北京地鐵亦莊線電能質量管理系統

盛蓉蓉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063)

1 電能質量管理系統概述

1.1 應用背景

隨著城市軌道交通的高速發展，地鐵供電系統的結構越來越復雜，引進先進技術的同時出現了大量的非線性負荷和沖擊性負荷，如整流設備、變頻設備、大功率電力電子設備和電磁開關等，造成供電系統的電能質量(包括諧波、電壓波動和閃變、不平衡度、功率因數等)的技術指標不同程度地超標。這些電能質量的問題對供電系統造成了不同程度的危害，嚴重時可能發生電氣火災，造成嚴重的經濟損失。應用地鐵電能質量管理系統，通過預測、診斷和驗證電能質量問題，可避開存在的風險，使那些與電能質量問題相關的設備以更安全的方式運行。

1.2 設計原則

基于先進、開放、易于升級的系統平臺，要求具有靈活、高性價比且支持多種通信方式的優點。計算機網絡選用開放的體系結構，對集控站系統采用“即插即用”技術。在完成電能質量監測的基礎上，可以使地鐵運營部門迅速而準確地實時獲得變電所內各種大型負荷設備運行的電能質量信息，完整地掌握全線低壓400 V系統的電能質量狀況，同時為低壓400 V系統與中壓10 kV系統集成提供良好結合的平臺，及時發現和糾正整個地鐵用電系統輸變電運行的薄弱環節，實現電能質量監測分析的綜合自動化管理。

2 亦莊線電能質量管理系統

2.1 系統構成

亦莊線地鐵電能質量管理系統由間隔層、子站采集層、通信層和主站監控層構成(見圖1)，每個變電所對一個子站進行管理。

圖1 電能質量管理系統結構

1)間隔層由高壓10 kV系統現場儀表及低壓400 V現場儀表構成，統一設置在高低壓開關柜內，對每座變電所各條負荷線路的電能質量數據進行實時采集。

2)子站采集層包含了前置處理器、以太網交換機、工控機等，這些設備均設置在變電所控制室的電能屏內。由工控機實時輪詢、采集現場儀表的各種參數，經過數據處理后存儲在子站系統的數據庫中，所有數據經過通信層上傳給后臺監控中心，對變電所內的各個負荷回路進行統一監控、管理。

3)通信層為通信系統提供10 Mb/s帶寬的專用通信通道，將數據最終上傳到監控中心主站服務器，專用的通信通道保證了系統數據能實時可靠地上傳。

4)主站監控層包含了3層交換機、操作員工作站、Web服務器等，均設置于車輛段臨時控制中心的電能屏內。該層負責收集每個子站(每個變電所為一個子站)的數據，并且通過系統軟件進行統一的處理和統計分析，對全線供電系統實施集中、全面、實時的遠程監測，將每個子站的供電質量、事故報警、電能分配等情況及時、準確地反映到系統中并顯示出來，對全線子站實行同步管理。

2.2 系統功能

根據北京地鐵運營公司對電能質量數據的需求，亦莊線電能質量管理系統構建了分布式電能質量數據服務平臺。在電能質量數據服務平臺上，完成了電能質量監測、數據分析、電能分類統計等功能;可以實時查詢:儀表三相電流、電壓，三相功率因數、頻率，三相有功、無功、視在功率，電壓電流不平衡度，短時閃變，電壓偏差越限，電壓閃變越限，電壓諧波含有率越限，諧波電流越限，不平衡度越限，頻率越限等。

1)系統具有電能分類統計功能，可按照地鐵運營公司的要求，生成電壓電流報表、電壓偏差報表、電壓電流各序分量報表、諧波電壓含有率報表、諧波電流報表、電壓總諧波畸變率報表、頻率及三相不平衡度報表、各相功率報表、功率因數報表、電壓閃變報表，也可以實時動態地生成分時分線電量統計報表;對于電能質量，按照國標要求，統計電能質量參數的95%概率大值、最大值、最小值等，能任意時段進行統計，方便地實現分日統計、周統計、月統計、季度統計、年統計。通過報表數據，可以對各項指標作詳細分析，為地鐵運行提供技術參考。

2)在線路進入動態或暫態過程中，在線式電能質量采集終端將捕捉電壓驟升驟降等現象，對被監測參數啟動高分辨率波形數據記錄，錄波數據以文件形式按照事件的起始時間保存，通過通信網絡，定時將寄存器中的監測數據下載保存于主站服務器數據庫中，后臺軟件提供豐富的圖形化數據分析功能。同時，可依據用戶需要開放相關數據接口，便于與其他分析系統實現數據共享。

3)電能質量管理系統通過實時數據的讀取，可以使調度等部門迅速而準確地獲得變電所內各種大型負荷設備運行的電能質量實時信息，完整地掌握整個系統的電能質量狀況，及時發現和糾正輸變電運行的薄弱環節，實現電能質量監測分析的綜合自動化管理。

2.3 儀表設置

1)10 kV電能管理子系統:在牽引變電所的整流變壓器饋線、動力變壓器饋線側及開閉所外電源進線處，安裝了SHARK 200電能表。

2)400 V低壓電能管理子系統:在低壓柜的非線性負荷出線處，如照明母線、環控大負荷、UPS電源等饋線回路的饋出開關處，安裝了WEM100數字電能表。

3 電能質量管理系統通信方式

3.1 變電所內通信模式

變電所所內的通信模式如圖2所示。所內通信模式取決于現場儀表，10 kV系統的SHARK 200電能表支持以太網通信方式，電能質量數據通過SHARK 200電能表自帶的以太網口，接入變電所電能監測屏的以太網交換機，400 V系統的WEM100數字電能表僅支持RS485通信方式，電能質量數據通過WEM100數字電能表自帶的RS485通信口，接入變電所電能監測屏的子站前置機內。前置機經過數據處理后，將數據傳輸至以太網交換機。通過以太網交換機，最終將所有數據打包上傳至控制中心。

圖2 電能質量管理所內通信方式

3.2 全線通信方式

電能質量管理系統單獨組網，由通信系統單獨提供帶寬為10 Mb/s的通信通道，以變電所為單位直接接入通信網絡，如圖3所示。通信系統與變電所的接口，位于變電所內電能屏的以太網交換機網口。

圖3 電能質量管理系統全線通信方式

所內由一臺工控機完成本站所有儀表數據的采集，通過通信網把數據傳輸到控制中心專設的電能質量系統的交換機。獨立組網避免了在傳輸過程中可能存在的數據丟失，以及對變電所自身網絡可能造成的安全隱患，同時可完全實現系統要求的各項電能質量指標數據的實時采集。

4 地鐵電能質量管理系統發展趨勢

4.1 應用情況

目前，北京地鐵部分線路(如亦莊線、大興線等)已率先采用了地鐵電能質量管理系統。該系統作為一個綜合信息平臺，在完成電能質量管理的基礎上，可以使調度等部門迅速而準確地獲得變電所內各種大型負荷設備運行的電能質量實時信息，完整地掌握整個系統的電能質量運行狀況，及時發現和糾正輸變電運行的薄弱環節，實現電能質量監測分析的綜合自動化管理。

4.2 發展趨勢

隨著我國電力市場的建立和逐步完善，供用電雙方對電能的質量要求日益提高，有關供電局已開始著手建造電能質量監控網絡，以保證電力系統優化運行和安全運行。對于日益發展的軌道交通行業，地鐵運營對供電系統的管理應不斷提高，對供電質量和用電監察要高度重視;通過設置電能質量管理系統，可以解決地鐵內部各用電設備存在的電能質量問題，滿足供電部門日趨嚴格的用戶用電要求。

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