城市軌道交通低壓配電系統智能化管控終端設計

孫建新

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,710043,西安∥高級工程師)

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城市軌道交通低壓配電系統智能化管控終端設計

孫建新

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,710043,西安∥高級工程師)

為有效實現城市軌道交通低壓配電系統的智能化,設計一種集保護、控制、狀態監測、測量、計量、負荷預估及優化等功能于一體的雙CPU(中央處理器)結構柔性綜合管控終端,將其嵌入到低壓配電設備中“以軟代硬”,使系統涵蓋“信息化、自動化、集成一體化”的智能模式。設計的管控終端用于某市地鐵3號線工程，試用結果表明：其測量誤差小、功能完善可靠,滿足低壓配電系統智能化需求,工程實用價值良好。

城市軌道交通; 低壓配電系統; 智能化管控終端

Author′s address China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,710043,Xi′an,China

建立具有“自愈、集成、預測、優化”等智能化特征的城市軌道交通低壓配電系統,是提升城市軌道交通正常運營、科學管控水平的重要保障。目前常規的利用多功能數字儀表、智能斷路器、以太網網關、PLC(可編程控制器)控制器等元器件堆積組合方法搭建的“準”智能化系統[1-2],雖能實現城市軌道交通降壓變電所低壓進線斷路器、母聯斷路器、三級負荷總開關、重要饋線回路的遙測、遙控、遙信功能[3-4],但上述方法及系統存在以下缺陷：數字儀表和斷路器自帶的智能脫扣器測量信息各自獨立，對斷路器附件性能(如智能脫扣器)要求過高導致成本較高，各元器件通訊規約不一致時組網困難，各元件類別不同時功能差異性大自動化水平不均衡，結構模式不簡潔不統一和維護不方便等,在實際工程應用中難以有效發揮作用[5-6]。

本文研究了一種結構簡潔、涵蓋智能電網“信息化、自動化、集成一體化”特征要求的綜合管控終端裝置,通過實時采集城市軌道交通低壓配電系統全景工況參數,實現對配電回路智能化脫扣保護、控制、狀態監測、測量、計量和負荷預估,能使低壓配電設備簡化成“管控終端加斷路器”的兩元化結構，低壓配電系統成為具有智能電網特征的智能化模式,有力支撐城市軌道交通低壓配電系統的安全、優化、可控和可觀運行。

1 城市軌道交通低壓配電系統特點

城市軌道交通低壓配電系統按功能分為降壓變電低壓系統、環控電控低壓系統兩類。除牽引負荷外,其為所有運營機電設備提供動力和照明電源,與通用低壓配電系統相比,其特點及對智能化需求如下。

(1) 對可靠性、穩定性要求較高,當重要回路發生配電故障時,會直接危害城市軌道交通正常運行,有可能造成不良社會影響。這一特點要求低壓配電系統應具有對海量數據挖掘評估、對可能發生故障提前預測、對已發生故障快速診斷、對故障供電網絡節點快速自愈和重構等智能“自愈、預測”功能,主動避免發生安全事故。

(2) 車站面積寸土寸金(如地下車站),安裝空間有限,配電設備需要高度集成、占地小、維護方便。這一特點要求低壓配電設備內置元件量少體小、功能集成不重復、互換與兼容性好,設備自身結構簡潔化一,具備“以軟代硬”、“智能終端加斷路器”兩元化模式的智能“集成”特征。

(3) 以放射式配電結構為主,電纜數量大,敷設在封閉式悶頂或橋架中,供電距離經常至數百米,受環境潮濕、散熱條件差、位置隱蔽、難以檢修等因素影響,電纜絕緣性能下降嚴重,易產生故障隱患。這一特點要求低壓配電系統具備通過潮流計算與分析預知發現電纜絕緣降低安全隱患的智能“預測”功能。

(4) 用電設備密集度高、運行空間相對封閉、潛在電氣火災隱患大,火災發生時人員疏散、救援難度大。這一特點要求低壓配電系統具備通過負荷的工況信息和數據分析,準確預估、預警潛在電氣火災的智能“預測”功能。

(5) 在運營高峰與低谷時用電負荷狀態變化大,有較大的節能和優化的空間。這一特點要求低壓配電系統能統計用電規律、預測負荷、優化管控低壓配電設備和低壓配電網運行模式,具備智能“預測、優化”功能。

2 城市軌道交通低壓配電系統智能化管控終端設計

2.1 低壓配電系統管控終端裝置的硬件設計

針對上述城市軌道交通配電系統特點及實現其智能化的必要性,結合智能電網特征要求,設計的管控終端結構原理圖如圖1所示,包括基于雙CPU(中央處理器)結構(DSP(數字信號處理器)加單片機)的主機及其接口 A、向前測控通道B和向后測控通道C三個環節。

圖1 城市軌道交通低壓配電系統智能化管控終端結構原理圖

主機及其接口環節A由DSP系統模塊、CPLD(可編程邏輯器件)邏輯與組合系統模塊、鍵盤模塊、單片機系統模塊、磁耦合器、以太網口模塊、串行通信口模塊和液晶顯示模塊組成。向前測控通道環節B由回路三相電壓檢測模塊、回路三相電流檢測模塊、回路剩余電流檢測模塊、信號調理模塊、回路溫濕度檢測模塊、遙信量檢測模塊組成。向后測控通道環節C由多個功率光電耦合器和開出回路組成。

2.2 低壓配電系統管控終端的工作原理及測控算法

實際工作中,該裝置信號調理單元4將由三相電壓檢測模塊1、回路三相電流檢測模塊2、回路剩余電流檢測模塊3分別送入的三相電流、三相電壓、剩余電流、電流電壓相位差信號進行放大、限幅、濾波、隔離、變換,再送入含有內置A/D(模數轉換)轉換器的DSP系統模塊9進行采樣與如下處理。

(1) 對于實時采集的三路電壓、電流信號利用交流電量采樣技術和三相瞬時無功理論計算其電壓、電流效值,不平衡電壓/電流值,有功、無功、視在功率,功率因數,諧波電流含量和累計做功總能量等。其中基于瞬時無功理論的ip-iq諧波電流檢測方法如圖2所示。

圖2 ip-iq諧波電流檢測方法原理圖

利用計算出來的各種電參數值分別與預先設定在內存中的閾值做比較,按照配電保護理論完成對配電回路的Ⅰ段、Ⅱ段、瞬時過電流保護,不平衡保護,電壓過低、過高、錯序或缺相保護,合相負荷保護。分析這些獲得的實時工況參數并與存儲在內存中的回路故障標準特征庫比對,完成對配電系統故障診斷;利用記錄的歷次和本次城市軌道交通運營高峰與低谷時間段內的工況參數,基于灰色預測理論建立回路的負荷動態預估數學模型。

(2) 對于實時采集的一路剩余電流采用自相關理論法分析,給出回路絕緣和潛在電氣火災危險故障的狀況判斷。

此外,由回路溫濕度檢測模塊5輸出的(電纜溝或環境)數字式溫濕度信號,直接通過磁耦合器6隔離由DSP系統模塊9采集處理,當溫濕度超過閾值時給出報警或跳閘命令;回路工作狀態信號(如斷路器位置、低壓柜抽屜位置)由遙信量檢測模塊7采集、處理,經磁耦合器8隔離送入CPLD邏輯與組合系統模塊10中進行邏輯判斷運算。

2.3 低壓配電系統管控終端的試驗

用JCD4046精密測試電源、MFTB-3多功能繼電保護測試裝置、HR220-1電弧發生裝置等對本管控終端進行試驗。摘錄含有21次諧波時的功率及電能計量測試數據如表1所示,其中cosα=0.500,CT變比=5/5,基波參數Uaf=Ubf=Ucf=220 V、Iaf=Ibf=Icf=5 A,諧波參數Uah=Ubh=Uch=100 V、Iah=Ibh=Ich=2 A。從表1可知,該終端能將21次的諧波電能從總能量中分開計量,誤差不超過±0.5%。

表1 配電系統含有21次諧波時的功率及電能計量測試

該終端其余功能、性能的試驗數據在此不再贅述。綜合測試結果表明其對各項運行參數測量誤差均不超過±0.5%,保護、控制、狀態監測、測量、計量、負荷預估與優化等功能完善可靠。

3 用管控終端實現城市軌道交通低壓配電系統智能化的方法

3.1 用管控終端實現城市軌道交通低壓配電設備智能化

因本管控終端的各項功能均來自于智能電網特征要求,故將其直接嵌入到低壓配電設備中,替代設備中已有的多功能數字儀表(含普通儀表、作為內部考核用的電度表)、斷路器的智能控制器、以太網網關、PLC控制器等二次元件,既使低壓配電設備結構簡化成“管控終端加開關本體”二元化模式,符合了智能電網對智能設備的“一次加二次”物理形態要求,又使其具備了“信息化、自動化、集成一體化”的智能特征。其中開關本體負責開斷配電回路電流,管控終端完成回路的智能脫扣保護(開關本體附帶的脫扣器可取消或選用低版本配置)、全景數據測量、故障預測、自愈優化控制等。

3.2 用管控終端實現低壓配電系統智能化的工程應用

在某市地鐵3號線長樂坡站降壓變電所低壓配電系統中,將該管控終端配置在進線、母聯、三級負荷總饋線、至環控電控室總饋線等重要回路中,實現:①各智能斷路器遙控、遙信;②各回路全景數據測量、分析、統計;③各回路電纜絕緣降低、短路、過載等故障診斷,潛在電氣火災事故防控;④低壓配電系統供電方式結構的優化與自愈控制;⑤低壓配電系統能量管理;⑥低壓配電系統負荷預測預估;⑦進線、母聯、三級負荷總開關間的邏輯互鎖;⑧變電所備用發電機電源的自動啟動、投切、互鎖。此工程的部分配電一次回路及實物圖如圖3所示。近半年的在線試運行證明,該管控終端能滿足智能化配電的各項需求,有效實現軌道交通低壓配電系統的智能化。

圖3 用管控終端實現的智能化低壓配電系統一次回路及設備實物圖

3.3 用管控終端實現低壓配電系統智能化的技術經濟分析

與現有技術相比,以本管控終端為核心實現智能低壓配電系統的有益技術經濟效果是:

(1) 將配電回路中二次部分集成為一標準組件,嵌入配電設備儀表視窗中,節省了分散二次元件物理空間、互換性好,且配線簡潔,柜中裝載回路個數增加,系統所需柜體數量相對減少;

(2) 配電系統在原有常規保護、監控技術條件基礎上,增加了“自愈、預測、優化”等智能化功能特征,且僅需通過電力潮流分析和數據挖掘,可將低壓配電系統能量管理(EMS)、電氣火災防控系統自融為一體,無需額外增加專有系統;

(3) 系統保護、監視、控制、分析等功能基于不同算法實現,以軟代硬、對外接口標準統一、柔性與兼容性強;

(4) 配電設備簡化成二元化結構模式,功能區明顯,故障節點減少、定位清晰,維護容易,設備可靠性提高;

(5) 在實際工程應用中,實現具有相同功能的智能低壓配電系統,投資成本可下降20%左右。

4 結論

(1) 實現城市軌道交通低壓配電系統智能化,是城市軌道交通系統特點和智能電網框架對低壓配電系統的新要求,是城市軌道交通系統減少事故、提高電能效率和服務水平、保障正常運輸秩序、降低運營成本、減少經濟損失的重要手段。

(2) 本文設計的管控終端,其涵蓋的各項功能來自于智能電網特征要求,將其嵌入到低壓配電設備中,能使低壓配電系統及其設備直接具有“信息化、自動化、集成一體化”的智能化特征。

(3) 本文設計的管控終端,內含檢測、預測、控制等多種算法,以軟代硬、柔性好,經試驗與在某市地鐵3號線長樂坡站試用,證明其功能完善可靠、參數測量精度高、能簡潔實現低壓配電系統的智能化、顯著提升低壓配電管控水平和運營品質,具有良好的工程實用價值。

[1] 宋新啟.基于智能低壓配電系統的地鐵配電電能管理系統[J].城市軌道交通研究,2012(12):114.

[2] 袁建紅.智能低壓配電系統在地鐵中的應用[J].低壓電器,2010(1):20.

[3] 陳平,王宏.智能低壓配電系統的分析及實現[J].低壓電器,2010(21):25.

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Design of Low Voltage Power Distribution System for Urban Mass Transit Intelligent Terminal DeviceSUN Jianxin

An intelligent terminal device with the function of management and control is designed to enhance the flexibility and intelligence of the low voltage power distribution system for urban mass transit. Based on the integration of power parameter measurement, load forecast and optimization, protection and control, a sort of flexible measurement and control software is used in the device which consists of a dual CPU structure, and is embedded in the low voltage power distribution equipment. The device will strengthen urban rail transit system in an intelligent model with flexible characteristics, covering information, automation and integration. While adopted on metro line in a city, the intelligent terminal device exhibits the characteristics of high measurement precision, high reliability and perfect functions. It could meet the demands of intelligent low voltage distribution system and is expected to have practical values.

urban mass transit; low voltage power distribution system; intelligent terminal device

U 231.8; U 224.3

10.16037/j.1007-869x.2016.05.009

2015-08-27)