地鐵低壓配電自動化系統的應用與發展

鄭姍姍

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 2002352）

地鐵低壓配電自動化系統的應用與發展

鄭姍姍

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 2002352）

針對近些年低壓配電自動化系統在國內多個城市地鐵建設中應用的現狀，通過對比分析地鐵低壓配電自動化系統的傳統模式與當前的各種模式，提出了低壓配電系統自動化在地鐵領域應用前景與發展的方向.

低壓配電；地鐵；系統

傳統的低壓配電控制方式主要是通過斷路器、接觸器、熔斷器、控制繼電器、互感器以及各種模擬指針儀表（電壓表、電流表、功率表、電能表）等組成的低壓開關柜來實現配電的控制、保護、監視等功能.這種傳統的開關柜以人工直接操作為主，如果要進行計算機智能管理，則需要采用電量變送器及微處理器來實現.但是在地鐵建設中大量使用電量變送器存在成本高、接線復雜、功能簡單、精度低和可靠性差等缺點，而且地鐵屬于人員密集型公共場所，地鐵低壓系統供電的可靠性、控制的有效性、運營維護的便利性在地鐵設計中占據著舉足輕重的地位.隨著微處理技術的廣泛應用及計算機系統可靠性的大幅提高，低壓電氣自動化元件在地鐵設計建設中得到快速發展，低壓電氣自動化配電系統應運而生.

1 傳統低壓配電系統與目前低壓配電自動化系統的對比

隨著低壓配電自動化系統運行的可靠性和實時性不斷提高，根據低壓配電自動化系統直接面向控制終端的特點，其涵蓋的終端設備種類也越來越多、分布越來越廣.

1.1 降壓變電所低壓部分自動化系統應用

地鐵0.4 k V配電系統直接面向車站、區間的低壓用戶，從用電設備負荷分類來講，一、二級負荷占絕大多數，對低壓電源的可靠性要求高.主變電所、中壓網絡等輸變電環節采取了一系列措施以提高供電系統的可靠性，在0.4 k V配電系統這一環節采用分段單母線接線，設母線分段開關，并設三級負

荷分母線.

1.1.1 傳統低壓配電模式

（1）根據G B 50157—2003《地鐵設計規范》14.6.8的規定,0.4 k V降壓變電所遙控對象應包括下列基本內容：降壓變電所的低壓進線斷路器、低壓母聯斷路器、三級負荷低壓總開關；

（2）根據G B 50157—2003《地鐵設計規范》14.6.9的規定,0.4 k V降壓變電所遙信對象應包括下列基本內容：降壓變電所低壓進線斷路器、母聯斷路器的故障跳閘信號；

因此,傳統低壓配電模式根據規范要求，僅實現對進線斷路器、母聯斷路器、三級負荷總開關以及監控變電所備用電源自投自復情況的遙控、遙信、遙測.具體智能低壓系統結構圖如圖1所示.

圖1 0.4 k V開關柜傳統低壓配電系統結構圖

由圖1可知,進線斷路器、母聯斷路器、三級負荷總開關的遙控、遙信由智能斷路器實現，智能斷路器采用微處理器或單片機為核心的智能控制器，不僅具備普通斷路器的各種保護功能，同時還具備實時顯示電路中的各種電氣參數，對電路進行在線監視、自行調節、測量、實驗、自診斷、可通行等功能.遙測由智能化數字儀表來實現.

廣州地鐵2號線,上海地鐵7、8號線,北京地鐵1、2號線等地鐵線路降壓變電所低壓部分自動化系統均采用該方式.

1.1.2 目前通用低壓配電模式

在規范要求遙測、遙控、遙信的對象基礎上,增加了對所有饋出回路的斷路器的遙控、遙測、遙信，以及饋出回路電壓、電流、功率、電能的遙測.具體低壓配電自動化系統結構圖如圖2所示.

圖2 0.4 k V開關柜目前通用低壓配電自動化系統結構圖

圖1與圖2比較可知,圖3饋出回路采用智能斷路器和智能化數字儀表，增加對重要饋出回路的遙控、遙測、遙信功能.同時增加P L C裝置，P L C裝置具有強大的邏輯控制功能.進線與分段開關之間復雜的控制邏輯關系如果由傳統的電磁繼電器實現，繼電器數量多，連線多，調試工作繁重，維修工作量大.通過P L C裝置很容易實現各種控制與聯鎖功能，并容易和變電所綜合自動化系統實現通信.

新建的杭州地鐵1號線、深圳地鐵5號線、深圳地鐵7號線、成都地鐵2號線、上海地鐵11號線、上海地鐵12號線、上海地鐵13號線等地鐵線路降壓變電所低壓部分智能系統采用該方式.

1.2 環控電控低壓部分的智能系統應用

地下車站環控負荷中心附近設環控電控室，環控設備由環控電控室集中配電.有些地鐵車站環控配電采用單母線分段的主接線方式，有些地鐵環控配電采用雙電源切換的主接線方式.環控電控柜另設三級負荷母線段，采用單母線不分段的接線方式，為冷凍水泵、冷卻水泵等三級負荷分組配電.環控電控柜都是直接連接的現場環控設備，直接對現場環控設備供電或進行控制，對實時性有一定要求.隨著環控電控柜的發展，它已不僅局限于供電，而且已逐步地將控制器等產品納入進來，如軟起動器、變頻器等.

1.2.1 傳統模式

傳統的環控配電系統通過軟啟動器和變頻器實現對大功率電動機的遙測、遙信和遙控.其他小功率電動機饋出回路的保護和控制采用普通電動機專用斷路器、交流接觸器和熱繼電器結合的保護形式.

由圖3可知,環控電控低壓僅為其他小功率通風空調設備提供電源,通過斷路器對小功率電動機進行過載和短路保護.

圖3 環控智能低壓配電系統結構圖一

采用該配電系統模式的地鐵線路包括：北京地鐵1、2號線,廣州地鐵2號線,深圳地鐵1號線,上海地鐵1、2號線等線路.

1.2.2 目前通用模式

與傳統利用軟啟動器和變頻器實現對大功率電動機的遙測、遙信和遙控的環控配電系統相比較,目前環控柜低壓自動化控制系統主要實現對通風空調等設備的監視、測量、控制和保護，對智能模塊的參數設定、復位，對進線電源狀態監視及電壓、電流等參數的上傳等；通風空調設備通常設就地控制、通風空調電控室控制、上位監控系統控制三級控制，智能低壓控制系統實現三級控制轉換及運行狀態顯示.每個通風空調電控柜內的智能電機保護器（智能馬達保護控制器，簡稱馬達保護，適用于保護交流50 H z的各種額定電流的電動機.對電動機的短路、堵轉、過載、欠載、缺相/不平衡、接地/漏電、過/欠壓及外部故障等引起的危害予以保護，并具有測量、操作控制、診斷維護、報警輸出、模擬量輸出及網絡通訊，包括遙測、遙信、遙控、遙調等功能）采用現場總線連接，現場總線通過安裝在遠程I/O上的通信模塊經過協議轉換接入環控M C C系統.遠程I/O與環控M C C系統之間通訊總線需采用冗余雙總線方式；環控M C C系統與E M C S系統之間采用冗余以太網T C P/I P相連.通信模塊與柜內智能模塊之間的現場總線可采用單總線形式，通信速率不低于9600 b p s.遠程I/O與環控M C C系統之間通訊總線采用冗余雙總線方式，速率不低于1500 k b p s，以保證系統控制與數據傳輸的實時性.

圖4 環控智能低壓配電系統結構圖二

由圖4可知,環控電控低壓部分通過智能模塊、軟啟動器、變頻器對電動機進行綜合保護,采集通風空調設備的信息,環控電控低壓可以設置獨立的通信控制器,并將采集到的數據調整歸納、整理、計算后,實時刷新上傳至E M C S的主P L C,同時根據E M C S的主P L C下達的通風模式,實施控制.也可以不單獨設置通信控制器，合用E M C S的主P L C.上海地鐵10、11、12、13號線,深圳地鐵5、7號線、蘇州地鐵4號線等地鐵線路環控電控低壓部分自動化系統采用該方式.

2 低壓配電自動化系統的應用比較

通過上面的分析可以看出,當前地鐵設計建設中使用的低壓配電自動化系統與傳統配電模式相比有如下特點：

2.1 自動化

低壓配電自動化系統由低壓開關加裝了具有通信功能的智能測控保護裝置，比如微機電動機保護、智能儀表裝置等，經數字通信與計算機系統網絡連接，避免了傳統模式無法對0.4 k V降壓變電所饋線回路進行遠程監視以及實時的掌握其電氣元件工作狀態的弊端，降低了傳統的低壓系統維護的工作量以及運營維護人員現場巡檢工作的難度.真正實現了低壓配電設備運行管理的自動化.

2.2 多功能化

智能測量保護裝置增強系統的可靠性,擺脫了傳統電氣元件功能單一的缺點，集測量、保護、控制等多種功能于一體，取代了傳統指針式電量表、信號燈、繼電器等電氣元件，并大量減少了配電柜內二次接線，降低了傳統模式下以點對點的方式與監控系統相連接,使用大量的控制電纜，擺脫了現場電纜敷設工程量大、接線復雜、系統調試難度大等缺點.

2.3 網絡化

地鐵上應用的低壓配電自動化系統一般具有數字通信接口，通過網絡與微機處理系統互聯，可實現實時數據采集、數據存儲、數據通信、數據處理、控制中心遠程操作等多種功能.

3 結語

低壓配電自動化系統的性能主要體現在以下幾個方面：(1)低壓配電自動化系統能夠實現遠程測量，即可以在控制終端查看各回路或各控制單元的電量參數；(2)遠程調節，即可對控制單元遠距離上傳、下載各種保護設定值、特性曲線；(3)遠程控制，即可對控制單元進行遠程儲能、合閘、分閘、啟動、停車(電動機控制回路)等操作；(4)可進行信息查詢，即可對低壓配電自動化系統的各種信息資源進行查詢，如故障記錄、日記報表，以及電網管理、電網質量與負荷分析等.實際上低壓配電自動化系統也是電子、自動化與配電技術相結合的產物.

根據不同城市地鐵的設計要求和地鐵線路的具體情況,目前國內地鐵低壓配電自動化系統的實際應用各不相同,但從地鐵供電的可靠性和自動化方面考慮,低壓配電自動化系統將在地鐵設計中的應用將會更加廣泛.

〔1〕上海地鐵12號線龍華站動力照明施工圖設計.上海市隧道工程軌道交通設計研究院.2012.

〔2〕上海地鐵13線長壽路站動力照明施工圖設計.上海市隧道工程軌道交通設計研究院.2012.

〔3〕中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

〔4〕于松偉，等.城市軌道交通供電系統設計原理與應用[M].成都：西南交通大學出版社，2008.

〔5〕劉介才.工廠供電[M].北京：機械工業出版社，2004.

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1673-260 X（2012）09-0052-03