城市軌道交通智能供電系統框架及功能設計

何 斌，張華志，溫建民，王開康

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 引言

目前，城市軌道交通憑借其大運量、快速度、高可靠性、節能環保等優點，成為我國城市交通運輸體系的重要組成部分。城市軌道交通供電系統作為保證城市軌道交通正常運行的重要系統，不僅為電動列車提供牽引用電，還為其他運營服務設施（如照明、通風、空調、給排水、通信、信號、防災報警、自動扶梯等系統）提供電能，應具備安全可靠、技術先進、綠色低碳等特點。

城市軌道交通供電系統是一個多輸入、多輸出、非線性時變的復雜結構，涉及的設備眾多，其運營維護目前面臨著諸多問題：現有故障檢測和分析手段不夠智能，難以對設備健康狀況進行評估，無法預判故障；故障發生后，故障診斷和原因分析耗時較長，易引發較長時間的停電、停運；日常維修通常采用計劃修模式，難以避免對大量健康狀態良好的設備進行維修、更換，導致大量人力、物力、財力的浪費，增加運營成本；能源管理以監測為主，缺少有效的調節控制手段，導致設備長期處于高能耗、低效率的運行狀態[1]。

為解決上述問題、落實國家雙碳戰略、順應《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》要求、實現城市軌道交通的綠色低碳運行，將先進的測量、傳感、控制、通信、信息、人工智能等技術應用到供電系統中，打造城市軌道交通智能供電系統，十分必要[2-3]。

2 城市軌道交通供電系統概述

城市軌道交通供電系統由主變電所（分散供電時為開閉所）、中壓網絡、牽引降壓混合變電所、降壓變電所、牽引網、電力監控及其輔助監控系統（如能源管理系統、雜散電流監測系統、可視化接地監控系統等）組成[4]。

其中，主變電所負責將高壓110 kV電源降壓為35/10 kV電源，再通過中壓網絡將降壓后的中壓電源輸送到沿線各站的變電所，由變電所將中壓電源降壓（或降壓整流）為車輛、機電設備適用的低壓電源，并通過牽引網輸送給沿線運行的車輛。電力監控及其輔助監控系統負責對各供電設備進行監控、調度和管理，以保證供電系統的正常運行。

3 智能供電系統定義及功能需求

3.1 定義

目前，城市軌道交通供電系統的智能化處于探索階段，尚無成熟的定義、標準體系和架構要求。本文根據城市軌道交通智能供電系統的服務對象、功能需求等，參考相關領域對智能電網（供電）的定義，結合現代技術的發展，將其定義為：運用先進的傳感、測試、信息、通信、計算機、控制、大數據、物聯網、人工智能等技術，具有全息感知、信息交互、自愈重構、快速響應、節能控制、智慧運維等功能，提供更加可靠、安全、經濟電力供應的城市軌道交通電力系統[5-6]。

3.2 功能需求

城市軌道交通智能供電系統的功能需求涵蓋全息感知、信息交互、自愈重構、快速響應、節能控制、智慧運維6個方面，如圖1所示。

圖1 智能供電系統功能要求

（1）全息感知。通過先進的傳感器、視頻采集器等對供電設備進行實時、全方位的的信息反映，是智能供電系統的信息來源和數據基礎，包括對變壓器、開關柜、電纜、整流器、接觸網等設備的溫度、位移、振動、局部放電、噪聲等信息的全方位感知[7]。

（2）信息交互。通過先進的信息、通信技術實現設備、系統、線路之間的信息交換和相互驅動；采用統一的通信協議，構建實時的傳輸網絡，實現信息的數字化、通信平臺的網絡化、信息共享的標準化。

（3）自愈重構。通過全息感知、信息交互、人工智能等技術，對故障進行識別和定位，并采取相應的故障自愈重組策略，通過一系列作業實現故障點隔離、自愈重組、自動恢復供電運行等[8]。

（4）快速響應。通過全息感知、信息交互、自愈重構等技術，實現供電系統對緊急情況的快速反應，以縮短停電時間，提高服務水平。

（5）節能控制。通過全息感知、信息交互、人工智能等技術，對電、水、氣等能源消耗進行管理和數據分析；基于客流、環境關聯分析，通過智能化的控制策略，實現對機電設備的智能化節能控制。

（6）智慧運維。通過全息感知、信息交互、人工智能、視頻巡檢等技術，實現供電系統設備運行狀態的可視化，以及運營維護、故障處理、應急管理的智能化，有效控制風險，顯著降低運維成本。

4 智能供電系統設計

4.1 系統框架

通過上述對城市軌道交通智能供電系統定義和功能需求的分析，本文根據城市軌道交通供電專業的特點、管理體制和分工，將城市軌道交通智能供電系統按功能分為智能供電設備、智能供電調度、智能能源管理和智能供電運維4大模塊[9]，如圖2所示。

圖2 城市軌道交通智能供電系統框架

（1）智能供電設備模塊。該模塊由城市軌道交通變電所的智能開關設備（AC110kV氣體絕緣組合電氣設備（GIS）、AC35kV開關柜、DC1500V開關柜、AC0.4kV開關柜等）、變壓器（110/35 kV主變壓器、干式配電變壓器、接地變壓器、整流變壓器、雙向變流升壓變壓器等）、蓄電池、變流及其他直流設備（整流器、雙向變流器、負極柜、鋼軌電位限制裝置等）、牽引網（接觸網/軌、鋼軌等）、電纜及附屬材料（電纜、電纜頭）等組成。各智能供電設備分別由設備本體、集成于本體設備的傳感器和必要的智能組件構成。

（2）智能供電調度模塊。該模塊為基于IEC 61850通信協議的智能供電監控系統，包括智能變電站站級監控系統和中央級監控系統2部分。

（3）智能能源管理模塊。該模塊由智能能源監控系統、分布式能源及并網管理系統組成。

（4）智能供電運維模塊。該模塊由供電設備狀態監測系統、供電設備健康管理系統、供電生產管理系統、供電輔助監控系統、供電設備資產管理系統、供電專家分析系統、培訓系統等組成。

4.2 功能設計

本節將根據上述確定的系統框架，對各模塊的具體功能進行設計。

4.2.1 智能供電設備模塊

智能供電設備模塊的設置旨在實現城市軌道交通變電所各設備的測量數字化、控制網絡化、狀態可視化、信息互動化，因此應在滿足常規供電設備技術標準要求的前提下，根據工程實際需求，為其添加數字測量、網絡控制、狀態評估、信息互動相關的全部或部分智能化功能。各設備的具體功能設置可參考GB/T 30155-2013《智能變電站技術導則》[10]中的規定。

4.2.2 智能供電調度模塊

智能供電調度模塊的設置旨在實現全站通信協議的標準化以解決互操作性問題，利用GOOSE協議的快速傳輸特性以解決設備間信息傳輸的實時性和共享問題，以及實現全系統繼電保護模式的智能選擇及二次回路的網絡化。其功能設計的重點是實現智能供電監控系統的自愈重構和智能調度。

（1）自愈重構。供電系統永久性故障發生后，智能供電監控系統將對故障進行識別和定位，采取對應的故障自愈重組策略，通過一系列倒閘作業實現故障點隔離、自愈重組、自動恢復供電運行等[11]。

（2）智能調度。智能供電監控系統可在設備發生故障的情況下完成故障狀態自動響應、應急方案自動生成和觸發、線網級負荷預測、線網級能源智能優化調度、多專業協同等操作[12]。

4.2.3 智能能源管理模塊

（1）智能能源監控系統通過對全線的電、水、氣等能源消耗數據進行監測、統計和分析，實現對各設備基于實時客流、外部環境變化的節能優化控制[13]，具備車站設備節能控制、運控節能控制兩大功能：①車站設備節能控制是指基于實時客流、環境參數等，利用大數據、人工智能等先進技術，對車站通風、空調、照明、電梯等系統進行實時監測和智能控制，實現其最優化、節能運行；②運控節能控制是指利用基于列車運行控制的節能技術，提供線-車-圖-網融合的一體化節能解決方案和控制方法。

（2）分布式能源及并網管理系統可實現光伏發電、風電、儲能裝置等分布式能源在城市軌道交通中的應用，并對其進行并網管理、潮流優化、節能及智能化控制。

4.2.4 智能供電運維模塊

智能供電運維模塊的設置旨在實現對城市軌道交通供電系統運維相關數據的智能感知、智能分析，運維資源的智能配置，以及運維決策的智能執行，以推動運維管理方式從被動維修向主動健康管理轉變，從而提高生產效率[14]。其各子系統的功能設計具體如下。

（1）供電設備狀態監測系統。對各變電所設備、全線接觸網設備的狀態信息進行實時監視，對設備運行、絕緣、發熱、放電等狀態以及環境參數等進行智能感知，對故障、入侵等非正常情況進行報警、聯動。

（2）供電設備健康管理系統。對供電系統運行、檢修、維護等相關數據進行處理和分析，實現對供電設備的故障診斷、健康評估、壽命預測、維修輔助決策等。

（3）供電生產管理系統。為供電生產管理工作（如設備巡檢、試驗、維護，編制生產計劃、維修工單，開展安全管理等）提供功能支持、流程管控、閉環管理、數據保存等服務。

（4）供電輔助監控系統。該系統是指除智能供電監控系統外的其他輔助性監控系統，包括雜散電流監測、可視化接地監控、隔離開關集中監控等系統。這些輔助監控系統宜進行整合，通過統一平臺實現一體化。

（5）供電設備資產管理系統。該系統負責對供電設備及材料相關的生產、安裝、維保、備品備件等信息以及技術資料等進行全過程動態管理。

（6）供電專家分析系統。該系統具有故障預測、風險評估等功能，可對故障進行智能預測，給出故障可能發生的時間、位置、影響范圍及處置方案等；分析供電系統靜態及動態風險點，對可能出現的超負荷進行預警，并評估系統風險。

（7）培訓系統。該系統可基于三維模型、虛擬技術、信息化技術進行仿真教學、培訓等。

5 結語

城市軌道交通智能供電系統具有全息感知、信息交互、自愈重構、快速響應、節能控制、智慧運維等功能，可為城市軌道交通提供更加可靠、安全、經濟的電力供應，保障其安全、順暢運營。本文針對目前城市軌道交通供電系統運營維護中存在的問題，在系統闡述智能供電系統的定義和功能需求的基礎上，構建智能供電系統框架，并針對其各組成模塊進行具體功能設計，以期為促進城市軌道交通供電系統的智能化發展提供參考和借鑒。