電氣自動化在城市軌道交通供電系統中的應用與優化

摘 要：本研究旨在探索電氣自動化技術在城市軌道交通供電系統中的具體應用路徑并提出一系列切實可行的優化措施，力求為構建更加高效、可靠的城市軌道交通體系提供技術支持。期望本文的研究能夠為相關領域的專業人士提供有價值的參考，促進電氣自動化技術在城市軌道交通領域的廣泛應用與發展。

關鍵詞：電氣自動化 軌道交通 供電系統

1 緒論

隨著城市化進程的不斷加速，城市軌道交通作為現代都市公共交通的重要組成部分面臨著前所未有的發展機遇與挑戰：日益增長的客流量對軌道交通系統的承載能力和運營效率提出了更高要求，傳統供電系統存在的諸如能耗高、故障率高以及維護成本高等問題逐漸凸顯，成為制約軌道交通可持續發展的瓶頸。電氣自動化技術憑借高效的數據處理能力、精準的控制功能以及強大的故障診斷優勢在優化城市軌道交通供電系統方面展現出巨大潛力，由此觀之，將電氣自動化技術引入城市軌道交通供電系統，既能夠顯著提升系統的整體性能又能有效應對上述挑戰并推動交通行業的智能化轉型。

2 城市軌道交通供電系統概述

2.1 系統架構

城市軌道交通供電系統是保障列車平穩運行的基礎，核心在于將外部電源轉換為適合列車使用的直流電，這一過程涉及多個環節，從外部電網接入到高壓轉換再到低壓配電，每一個步驟都需要精密的設計與協調。供電系統通常由主變電所、牽引變電所、饋電線、接觸網、回流線以及軌道等部分構成[1]，其中主變電所負責從城市電網接收高壓交流電并將其轉換為適合軌道交通使用的電壓等級，牽引變電所則進一步將電壓降至適合列車牽引電機使用的直流電，作為電力傳輸的最后一環，接觸網直接為列車提供動力，而回流線與軌道共同構成了電力返回的路徑以確保電流的完整循環。

2.2 關鍵技術

支撐城市軌道交通供電系統高效運行的關鍵技術主要包括牽引供電技術和變電所管理技術。牽引供電技術涉及高壓轉換、逆變器控制及電力電子器件的應用，有助于確保電力傳輸的高效與穩定，逆變器是核心部件之一，負責將直流電轉換為交流電以供列車牽引電機使用，先進的逆變器控制系統能夠實現精確的速度調節與能量回饋進而提高系統的整體能效。變電所管理技術也是不可或缺的一部分，它涵蓋變電所自動化監控、遠程控制及故障診斷等多個方面，通過部署SCADA系統（數據采集與監控系統）來實現對變電所設備狀態的實時監控與數據分析，從而及時發現并處理潛在問題。

2.3 發展趨勢

未來的城市軌道交通供電系統的發展趨勢將更加注重智能化與綠色化。隨著物聯網、大數juD6TEbYeF1HeyKQ4QLzGw==據分析及人工智能技術的進步，供電系統將進一步向智能化方向發展，比如通過部署智能傳感器網絡來實時獲取更多元化的運行數據，為精細化管理和預測性維護提供支持。另一方面，綠色能源的應用將成為供電系統的重要發展方向之一，太陽能、風能等可再生能源的引入在減少對化石燃料依賴的同時還能降低運營成本，實現可持續發展目標。儲能技術的進步也將為供電系統的靈活性帶來新的機遇，通過合理配置儲能裝置有效平衡供需矛盾并提高電力使用的經濟性與環保性。在全球范圍內，諸如德國和日本等國家已經開始積極探索新能源在軌道交通領域的應用，為其他地區提供了寶貴的實踐經驗。

3 電氣自動化技術的應用

3.1 智能監控與故障診斷

電氣自動化技術在城市軌道交通供電系統中的應用首先體現在智能監控與故障診斷領域。借助集成先進的傳感器網絡，系統可以實時監測供電狀態，包括電壓、電流、溫度等關鍵參數的變化，這些傳感器不僅分布在變電站內部的關鍵設備上，還廣泛布設于接觸網、回流線等重要位置。傳感器采集的數據通過無線通信技術實時傳輸至中央控制平臺，隨后利用大數據分析技術對海量數據進行處理與分析，快速識別出潛在故障點并進行故障預測[2]。北京地鐵在其供電系統中部署了多種類型的傳感器來實時監測變電站內的變壓器溫度、油位等指標，同時結合歷史數據進行分析，最終達到在故障發生前進行預警的目的，有效避免了因突發故障導致的服務中斷，故障診斷系統還能夠根據故障類型自動啟動相應的應急響應程序，進一步提高了系統的安全性和可靠性。

3.2 能源管理系統的集成與優化

電氣自動化技術還廣泛應用于能源管理系統（EMS）中，主要通過優化能量管理方案提高系統的能效比，減少能耗。EMS集成的云計算和人工智能算法能夠對電網負荷進行精確預測并據此制定合理的用電計劃，舉例來講，系統在早晚高峰時段會自動調整負載分配以確保關鍵線路的電力供應不受影響，而在非高峰時段則通過智能調度減少不必要的電力消耗。通過整合分布式能源資源（如太陽能光伏板和儲能裝置），EMS還可以實現能源的多元化供應，進一步降低對傳統電網的依賴[3]。廣州有軌電車項目安裝了光伏發電系統，同時與EMS相結合，既降低了運營成本又促進了可再生能源的利用，該系統通過智能調度將白天多余的太陽能電力儲存起來用于夜間或陰天時的供電，實現了能源的高效利用。

3.3 自動化調度與供電優化

除了智能監控和能源管理，自動化技術也在列車調度與設備維護中發揮了重要作用，即建立基于大數據分析的決策支持系統來實現列車運行計劃的動態調整，確保列車準時發車并按時到達目的地。該系統能夠根據實時客流數據、天氣預報等因素動態調整列車時刻表并優化列車調度方案，主要借助各種智能優化算法對車輛的調度方案進行迭代，迭代結束之后從多種方案中選出符合當前情況的最優調度方案。自動化技術還可以實現對供電系統的智能化管理，自動化調度系統可以根據實時客流數據調整列車發車間隔并通過智能算法優化供電策略，確保關鍵線路的電力供應不受影響，系統還能根據天氣預報等因素提前調整供電計劃，即便在惡劣天氣條件下仍能維持穩定的電力供應。上海地鐵在這方面積累了寶貴的經驗，在自動化調度系統的支持下，上海地鐵能夠根據實時客流數據動態調整列車時刻表，保證運力與需求匹配，減少乘客等待時間，同時系統還能根據設備狀態自動優化供電策略，在減少電力浪費的同時延長設備使用壽命。由此可見，自動化的調度與供電優化不僅有助于提高系統的運行效率，還為乘客提供了更加優質的服務體驗。

3.4 數據驅動的預測性維護

電氣自動化技術在城市軌道交通供電系統中的另一重要應用領域是數據驅動的預測性維護，傳統的電力維護模式往往依賴于定期檢查和事后修復，這種方式效率低下且容易導致設備因突發故障而停運，相比之下，預測性維護持續收集設備運行數據并利用先進的數據分析技術，因而能夠提前識別出設備可能出現的問題，實現在故障發生之前采取預防措施的目的。

預測性維護依賴于先進的數據采集與處理技術以及機器學習算法，數據采集系統將設備運行狀態的信息匯總并通過高速通信網絡傳輸至數據中心，由專門的數據處理平臺進行存儲和分析，隨后利用機器學習算法（如模式識別、分類算法等）來訓練模型識別設備正常運行與故障狀態之間的差異進而實現對潛在電力故障的預測。一些城市的地鐵在其供電系統中采用了預測性維護方案，后者對變電站中的變壓器、斷路器等關鍵設備的狀態進行實時監測并收集各種設備的運行數據，包括但不限于電壓、電流、功率等參數，然后基于收集的數據，維護團隊使用機器學習算法建立了故障預測模型，當模型檢測到某一設備存在潛在故障時系統會自動觸發警報并提供詳細的診斷報告，技術人員因而能夠迅速定位問題所在[4]。系統還會根據設備的歷史數據和當前狀態預測未來的維護需求，從而允許維護人員提前安排檢修計劃，這一方式大大減少了非計劃性的停機時間，同時提高了供電系統的可用性和可靠性。預測性維護既帶來了顯著的經濟效益又產生了積極的社會效益，因為減少了因設備故障導致的服務中斷次數，乘客的出行體驗得到了明顯改善，由于能夠更精確地預測維護需求，過度維護帶來的資源浪費也大大減少。

4 優化策略與案例研究

4.1 智能監控與故障診斷的優化

針對傳感器網絡的優化問題，在城市軌道交通供電系統中可以引入多模態感知技術，即結合視覺、聲音、振動等多種傳感器數據實現對設備狀態的全面感知，比如在變電站內部安裝高清攝像頭來實時監測設備外觀變化，并結合聲音傳感器捕捉異常噪音，最后借助圖像識別與音頻分析技術綜合判斷設備健康狀況并提前預警潛在故障。數據處理和分析方面，利用邊緣計算技術在傳感器端或接近傳感器的位置進行初步數據處理以減少數據傳輸延遲，隨后通過實時分析技術即時反饋異常情況，減少從數據采集到故障響應的時間間隔進而提高系統的響應速度，比如在接觸網沿線部署帶有本地計算能力的傳感器節點，實時監測電流波動并在本地進行初步分析，將異常數據上傳至中央控制平臺。還可以應用智能巡檢機器人替代部分常規的人工巡檢，機器人能夠自主導航并在預定路線內完成設備狀態檢查，它們配備高清攝像機、紅外成像儀等設備，能夠進行多維度監測并將數據實時傳輸給控制中心。無人機的應用也有利于優化智能監控與故障診斷，無人機可以進行高空線路巡檢，減少人力投入并提高巡檢效率，無人機配備的高清攝像頭和紅外成像儀能夠實時傳輸圖像數據，及時發現線路故障，一般來說，在軌道線路的高架橋段比較適合使用無人機進行定期巡檢，確保接觸網的安全運行。

4.2 能源管理系統（EMS）的優化

首先是虛擬電廠技術的應用，在城市軌道交通供電系統中可利用虛擬電廠技術整合分布式能源資源，實現能源的統一調度與管理，舉例來講，將地鐵站內的太陽能光伏板、儲能裝置和傳統發電單元連接成一個虛擬電廠并通過智能調度算法優化能源利用，在高峰時段優先使用光伏發電，同時將多余的電量儲存起來用于非高峰時段的供電。引入區塊鏈技術建立去中心化的能源交易平臺，確保能源交易的透明度和安全性，區塊鏈的智能合約可以自動執行能源交易，減少中間環節以降低交易成本，提高能源市場的靈活性，如在軌道上安裝多個分布式能源節點并通過區塊鏈技術實現能源的實時交易和結算。微電網技術在城市軌道交通供電系統中的應用能夠實現局部區域內的自給自足，通過建立獨立的小型電網，城市軌道交通的各個站點可以利用自身擁有的可再生能源和儲能設施在一定程度上實現能源自治，微電網技術不僅能夠提高能源利用效率，還能增強系統的抗災能力，在突發停電事件中，微電網仍能獨立運行，為地鐵站提供必要的電力支持。

4.3 自動化調度與供電的創新優化

自動化技術在列車調度與供電中發揮了重要作用，為了進一步優化這些方面，可以考慮以下創新策略。引入智能預測與動態調度，結合深度學習與自然語言處理技術來自動分析社交媒體上的實時交通狀況信息并據此預測未來客流變化，根據預測結果動態調整列車調度計劃，讓運力與需求始終匹配。利用數字孿生技術創建設備的虛擬模型以模擬設備在不同工況下的運行狀態，通過虛擬環境中的測試與優化來指導實際設備的維護與升級，提高設備的可靠性和使用壽命，例如，在虛擬環境中模擬供電系統中各個設備的運行狀態，借助仿真測試找出最優維護方案。

4.4 數據驅動的預測性維護創新優化

數據驅動的預測性維護通過持續收集設備運行數據并利用先進的數據分析技術，能夠提前識別設備可能出現的問題。為了進一步優化這一領域，可以利用增強現實技術在現場維護過程中提供可視化指導，幫助技術人員快速定位故障點，技術人員佩戴AR眼鏡，后者將虛擬信息疊加到實際環境中，能夠直觀顯示設備內部結構和維修步驟。盡管增強現實技術在預測性維護中有巨大的潛力，但目前其成本仍然較高且技術尚未完全成熟，因此在實際應用領域中的普及程度有限，更多被視為未來發展的方向。基于知識圖譜的故障診斷系統可以整合設備運行數據、維修記錄、專家經驗等多源信息，通過知識推理技術自動識別故障模式并推薦解決方案，提高診斷的準確性和效率，故知識圖譜的引入也是優化方向之一。物聯網（IoT）可用于構建高度互聯的設備網絡，實現設備間的數據共享與協同工作，在微服務架構下設計的故障診斷系統具備更高的可擴展性和靈活性，有助于后續功能擴展與維護，因此，可以考慮在供電系統各設備內部構建IoT平臺并通過微服務架構實現系統的靈活擴展。

5 結語

電氣自動化技術在城市軌道交通供電系統中的應用具有深遠的意義，它有效地解決了傳統供電系統中存在的問題并推動城市軌道交通向更加高效、智能的方向發展，為公眾提供了更為便捷、可靠的出行服務，展現了電氣自動化在未來城市交通發展中不可替代的作用。

參考文獻：

[1]侯峰，王帥，何治新，等.城市軌道交通貫通供電方式牽引網分段供電方案及故障辨識方法[J].城市軌道交通研究，2024，27（09）：47-52.DOI：10.16037/j.1007-869x.2024.09.008.

[2]寇元召.接觸網智能監測系統在城市軌道交通供電系統運維中的應用研究[J].工程建設與設計，2024（14）：86-88.DOI：10.13616/j.cnki.gcjsysj.2024.07.228.

[3]戴文通.電氣自動化設備在城市軌道交通中的實踐探究[J].人民公交，2024（10）：79-81.DOI：10.16857/j.cnki.cn11-5903/u.2024.10.025.

[4]孫金華.城市軌道交通牽引供電自動化系統研究與應用[Z].江蘇省，國電南京自動化股份有限公司，2019-03-29.