智慧高速公路電力供應與能源管理優化方法研究

曹志偉

（中咨泰克交通工程集團有限公司）

1 智慧高速公路電力供應的當前狀況

1.1 電力供應的主要來源

智慧高速公路的環境中電力供應的復雜性和多樣性是其一大特點，傳統電力公司的電網作為主要的電力來源，扮演了關鍵的角色，尤其是在燃煤、天然氣、核能等傳統能源的電力生產中。燃煤電力是全球最大的電力來源，燃煤電廠將煤炭燃燒產生的熱能轉換為電能，通過電網傳輸到高速公路的各個部分，盡管對環境造成壓力，但技術成熟、電力穩定，因此仍在大規模使用；天然氣電力相比燃煤電力更為環保，其碳排放較低，對環境破壞相對較小，在智慧高速公路中，天然氣電廠生產的電力通過電網為路燈、交通信號、充電站等提供電力，滿足公路運行需要；核能是一種高效、低碳的電力來源，盡管存在核事故的風險，但在適當的安全措施下，其穩定的電力輸出和幾乎零排放特性，使其成為電力供應的重要組成部分。

1.2 電力供應的限制與問題

由于智慧高速公路的設施分布廣泛，從中央電網獲取電力可能存在電力傳輸損失的問題，而且在電力供應不穩定的地區，電網供電可能會出現斷電或電壓不穩定的情況，對高速公路的正常運營產生嚴重影響，同時高速公路系統的規模巨大，相應其電力需求也較大，對電力供應系統有了較高的標準要求。此外，盡管可再生能源具有環保、可持續等優點，但其電力生產也存在諸多問題，例如，太陽能和風能的電力產量會受到天氣條件的影響，不能保證持續穩定的電力供應。在這種情況下，電力存儲和調度就顯得尤為重要，但目前的電力儲存技術仍然存在成本高、壽命短等問題。

1.3 智慧高速公路在電力供應方面的應用

智慧高速公路是以信息化、網絡化、智能化技術為核心，實現高效、安全、便捷、綠色的交通運行，借助智能技術，如大數據和人工智能，高速公路的電力需求可以更精確地預測和調度，提高電力的使用效率，對路燈、充電站、服務區等設施的電力需求進行精確地預測和管理，實現最優的電力分配。例如，中國廣東省的一段高速公路采用人工智能技術，精確預測電力需求，并與電力供應企業實時調度，實現了供需平衡，減少了電力浪費。智慧高速公路還通過建立微電網系統進行電力管理，微電網系統可以對自產自用的可再生能源進行智能調度，即使在中央電網出現故障的情況下，也能保證電力供應的穩定，將高速公路沿線的可再生能源發電設備連接形成一個高效、穩定的電力供應網絡[1]。

2 高速公路的電力供應的智慧優化

2.1 可再生能源的利用

太陽能是一種無處不在、清潔且可持續的能源，在智慧高速公路中，利用太陽能的最直接方式就是安裝光伏設備，將太陽能轉化為電力，可以直接供電給路燈、交通信號、電子顯示屏等電力設施，或是設置電池儲存系統，將白天多余的電力儲存起來，供夜間或者陰天使用，提高能源利用率，也能提高電力供應的穩定性。在風力資源豐富的地區，可以設置風力發電機，為高速公路設施供電，與太陽能相比，風能的優點是不受天氣和夜晚的影響，可以提供更穩定的電力供應，雖然風力發電的初期投入成本較高，但長期來看，其運行成本較低，經濟效益仍然是非?？捎^的。同時可視環境能源特點設置安裝風光互補設備供電，充分利用風力和太陽能進行供電。例如，在山區或河流較多的地區，可以利用水能發電（見圖1）。

圖1 風光互補設備圖

2.2 電力存儲技術

在優化智慧高速公路電力供應的過程中，電力存儲技術的角色不容忽視，是實現高效、可靠且可持續電力供應的關鍵，電力存儲技術可以在電力生產過剩時存儲電能，用于供應不足時使用，從而確保電力供應的穩定性。在智慧高速公路中，可以使用大型的鋰離子電池儲存系統，將光伏設備或風力發電機產生的電能儲存起來，供高峰期或惡劣天氣時使用。例如，太陽能路燈利用鋰離子電池進行電能儲存，在白天將太陽能轉化為電能儲存起來，夜間再利用儲存的電能進行照明。除了鋰離子電池，其他類型的電力存儲技術也在被探索應用。例如，超級電容器因其超高的充放電速度和循環壽命，可應對短時的大規模電力需求；燃料電池則可以將氫氣等燃料轉化為電能，而且其能量密度極高，用于長期儲存電能；壓縮空氣能儲存、抽水蓄能、飛輪儲能等也是一些在特定條件下可行的電力存儲技術。

2.3 電力供應的技術創新

優化智慧高速公路的電力供應離不開技術創新的推動，從能源獲取、轉化到使用，無論在哪個環節，技術創新都能帶來效率提升和成本降低，在當前環保和可持續發展的大背景下，綠色和智能的電力技術創新尤為重要。在能源獲取環節，太陽能和風能的捕獲技術得到了顯著的提升，高效的太陽能光電池、風能渦輪等設備的出現，使太陽能風能的可再生能源獲取方式的效率大幅提升，配套的能源獲取設備也在不斷升級，如更精確的環境監測設備能夠更好地捕獲天氣變化，從而提升能源獲取的精準度；在能源轉化環節，電力存儲和轉化技術的革新在提升整體電力供應效率上發揮了巨大作用，從最初的鉛酸電池再到未來可能廣泛應用的固態電池，電池技術的更新換代不僅提高了電能存儲的效率，也大幅提高了電能使用的安全性；在電力使用環節，智能電網技術的運用極大地提升了電力供應的效率和穩定性，通過物聯網技術，可以對電力設施的運行狀態進行實時監控，及時發現和解決問題，從而保證電力供應的穩定性，避免電力供需的短缺或過剩，電力設施的自動化和智能化也可以減少人力運維的需求，在提高設施運維效率的同時降低運維成本。

3 優化智慧高速公路的能源管理

3.1 數據驅動的能源管理

在優化智慧高速公路的能源管理方面，數據驅動的方法正逐漸成為一個重要的工具，現代社會已經進入了大數據時代，數據的獲取、分析和利用變得越來越重要。數據驅動的能源管理，其核心是利用數據分析的手段，對能源的生產、傳輸和使用進行全面的、實時的監控和管理。例如，通過安裝各種傳感器和監測設備，可以實時獲取到高速公路上的能源使用數據，如電力設施的用電量、能源設備的運行狀態、環境條件等，能源使用數據經過分析處理后，可以為能源管理提供重要的決策依據。數據驅動的能源管理的優勢在于提供精確、實時和全面的能源使用信息，作出合理的決策。例如通過對設備運行數據的分析，可以發現設備的異常情況，及時進行修復或更換，避免能源的浪費，數據驅動的方法還可以發現能源使用中的潛在問題，如設備的能效低下、能源的使用不合理等，對能源的使用進行優化。

3.2 電網互聯和虛擬電力站

電網互聯和虛擬電力站的應用，已經成為優化智慧高速公路能源管理的一種趨勢，借助于電網互聯的特性，可以實現電力資源的優化配置，提高電力供應的穩定性和效率，虛擬電力站則是基于電網互聯概念的進一步發展，將分布式的、類型各異的能源設備統一管理，形成對外提供電力服務的虛擬實體。電網互聯的核心理念是，通過電力網絡的連接，打破地理區域和電力系統的限制，實現電力資源的互通共享，對于解決電力供需不平衡、提高電力系統的穩定性和可靠性具有重要的作用；虛擬電力站將分散在各地的可再生能源發電設備、儲能設備、電力負載等通過網絡連接起來，形成統一的電力資源池，根據電力市場的需求，靈活地調度和使用這些電力資源，提高電力供應的效率，降低電力系統的運行成本。對于智慧高速公路來說，電網互聯和虛擬電力站的應用可以大大提升能源管理的效率。

3.3 能源管理的策略創新

在優化智慧高速公路的能源管理中，引入先進的智能供電設備將會是一個重要的趨勢。智能供電設備是基于先進的信息技術和通信技術，配合高效的能源技術的產物，能實現對電力的精確控制，滿足智慧高速公路中復雜多變的電力需求。例如，通過引入智能變壓器、智能電表等設備，可以精確測量和控制電力的供應，實時調整電力供應策略，提高電力的使用效率。此外，智能供電設備還可以與其他設備形成智能電網，例如，通過智能儲能設備和可再生能源發電設備的協同工作，可以在電力需求低時存儲電力，電力需求高時釋放電力，保證電力供應的穩定性。

4 結語

通過深入研究，本文總結了優化智慧高速公路電力供應和能源管理的有效策略，包括需求響應、高效能源使用和節能技術等，可以解決智慧高速公路的電力供應問題，提高電力供應的效率和可靠性，優化能源管理，提高能源使用效率和效能，并減少能源消耗減輕環境負擔。然而，電力供應和能源管理是一個復雜的系統工程，涉及到許多因素，需要繼續進行深入研究，不斷優化和完善相關策略。本文為優化智慧高速公路的電力供應與能源管理提供了新的思路和方向，為推動智慧高速公路的可持續發展作出貢獻。