城市軌道交通電能質量管理系統的設計和實現

張振華

摘 要 城市軌道交通系統中環控和機電設備、供電系統、牽引系統等技術的飛速發展為城市軌道交通的高效運營提供便捷，但同時也為供配電系統引入了各類電能質量問題。本文首先闡述了城市軌道交通電能質量研究現狀，然后詳細介紹了城市軌道交通電能質量管理系統的設計和實現，重點描述了前置采集層、數據庫層和應用層的實現，最后簡單介紹了系統的主要功能。實驗室運行結果表明，該系統能夠提供合理的能效策略，有效提供能源的利用效率，帶來一定的經濟效益。

【關鍵詞】軌道交通 電能質量

當前近年來，國家發改委和科技部明確提出了“建設我國節能型綜合交通運輸體系”的設想。城市軌道交通系統中環控和機電設備、供電系統、牽引系統、管理系統等技術的飛速發展為城市軌道交通的高效運營提供便捷，同時為供配電系統引入了非線性、波動性、沖擊性和不平衡特性等電能質量問題。低效的電能質量可能會造成設備退出運行，使保護裝置誤動、拒動，同時還會影響系統工況，嚴重威脅系統安全，從而大幅降低運載效率，對社會經濟造成較大損失。電壓波動和閃變也會降低設備使用壽命，增加設備運維成本。不僅如此，電能質量的污染還會對通信產生干擾，影響車輛及站內信號傳輸。

目前城市軌道交通的運營部門已提高了對電能質量的認識，越來越多的用戶參與到前期建設中，提出了更高質量的用電需求。提高電能質量、滿足生產發展需求已經成為供用電雙方的共同愿望。深入分析和研究電能質量問題，是適應市場競爭和可持續發展所必需的。

本論文將從系統理論出發，建立系統級平臺，通過采集數據，對系統功能進行設計和實現，為軌道交通系統的節能設計、應用改造、管理規范的制定提供理論基礎。

1 系統設計思想

1.1 系統架構

如圖1所示，本系統采用分層設計，共分三層系統監管中心層、車站層和網絡層。

1.1.1 系統監管中心層

系統監管中心負責采集各車站或車輛段的電能質量數據，并對其進行統計分析。該中心主要包括前置采集系統服務器、數據庫服務器、Web服務器、操作工作站等設備。

1.1.2 車站層

車站層主要包括數據集中器和各種監測設備。數據集中器對車站或車輛段內的監測設備的數據采集、存儲，及與系統監管中心進行數據的交互功能。監測設備。監測設備負責實時監測、采集相應線路的各種電能質量信息。

1.1.3 網絡層

網絡層完成系統監管中心與各車站或車輛段的通信。實現大容量實時數據的高速匯集傳輸，確保系統監管中心能夠快速、準確得到所有監測數據。

1.2 系統軟件方案

依據大數據分析技術，并結合本公司在軌道交通能源監測、控制和運營管理方面的研究成果，提出一套城市軌道交通電能質量管理系統的軟件設計方案，如圖2所示。

該方案共分三層前置采集層、數據庫層和Web服務器層。前置采集層從各個車站或車輛段的數據采集終端采集電能質量數據，并進行相應的統計計算，最后把原始電能質量數據和統計分析結構都存儲到入庫文件中。數據庫層一方面實時搜索入庫源文件，然后把源文件中的數據寫入到數據庫中；另一方面為Web服務器層提供數據源。Web服務器層主要是提供各種實際的應用功能，以供用戶對電能質量數據的查看和設置。

3 關鍵技術及系統實現

3.1 前置采集層程序實現

前置采集層分兩個功能模塊：采集服務和計算模塊。該層采用ACE（Adaptive Communication Environment）框架進行設計。

3.1.1 采集服務

采集服務主要建立與數據采集器建立傳輸通道和定時生成采集任務。

（1）建立傳輸通道：采用ACE異步連接類和服務處理類。建立連接的過程：創建異步主動連接，在進行異步連接時，創建新的服務處理類，并將該服務類傳遞給異步連接類，這樣數據的傳輸就交給服務類去執行。實現服務處理子類中提供的掛鉤方法，并通過創建ACE_Sock_Stream和異步讀寫流類來進行異步通信。

（2）定時生成采集任務：定時采集任務的生成主要使用ACE_Reactor的定時機制，該機制接受事件處理器，以及以ACE_Time_Value對象形式出現的延遲對味參數。此外，可以指定時間間隔，使定時器在它超時后自動恢復。在事件超時的時候適當的調用事件處理器的handle_timeout（）方法。

3.1.2 計算模塊

計算模塊接收從規約模塊傳遞過來的源電能質量數據，然后對其進行統計分析。本系統目前只實現了如下對象統計分析功能：

電量、三相電壓/電流的系數換算（CT＼PT）；三相電壓/電流的最值、均值、參考值和偏差；基波電壓/電流的的最值、均值和參考值；諧波電壓/電流含有率的最值、均值和參考值。

其中參考值的取法為：95%概率值，即將各次測量值按從大到小的順序排列，去除總數的5%的較大值，取其剩余95%中最大的那個測量值作為代表值。

3.2 數據庫層設計

數據庫層可分為兩部分：數據庫和入庫模塊。數據軟件采用Oracle 數據庫，用來存儲和管理電能質量在線監測系統中各站點監測裝置上傳的監測數據、經統計分析程序處理后的數據，以及系統的配置信息，并為系統中的Web 服務器模塊提供數據檢索等服務。入庫模塊是前置采集層和數據庫之間的通道，前置采集模塊產生入庫文件，入庫模塊則把入庫文件中的數據存儲到數據庫中。下面將對這兩部分做詳細介紹。

3.2.1 數據庫設計

通過對用戶需求的調研分析，本系統涉及到的數據分為四類：設備信息、電能質量數據信息、事件信息、其它信息。從這四類中信息中共抽象出車站資料表表、監測設備資料表、用戶表、設備小時電量原始數據表、設備日統計電量表等實體。

數據檢索是城市軌道交通電能質量監測系統的主要功能，而且電能質量的統計及分析也要以大量數據檢索為基礎。所以數據檢索速度的快慢直接影響系統的性能，并結合本系統的特點，采用索引和分表存儲來改善系統性能。

索引的建立：本系統中對訪問比較頻繁的逐時電能質量數據表，在其表計號，日期列上建立樹索引。

分表管理：對系統中數據量較大的表采用分表存儲，每個表都可以單獨管理。在執行針對小范圍的語句時，所有和本次操作無關的表都不會參與運算，能大大減少語句執行所需的時間。

3.2.2 入庫模塊的設計及實現

入庫模塊的主要功能是把入庫文件中的數據存儲到數據中。數據入庫的方式包括：批量入庫（插入insert）。批量入庫會設置一個批量提交的變量，當插入的數據達到該變量所設的值時，自動執行提交事務，如果提交成功則執行下一次批量插入，否則該次插入的所有數據均插入失敗，要一條一條的更新數據。數據更新（更新updata）。只能一條一條的執行，所以該時候入庫速度較慢，該方式發生在批量插入失敗的時候，而且要更新數據的表一定要有主鍵存在。流程圖如圖3。

3.3 Web服務器層

為了更好的實現系統的遠程監測和管理，軌道交通電能質量監測系統的應用層采用B/S架構。Web服務器選用Apache。

該軟件平臺的主要功能包括電量查詢、電壓分析、報表、告警等功能。

3.3.1 電量查詢

電量查詢主要功能是查詢車站、線路、監測點的電量數據，可按統計類別（小時，日，月，年）等類別進行查詢，電量查詢界面如圖4。

3.3.2 電壓分析

電壓分析模塊可以按日、月、年查詢任意計量點的三相電壓最大值及發生時間、最小值及發生時間、平均值和參考值。電壓分析界面展示如圖5所示。

3.3.3 報表定制

提供靈活的圖形界面報表工具，可生產任意格式自定義報表；所有系統報表均支持手動生產和定期自動生成功能，支持Excel、PDF等多種格式，用戶可方便進行編輯和打??；提供自定義報表功能，用戶可以定制自己喜歡的各類報表的樣式和內容。報表定制功能展示如圖6所示。

3.3.4 報警管理

系統提供靈活、豐富的告警管理功能，對設備運行狀態、儀表故障、數據異常等事件進行告警；可靈活設置不同的預報警條件、目標限值等；支持聲音、閃爍條等多種報警方式；報警信息支持通過消息或短信方式提醒管理人員。報警管理展示如圖7所示。

4 結論

本文從系統理論出發，建立了一套適用于城市軌道交通電能質量管理系統的軟件平臺，為軌道交通系統的節能設計、應用改造、管理規范的制定提供理論基礎，協助運營單位提高電能的管理效果和管理水平。通過對電能質量數據的綜合評估，提高供電系統的穩定性和可靠性，并根據電能的實際使用情況和電能質量的綜合評價，減少供電設備實際損耗、提高供電系統電能質量效率、延長設備的運行使用壽命。

參考文獻

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作者單位

天津凱發電氣股份有限公司 天津市 300000