物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力雙源無軌電車供電系統(tǒng)智能化

■ 金曉霖 楊 斌

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力雙源無軌電車供電系統(tǒng)智能化

■ 金曉霖 楊 斌

作為連接供電線網(wǎng)的重要元件，隔離開關(guān)承擔(dān)著電氣隔離和電能輸送的任務(wù)。隔離開關(guān)的操作依靠人工現(xiàn)場完成，不僅效率低而且線網(wǎng)停電時(shí)間長，會影響雙源無軌電車的正常行駛和充電。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能隔離開關(guān)通過遠(yuǎn)程后臺即可完成分合閘控制，并能實(shí)時(shí)采集線網(wǎng)電壓，顯著提高線網(wǎng)的供電質(zhì)量和管理水平，可實(shí)現(xiàn)雙源無軌電車供電系統(tǒng)整體智能化。

1 北京公交雙源無軌電車及其供電系統(tǒng)

北京公交集團(tuán)目前運(yùn)營的雙源無軌電車超過1200輛，供電線網(wǎng)200雙對公里以上，運(yùn)營線路30條。雙源無軌電車的動(dòng)力來源主要是道路上方架設(shè)的供電線網(wǎng)，供電站將交流10kV電能轉(zhuǎn)換為直流電能，通過饋線電纜傳輸?shù)金侂姼綦x開關(guān)，由隔離開關(guān)將電能輸送到供電線網(wǎng)。供電線網(wǎng)可為雙源無軌電車提供直接驅(qū)動(dòng)車輛行駛的電能，也能為車載儲能設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的充電電流。供電站、饋線電纜、饋電隔離開關(guān)和供電線網(wǎng)構(gòu)成了雙源無軌電車供電系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 雙源無軌電車供電系統(tǒng)示意圖

雙源無軌電車供電系統(tǒng)不僅要為車輛提供動(dòng)力和充電能源，還要為車輛上裝設(shè)的空調(diào)(暖氣）、氣泵等設(shè)備提供電能。隨著電車數(shù)量的增加，供電系統(tǒng)的負(fù)荷大幅度上升，易導(dǎo)致電站供電設(shè)備、地下電纜接頭過熱和絕緣老化等問題，在維修供電設(shè)備時(shí)無法給線網(wǎng)提供電能。另外，城市道路等施工作業(yè)也會使供電電纜被截?cái)唷p壞接地。當(dāng)出現(xiàn)上述問題時(shí)，需要斷開饋電隔離開關(guān)，將問題電纜和對應(yīng)線網(wǎng)進(jìn)行隔離，并使用相鄰線網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)應(yīng)急供電，保證車輛正常運(yùn)行。

供電線網(wǎng)作為雙源無軌電車的動(dòng)力來源，其電壓分布也會影響車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正常工作。當(dāng)長距離供電線網(wǎng)下出現(xiàn)車輛密集行駛時(shí)，線網(wǎng)末端電壓普遍偏低。一般來說，車輛正常行駛的最小驅(qū)動(dòng)電壓不應(yīng)低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的20%，即使在極端情況下也不能低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的30%。同時(shí)，線網(wǎng)作為電車的充電網(wǎng)絡(luò)，其電壓的波動(dòng)情況也會影響車載儲能裝置的正常充電，以750V供電系統(tǒng)為例，車載鋰電池的正常充電電壓范圍是608V～900V。因此，對線網(wǎng)電壓特別是末端電壓的測量監(jiān)視尤為重要，當(dāng)發(fā)現(xiàn)供電電壓偏低時(shí)，可進(jìn)行末端均壓等操作，以提高線網(wǎng)末端供電電壓。

供電線網(wǎng)的管理如隔離、聯(lián)絡(luò)以及末端電壓測量等操作，一直以來采取現(xiàn)場人工方式。由于饋電隔離開關(guān)設(shè)置在供電線網(wǎng)附近，聯(lián)絡(luò)應(yīng)急供電和末端電壓測量也必須到線網(wǎng)末端完成，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，工作人員必須迅速趕到現(xiàn)場進(jìn)行操作，以盡快對線網(wǎng)進(jìn)行隔離并恢復(fù)供電。由于供電線網(wǎng)分布范圍廣，人員和架線車輛到達(dá)現(xiàn)場的時(shí)間較長，當(dāng)遇到城市早晚高峰時(shí)，恢復(fù)供電的時(shí)間更長。北京公交高峰期人員和車輛到達(dá)現(xiàn)場的時(shí)間有時(shí)會超過2個(gè)小時(shí)，嚴(yán)重影響了車輛的正常供電和充電。

北京公交雙源無軌電車供電系統(tǒng)智能化的箱式電站（圖2）、遠(yuǎn)程后臺系統(tǒng)（圖3、圖4、圖5）、全新的故障檢測技術(shù)和信息交互技術(shù)已讓供電站實(shí)現(xiàn)了無人值守。智能化的箱式和房式電站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了各類電量與非電量的數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)測、故障自動(dòng)識別、供電自動(dòng)恢復(fù)、設(shè)備遠(yuǎn)程控制等。相比之下，供電線網(wǎng)的管理還停留在上世紀(jì)90年代水平，不僅操作效率較低，而且容易導(dǎo)致線網(wǎng)長時(shí)間無法正常供電。

圖2 北京公交電車供電系統(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行的箱式供電站

圖3 北京公交電車供電系統(tǒng)遠(yuǎn)程后臺

圖4 新型隔離開關(guān)和遠(yuǎn)程后臺拓?fù)鋱D

圖5 現(xiàn)場運(yùn)行的智能遠(yuǎn)程饋電開關(guān)箱和聯(lián)絡(luò)開關(guān)箱

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能隔離開關(guān)及其應(yīng)用

為了減小線網(wǎng)停電時(shí)間，提高隔離開關(guān)的操作效率，利用通信手段實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)的遠(yuǎn)程控制和線網(wǎng)電壓數(shù)值的實(shí)時(shí)監(jiān)測是最為便捷可行的方式。由于供電線網(wǎng)廣泛分散在城市街道，采用有線通信方式必然會導(dǎo)致通信電纜重新鋪設(shè)，對各個(gè)城市而言很難做到。面對這個(gè)難題，可借助當(dāng)前迅猛發(fā)展的基于無線通信的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)，英文名稱IoT（Internet of things），簡單地說就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中。物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)方向很多，如3G/4G，GPRS，NB-IoT，Lora，Sigfox等。考慮到供電線網(wǎng)在城市中分布區(qū)域廣，開關(guān)操作和電壓測量的數(shù)據(jù)交互量不大的特點(diǎn)，可選擇覆蓋面較廣且應(yīng)用成熟的GPRS技術(shù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能隔離開關(guān)具有如下功能特點(diǎn)：可借助運(yùn)營商成熟的網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程后臺進(jìn)行連接，在幾十秒內(nèi)即可完成開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)兩側(cè)電壓、開關(guān)箱內(nèi)溫度等數(shù)據(jù)采集，也可由后臺下發(fā)指令對開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程分合閘操作；可支持現(xiàn)場WIFI連接，考慮到隔離開關(guān)經(jīng)常安裝在人員不易操作的位置，通過WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)交互可大大減輕設(shè)備現(xiàn)場維護(hù)的工作量；隔離開關(guān)操作時(shí)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電壓互鎖，防止開關(guān)帶電壓、帶負(fù)荷操作；能夠?qū)﹂_關(guān)、儲能設(shè)備、控制器等關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。

智能隔離開關(guān)能夠根據(jù)雙源無軌電車供電系統(tǒng)的工作要求完成多種應(yīng)用。

（1）供電線網(wǎng)電壓分布測量。通過對線網(wǎng)電壓的數(shù)據(jù)采集，特別是在早晚高峰車輛擁堵密集時(shí)，可以評估供電線網(wǎng)能否為車輛行駛提供足夠的動(dòng)力電源和充電電壓；后臺系統(tǒng)可對所采集的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析，為線網(wǎng)的布局和配置提供大數(shù)據(jù)依據(jù)。供電線網(wǎng)電壓分布測量如圖6所示。

（2）地下電纜絕緣檢測。當(dāng)智能隔離開關(guān)和供電站結(jié)合起來時(shí)，可高效率地完成針對地下電纜的絕緣檢測（圖7）。通過遠(yuǎn)程后臺系統(tǒng)閉合供電站內(nèi)某個(gè)直流饋線斷路器，斷開其余直流饋線回路，并將該直流饋線對應(yīng)的饋電隔離開關(guān)斷開，此時(shí)使用供電站內(nèi)的絕緣檢測設(shè)備即可評估該饋線電纜對地的絕緣泄漏情況。考慮到遠(yuǎn)程后臺系統(tǒng)對隔離開關(guān)操作的高效性，可以定期對所有直流饋線電纜進(jìn)行絕緣泄漏評估，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并對比，以了解饋線電纜對地泄漏的變化。

雙源無軌電車的動(dòng)力技術(shù)、電池技術(shù)以及集電桿取電方式近年來發(fā)生了日新月異的變化。北京、濟(jì)南、青島等多個(gè)城市的雙源無軌電車供電站已完成了全面自動(dòng)化和無人值守，在大幅度提高電站工作效率和各類判斷準(zhǔn)確率的同時(shí)，顯著降低了人力成本。供電線網(wǎng)作為供電系統(tǒng)服務(wù)車輛的“最后一公里”，其供電質(zhì)量與持續(xù)供電時(shí)間等已經(jīng)成為影響車輛正常運(yùn)營的關(guān)鍵，借助當(dāng)前高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能隔離開關(guān)能夠顯著提高供電線網(wǎng)的工作效率，并為整個(gè)供電系統(tǒng)智能化打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖6 供電線網(wǎng)電壓分布測量

圖7 地下電纜絕緣檢測

（金曉霖：蘇州萬龍電氣集團(tuán)股份有限公司；楊 斌：北京公共交通控股（集團(tuán)）有限公司電車客運(yùn)分公司供電所）