基于智能低壓配電系統(tǒng)的地鐵配電電能管理系統(tǒng)

宋新啟

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，300251，天津∥工程師)

1 地鐵配電系統(tǒng)

地鐵低壓配電系統(tǒng)是地鐵供電網(wǎng)絡中重要的服務系統(tǒng)，承擔了除為電動車組供電以外所有低壓負荷提供電能的重要任務，保證所有動力照明設備配電的安全、可靠、有效、經(jīng)濟。地鐵的設備系統(tǒng)較多，其中環(huán)控系統(tǒng)是低壓配電中的“用電大戶”，一般地下車站環(huán)控系統(tǒng)的設備用電容量占整個地鐵配電系統(tǒng)中所有設備容量的一半左右。

根據(jù)車站規(guī)模及設備分布，在一般換乘站、帶折返線的車站以及車站長度超過200 m的較大規(guī)模車站，由于其負荷容量較大，供電距離較長，采用設置兩座降壓變電所的方案較為合理;而車站長度低于200 m的一般規(guī)模車站，在節(jié)約投資的前提下，采用設置一座降壓變電所的方案即可滿足供電。

車站配電主要根據(jù)負荷的分布情況劃分不同的供電區(qū)域，分為由降壓變電所直供和經(jīng)風機環(huán)控電控室供電兩種形式。通常在靠近環(huán)控機房旁設環(huán)控電控室，負責環(huán)控設備的供電。環(huán)控電控室電源引自車站降壓變電所。環(huán)控電控室為單母線分段運行，即母線Ⅰ、母線 Ⅱ 兩段母線不設分段開關(僅深圳地鐵、廣州地鐵的部分到環(huán)控電控室的兩段母線設分段開關)。

2 智能配電系統(tǒng)的構成

智能型低壓配電系統(tǒng)較常見的結構為三級結構。從結構上看，整個智能型低壓配電系統(tǒng)主要由3部分組成:①主計算機，用來實現(xiàn)對配電和控制設備以及智能型元器件進行監(jiān)控、保護和通信控制。主計算機可以是PC機、已存在的計算機系統(tǒng)、PLC(可編程邏輯控制器)或離散控制系統(tǒng)。②通信網(wǎng)絡，主要含主機接口、子網(wǎng)絡監(jiān)控器及網(wǎng)卡。主計算機通過主機接口對整個通信網(wǎng)絡實施控制，子網(wǎng)絡監(jiān)控器是二級網(wǎng)的控制器。在比較大的配電系統(tǒng)中，采用子網(wǎng)絡監(jiān)控器可以大大提高主計算機對整個配電系統(tǒng)的訪問速度，提高實際監(jiān)控的能力。③智能型低壓配電和控制設備，也就是采用了帶有通信接口的智能型控制器或智能型電器元件的低壓配電和控制設備。

3 地鐵車站智能低壓系統(tǒng)

從地鐵的實際運營管理經(jīng)驗來看，負責運營維護的供電車間對降壓變電所低壓部分除進線斷路器、母聯(lián)斷路器、三級負荷總開關以外的其他饋線回路無法進行遠程監(jiān)視，無法實時掌握其電氣元件的工作狀態(tài)。因此，傳統(tǒng)的低壓系統(tǒng)維護工作量很大，增加了運營維護人員的現(xiàn)場巡檢工作;同時，因其設備多采用接觸器和繼電器控制，所以，現(xiàn)場的元器件較多，系統(tǒng)的可靠性也較差。目前由于智能低壓元件技術的快速發(fā)展，針對電動機綜合保護、測量、監(jiān)控的電動機保護控制器也得到了全面的發(fā)展和應用，智能化數(shù)字儀表也由單一的測量顯示元件發(fā)展為帶I/O模塊及通信模塊的綜合智能元件。因此，智能低壓系統(tǒng)更容易實現(xiàn)對電動機的各種保護，如堵轉、過載、定/反時限熱保護、缺相/相不平衡、接地、欠載、過電壓、欠電壓、裝置故障報警等，同時，還可實現(xiàn)各種電動機不同的啟動控制方式，包括軟啟動、直接啟動、正反轉控制、星/三角啟動、雙速控制等，并可以實現(xiàn)對所有供配電回路的測量、計量、監(jiān)視、故障分析、故障報警和預報警的功能。由于系統(tǒng)功能的提高和控制接線的簡化，提高了系統(tǒng)的可靠性和自動化程度，大大縮短了系統(tǒng)的安裝調(diào)試時間。地鐵車站智能低壓系統(tǒng)包括兩個部分，即降壓變電所低壓部分和環(huán)控電控低壓部分。

3.1 降壓變電所低壓部分的智能系統(tǒng)

降壓變電所智能低壓系統(tǒng)在實現(xiàn)進線斷路器、母聯(lián)斷路器、三級負荷總開關的遙測、遙控、遙信的基礎上，同時實現(xiàn)了對所有饋出回路的遙測、遙信。智能系統(tǒng)由以太網(wǎng)網(wǎng)關、智能開關、PLC、智能化數(shù)字儀表等組成，進線斷路器、母聯(lián)斷路器、三級負荷總開關的遙控由斷路器本體實現(xiàn)，其他饋線回路的遙測、遙信由智能化數(shù)字儀表實現(xiàn)，變電所備用電源的自投自復監(jiān)控通過PLC實現(xiàn)。圖1為降壓變電所智能低壓系統(tǒng)圖。杭州地鐵1號線、深圳地鐵2號線、南京地鐵2號線等地鐵線路降壓變電所低壓部分智能系統(tǒng)采用了該方式。

3.2 環(huán)控電控低壓部分的智能系統(tǒng)

環(huán)控電控智能低壓系統(tǒng)在實現(xiàn)配有軟啟動和變頻器的電機回路的綜合保護、測量、監(jiān)控的基礎上，同時實現(xiàn)對所有饋出回路的綜合保護、測量、監(jiān)控。圖2為環(huán)控電控智能低壓系統(tǒng)圖。

由圖2可知，環(huán)控電控低壓部分對電動機進行綜合保護。環(huán)控電控低壓設置有獨立的通信控制器，采集通風空調(diào)設備的信息，并將采集到的數(shù)據(jù)進行調(diào)整歸納、整理、計算后，實時刷新上傳至BAS(機電設備自動控制系統(tǒng))的主PLC，同時根據(jù)BAS的主PLC下達的通風模式，實施控制。尤其是在火災狀況下，車站BAS根據(jù)FAS(火災自動報警系統(tǒng))命令執(zhí)行各類環(huán)控設備火災運行模式，并將此命令下發(fā)至環(huán)控柜智能低壓系統(tǒng)。北京地鐵6、9、10號線，廣州地鐵3、4號線，上海軌道交通7、8號線，深圳地鐵2號線等地鐵線路的環(huán)控電控低壓部分智能系統(tǒng)采用了該方式。

4 地鐵配電系統(tǒng)電能管理

地鐵電能管理系統(tǒng)的主要功能包括系統(tǒng)運行實時監(jiān)視、電能質(zhì)量監(jiān)視、高精度電能計量、電能消耗統(tǒng)計和分析、遠程控制和操作記錄、事件報警和記錄、數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)管理、各種報表打印和電能管理等(如圖3所示)。

1)能源消耗管理:包括能源監(jiān)視、分析以及控制能源使用。通過能源消耗管理，降低每個車站和線路能源整體的使用成本，同時將能源數(shù)據(jù)升華為有價值的信息，用于掌握和分析各個部分的能源使用情況。

2)關鍵能耗負載分布和能耗負荷特性分析:用于測定和記錄來自分布式電能監(jiān)視儀表和其他能源儀表在每個電力需用時段的能源使用數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保存在一個集中的數(shù)據(jù)庫中。因此，用戶可以立即確定負載系數(shù)、最高要求負荷周期，以及與之相關的設備的能耗，包括線路、變壓器、空調(diào)機組及通風機組、照明、電梯/自動扶梯和弱電系統(tǒng)等。

圖3 地鐵配電系統(tǒng)能量管理圖

3)成本分攤:將能源成本分攤到每個設備、車站或線路，也可使用多種應用生成分析和校驗能源清單以及資費所需的報表。

4)電能質(zhì)量控制和報警:通過測定系統(tǒng)和站點的電能質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)一些潛在電能質(zhì)量危害，例如諧波、電壓偏移以及配電系統(tǒng)的事件等。此外，還用于捕捉系統(tǒng)的越限情況和能源消耗異常，發(fā)出報警信息，并通過郵件、手機短信、PDA(個人數(shù)字助理)和工作站等多種形式通知相關工作人員，有助于減少設備誤動作，降低能源成本，幫助配電系統(tǒng)規(guī)劃，提高生產(chǎn)效率以及提供系統(tǒng)性的能源整體視圖。

5)節(jié)能措施和設備的優(yōu)化:通過能源數(shù)據(jù)的收集和設備狀態(tài)的分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)能空間比較大的領域，評估各項節(jié)能措施和設備的實際效果，包括再生制動能量利用、諧波治理、照明控制、通風及空調(diào)制冷等。通過地鐵電能管理系統(tǒng)的實時參數(shù)顯示功能，可實現(xiàn)關鍵配電回路電氣運行狀況的遠方監(jiān)視，同時生成基本電氣參數(shù)、電能消耗、分時計量及THD(總諧波畸變率)等各種運行分析報表。通過地鐵電能管理系統(tǒng)軟件采集的數(shù)據(jù)可以分析歷史負荷曲線、電能消耗和系統(tǒng)裕量，提高系統(tǒng)或設備的使用效率。對全年的電能消耗進行分時段、分季節(jié)和分部門的統(tǒng)計分析，生成的報表可以MicrosoftExcel文件格式存儲，且自動生成曲線或柱狀圖，方便用戶導出或形成報告。

5 結語

通過地鐵車站智能低壓系統(tǒng)以便于測量并統(tǒng)計車站各設備的用電信息，而地鐵配電管理系統(tǒng)則通過網(wǎng)絡集中管理并控制各設備的用電信息，實現(xiàn)對能源消耗的有效管理。地鐵配電管理系統(tǒng)是一個全線性的或者是整個城市軌道交通系統(tǒng)的配電電能管理系統(tǒng)，同時也是構建覆蓋電能、燃氣、自來水等能源監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分之一。地鐵在滿足公共交通功能需求的同時，應按照合理用能的原則，加強節(jié)能管理和能耗控制，提高能源利用效率，降低運營成本。

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