摘要
针对高速公路沿线监控设施供电距离长、分布点多、负荷不大等特点，对直接供电、风能太阳能供电、交流升降压远供、升降压远距离远供等供电方案进行了探讨，供沿线监控设施供电规划、施工或项目改造时进行参考。
关键词：光伏供电；监控设施；供电方案
第一章 公路沿线监控设施
高速公路常见的沿线监控设施有监控摄像机、可变情报板、车辆检测器等设备，图 1分别为监控摄像机、车辆检测器和悬臂式可变情报板，沿线监控设施主要为高速公路使用者提供及时的路况信息或为高速公路运营单位提供道路运行状态信息，及时处理各类突发事件，保障高速公路为用户提供良好的服务。
图1 几种常见的高速公路沿线监控设施
高速公路往往选在地处相对偏远、人口不太密集的地方，用电负荷不密集，电网接入难度大。本文将主要对其风光联合供电方式进行介绍。
第二章 风光互补系统原理
动态可变带宽光纤通信系统仍存在通信服务保障理念需转变、设备复杂程度高、管理控制难度大、传输信息需透明化等制约着动态可变带宽光纤通信系统实现的瓶颈问题[4]。
2.1风光互补实现的逻辑框图
由于风力发电机通常采用双馈电机，其发出的电源为交流电，太阳能光伏发电采用的太阳能电池板输出为直流电，所以，为了能够给直流负载供电，需要在风力发电模块的输出端增设整流电路，使其发出的交流电整流为直流电，方可向蓄电池充电，系统可以通过蓄电池像负载进行供电，所以，本设计中的风光互补直流供电系统的总体结构如下图2.1所示。
图2.1 系统控制结构框图
2.2风力发电的基本原理与数学模型
在风力发电系统中，风力发电机其功能与蒸汽轮机类似，能够将风能以较高的效率变换成电能。这里蒸汽轮机将捕获的能量转换成机械能输出，而风力发电机则直接将风能转换为电能输出。目前，根据扇叶的方向，可以将风力发电机分为两种类型：(1)水平轴式：世界上最常见的类型，最大输出功率为5兆瓦。（2）立轴式：21世纪初世界各国几乎同时发明的一种新型风机，比水平轴风机效率更高，具有多种优势。…
在风力发电技术的主要技术研究中，首先讨论了风力发电设计中的问题，重点关注风力发电机组件的转轮形状，转轮形状主要是刀刃。风力发电机的机械部件中最为重要的是转子叶片，其长度约30m，制造成本在总成本的2成左右，但是叶片本身的尺寸以及外形设计包含了巨大的科技含量，对风力发电机的性能有着至关重要的作用。叶片主要用于有效捕获风能。这是风力涡轮机有效发电的第一步。
90%的风力发电机采用的是垂直式的、利用风压驱动的阻力涡轮机。优点是制造非常容易，但同时效率低下。到21世纪初，这种风机已经在全球得到应用。然而，从1940年开始，人们将飞机的空气动力学理论融入到风力发电机中，改变这种叶片的形状来接收风能，提高发电效率，并使这种风力发电机的叶片截面流线型化。此后，升降式风力发电机诞生了。然而，难以制造这种升力发电机叶片，这增加了制造成本。与传统的风力涡轮机相比，风力涡轮机更有可能用于叶片旋转方向。在现实中，垂直轴风力涡轮机配备的启动器可以有效地适应自然界中风的突变。且这种结构的风机因为结构简单，所以在运行维护过程中较为方便，但是这种类型的结构不可以运行过快，所以，需要增加一个结构复杂的限速装置，防止其因为超速而阶梯，目前这一问题依然没有得到很好的解决，所以，在实际使用中存在很多掣肘。其基本结构如下图2.2所示。
图2.2垂直轴式风力机结构
水平轴风力发电机的叶片以水平轴为定点旋转，叶片的旋转面与风向垂直。在水平轴型的情况下，如果由于风力发电机单元结构的延迟或消耗导致风继续变化，水平轴型的性能质量就不好。此外，根据通道采用水平轴式叶片的数量。水平轴型在叶片数为12～24片时称为低速风力机，启动风速低，运转时启动转矩大，主要用于地面使用。叶片数为1～4片，采用横轴。风力涡轮机被称为高速风力涡轮机。行驶时初始风速较快。如果输出功率相同，则比低速风力发电机轻，主要用于发电。但是，它不适用于室外小功率风力涡轮机。水平轴风力发电机结构如图2.3所示。
图2.3水平轴式风力机结构
2.3太阳能电池板的原理
在温度与光照强度的影响下，光伏发电模块的输出功率随之发生变化，所以，如何能够有效提高光伏的转换效率是太阳能光伏发电模块的重要研究方向。原则上，太阳能电池板使用光电转换理论。图2.4显示了一个设备物理设备图，该图将通过半导体材料将太阳发出的光能转换为电能。光电转换过程通常称为光电效应。这种现象是半导体材料根据光的作用产生不均匀的电势差。
图2.4太阳能电池板实物图
下图完全阐述了太阳能光伏发电模块的原理图，其可以认为是一种特殊PN结在光照情况下发生电子的定向移动而产生，这种特殊的PN结由P型和N型两种结构组成，其中在加入3价元素后形成的P型半导体中含有大量带整点的空穴，在纯晶硅中加入少量五价元素形成的N型半导体，由于半导体材料的行为，当两种不同类型的PN结相互接触时，会产生许多负面影响，其中含有带电的自由电子。因此，分子的扩散和漂移在它们的接触界面处形成了从p型半导体到n型半导体的内建电场。当PN结被太阳照射时，太阳能光子激发PN结中的电子和空穴，内部电场的作用逐渐分离少数载流子，形成和积累电势差。不同之处。通过外接负载，此PN结就可向外部进行持续供电。
图2.5太阳能组件的工作原理图
太阳能电池作为太阳能发电系统的基本组件，具有寿命长，使用方便等一系列优点，但是太阳能电池在其实际应用过程中。由于制造成本高企，转换效率偏低，因此为了提高其转换效率，降低制造成本，全球各国对于其研发以及控制理论的研究愈发重视。
第三章 风能太阳能供电
3.1风能太阳能使用条件
在风能、太阳能丰富的高速公路沿线地区，可采用小型的风力发电机、太阳能光伏板或两者结合的风光互补的方式。单个外场监控设备的负荷功率不大，例如监控摄像机，普遍不到100W，节能型的摄像机可低至20W左右。因此，在高速公路沿线分布的监控设备，在远离市电接入的区域使用风能、太阳能或风光互补的供电方式，是一种不错的选择。
3.2 风能太阳能供电优缺点
风能太阳能供电的优势在于无需长距离敷设供电电缆，施工便捷，可快速投入使用。距离市电接入点越远，优势就越明显。同时风能太阳能属于绿色能源，与国家推行的低碳环保目标相符。以一台外场摄像机 0.1kW 计算，每年节省的电能 W=0.1×24×365=876kWh，还未计算线路上的损耗，当外场设备多，功率更大时，风能太阳能供电系统节省的能源就比较可观了。
但风能太阳能供电方案的劣势也很突出。首先，机会成本高。以广东地区为例，在广东地区，早期沿线监控设施使用风光互补的方式，而现在主要以太阳能供电的方式为主。由于风能在时间维度分布不均，且有最低风速要求，太阳能供电则在广东的梅雨季节，有时长达一个月见不到阳光，对太阳能供电系统是一个考验。
3.3交流升降压远供
相较于前文所述的集中供电方式，高速公路沿线监控设施交流远供方案主要是升压后的母线电压等级不同。有升压至 AC660V、AC800V 或升压至 AC3.3kV 等不同电压等级的方案。根据项目的负载大小和供电距离情况，选取合适的电压等级，升压后的母线采用两芯电缆。交流远供系统在变电所将交流电源通过升压变压器和一系列保护电路，或称为电源发生装置 （上位机），将母线电压提升至所设计的电压等级，然后在沿线监控设备附近设置下位机设备，通过降压变压器和相应的稳压保护电路，将母线电压降至设备所需的电压，如 230V。1kV 是常规定义高压和低压的分界线，日常接触较多的是低压的电器产品，包括母线电缆，低压供电电缆工作电压 0.6/1kV 即可，但如果远距离供电的系统电压超过 1kV，常规的低压供电电缆耐压无法满足要求，需要选择和供电系统工作电压相适应的高压电缆。
3.4升降压远距离远供
升降压远距离供电是近年来很多高速公路沿线监控设施供电的首选方案，随着设备防护技术的不断提升，供电可靠性也得到了保障。其优势在于供电距离远、供电容量大，降低供电线缆的导线截面后，能够降低供电线缆的成本，同时为供电电缆吹缆施工敷设创造条件，大幅降低了高速公路沿线施工难度，确保施工质量和电缆敷设后的成品保护。
升降压远距离供电也存在一些不足，首先是升压远距离供电电网谐波的问题，由于沿线监控设施大部分自带电源适配器，最终将交流转换为低压直流给设备本身，因此负载中存在着大量的整流电源。大量的整流电源属于非线性负载，在供电线路产生了过量的谐波 （THD），加之升降压远距离供电的电源发生装置 （上位机） 容量有限，因此整个升降压供电网络中的 THD 含量往往过大，易对供电网络中的元器件造成损坏、设备工作异常的情况，因此当供电网络中 THD 过大，如超过 5% 时，需要考虑增加滤波装置，提升电源质量。
结论
经过40余年的改革开放，我国如今以及成为制造业大国，逐步向制造业强国迈进，电力系统丰富了人们的生活，同时，经过百余年的发展，化石能源储量大幅减少，人们开始寻找新的可替代能源，这时，光伏发电和风力发电作为两个最优质的新型能源，但是在运行过程中还是存在着一些缺点，经过研究，二者可以实现较好的优缺点互补，所以开始有研究人员尝试将二者合并，使用风光互补系统进行电力供应。
本文重点介绍了风光互补直流供电系统的原理以及使用条件，介绍了风能太阳能互补供电系统的优缺点，介绍了常用的供电方式，从而为公路沿线监控设施供电提供了一种清洁的供电方案。
致谢
感谢空军通信士官学校给与我的帮助与支持，感谢指导老师在论文撰写过程中给与的指导与支持，感谢我的同学给与我的帮助，在今后的日子里，我们必然会将致力于成为一名优秀的空军指战员，论文的撰写过程，让我对于本科期间学习的专业知识有了一次融会贯通的机会，让各个知识能够得以融会贯通。最后，感谢我的父母这么多年给与我的帮助与支持，他们不求回报的付出，是我不断前进的动力源泉。
参考文献
[1]曹宇辉,罗爱琼,杨进,王俊杰.光纤通信网带宽动态可变性初探[J].数字通信世界,2023(02):74-76.
[2]曹建生.基于粒子群算法的光纤通信网络入侵干扰信号定位检测方法[J].信息与电脑(理论版),2023,34(01):186-188.
[3]李振宇.光纤通信技术的应用及发展[J].现代工业经济和信息化,2023,11(12):129-130.
[4]孙继泽,杜金其,王伟,甘怡红,游清清.电力光纤通信网络实时安全风险量化参数优化算法[J].激光杂志,2023,42(12):176-180.
[5]诸葛群碧,钟雪颖,蔡萌,刘晓敏,刘蕾,胡卫生.光纤通信数字孪生系统架构及关键技术研究[J].信息通信技术与政策,2023(12):86-92.
[6]巢喜剑,王云兴.光纤通信的实验室数据快速采集系统[J].激光杂志,2023,42(10):133-137.
[7]宋宏君.浅谈光纤通信工程施工中光缆线路的敷设[J].网络安全技术与应用,2023(10):144-145.
[8]赵利国,王新新.创新创业背景下的光纤通信教学研究[J].电脑知识与技术,2023,17(28):188-189+194.
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