷電源不斷增加)，對這些設備的日常使用、工作壽命和維護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)電機和不間斷電源組成。其中不間斷電源(包括UPS、EPS)為機電設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，其中高次諧波對機電設備中的通信傳輸設備和高性能服務器等都有很大的干擾;低次諧波會降低變壓器設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; 并且隧道燈具和機電產(chǎn)品等設備也產(chǎn)生諧波污染；同時這些負載有一部分屬于感性負載，會降低功率因數(shù)，因此對高速公路供電系統(tǒng)進行全面的電能質(zhì)量治理，才能滿足機電設備使用的要求。
1.高速公路行業(yè)負載分類和特性
1.1高速公路行業(yè)負載分類
高速公路用電設備除少數(shù)電阻性負載外，有一部分用電設備屬于感性用電負載，例如高壓鈉燈、變壓器等設備。其余大部分設備為非線性負載，例如計算機、網(wǎng)絡設備、收費車道設備、攝像機、可變情報板、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用電設備。當市電停電或出現(xiàn)故障不能正常供電時,則由自備柴油發(fā)電設備發(fā)電供電。
隧道變電所重要負荷一般為應急照明設施、通風及照明控制設施、緊急呼叫設施以及部分消防設備等。隧道都處在比較偏遠的地段，采用鄉(xiāng)電比較多，由于鄉(xiāng)電本身就不穩(wěn)定，經(jīng)常面臨著停電的風險，一般采用EPS應急電源。如所帶負載有設備對電壓要求高的可由UPS供電。
收費站變電所重要負荷一般為通信系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。常設有UPS為操作機構(gòu)、監(jiān)控設備、測控單元及ATS供電。
服務區(qū)變電所重要負荷一般為外場監(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)負載特性
（1）單相設備多，采用單相供電容易造成三相負載不平衡，中性點偏移，且三相相差不對稱。
（2）絕大多數(shù)用電設備為非線性負載，一類是呈電容性的非線性負荷(含有開關電源的設備)。另一類是呈電感性非線性負荷(含電感鎮(zhèn)流器的照明燈具等)。
（3）非線性負載的大量存在直接導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)的電容補償技術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、服務區(qū)變電所、收費站變電所、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以及擴容調(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。也正是由于這些特點，高速公路配電系統(tǒng)面臨了如下痛點：
(1)供電可靠性要求高；
(2)供電范圍大造成運維管理困難；
(3)隧道內(nèi)控制設備種類多，頻次高；
(4)長期處于山區(qū)或鄉(xiāng)村存在高風險又缺乏專業(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)重點建設發(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，對配電設備穩(wěn)定性和可靠性要求高。
（2）變壓器容量小，負荷輕。
（3）主要關注電能質(zhì)量問題是無功補償問題，負載設備中主要諧波源為UPS，但諧波含量較小。
（4）補償設備更推薦SVG，SVG補償精度高，能適應高速公司輕載的特性。且SVG自動化免維護，壽命長，沒有電容補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)負荷分布較為分散，負荷一般都是日常用電的輕負荷，同時部分負荷是感性負荷，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
（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、治理與設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務；
（2）專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測：電能質(zhì)量實時在線監(jiān)測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；
（3）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置整體設計，通過上位平臺實現(xiàn)統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制；
（4）根據(jù)高速公路行業(yè)特點制定合理電能質(zhì)量治理策略；
（5）電能質(zhì)量有源治理設備采用DSP+FPGA的控制架構(gòu)、模組式高功率IGBT的輸出方式，為電網(wǎng)的安全可靠保駕護航；
（6)電能管理務業(yè)務綜合協(xié)同：配電監(jiān)控管理與運維、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)進行全面監(jiān)測，確保設備用電符合標準要求。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)的特點以及配電設備負載的特性，通過集中治理的模式，更經(jīng)濟和高效的滿足無功和諧波的治理需求，達到提高高速公路行業(yè)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，降低設備故障率的目的。
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、機電等設備產(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)裝設相應的無功補償裝置，確保無功功率因數(shù)達到國標要求值，避免罰款。同時也可對整個低壓供配電系統(tǒng)進行電能質(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施的特點和性能、諧波源的特性、治理需求以及痛點，并針對高速公路所面臨的電能質(zhì)量問題，在相應配電系統(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)、實現(xiàn)補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)濟運行，保障設備的性能以及降低能耗的目的。
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