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：電氣自動化技術的快速發展為城市軌道交通供電系統的智能化管理提供了新的解決方案。基于集成信息化和自動化的先進技術，電氣自動化系統對供電設備實施全面監控和管理，提高供電系統的穩定性和安全性，優化電網數據處理能力，提升供電系統的智能化水平。本研究探討了電氣自動化在城市軌道交通供電系統中的重要作用、應用現狀及應用策略。對供電系統的穩定性和安全性、智能調度和運行控制、電網數據處理能力以及供電系統智能化水平的提升等方面的分析，揭示電氣自動化技術的核心價值。進一步以某市地鐵5號線車輛基地的電氣自動化管理系統（MDIAS）為例，詳細闡述該系統在供電系統監控與管理中的實際應用。

關鍵詞：電氣自動化 城市軌道交通 供電系統

隨著我國城市化進程的加速，城市軌道交通作為解決城市交通擁堵和提升公共交通效率的重要手段，得到了迅速發展。城市軌道交通系統具有高密度、大運量的特點，其供電系統的穩定性和可靠性關系到整個系統的安全運行和效率提升。因此，供電系統的智能化、自動化水平成為城市軌道交通發展的關鍵因素之一。傳統的城市軌道交通供電系統多采用不可控二極管整流方式，這種方式限制了交流側功率因數和直流側電壓的調節能力，對系統的能效和穩定性造成一定影響。為了提高供電系統的能效和智能化水平，近年來，基于脈寬調制（PWM）的電壓源型變流器（VSC）被引入到城市軌道交通牽引供電系統中，替代傳統的二極管整流器，形成交直流系統的雙向能量流動和優化控制。電氣自動化技術的實施下，可優化供電網絡的調度和管理，以分布式無功補償和最優潮流控制等技術手段，進一步提升系統的能效和穩定性。本研究中，將重點分析在城市軌道交通供電系統中電氣自動化的應用措施，并以具體案例做進一步研究。

1 電氣自動化在城市軌道交通供電系統中的重要作用

1.1 提高供電系統的穩定性和安全性

城市軌道交通系統的穩定運行離不開可靠的供電系統支持，電氣自動化技術實施下，對供電設備進行監測和控制，能提升供電系統的穩定性和安全性。例如，依托實時監測供電設備的運行狀態，電氣自動化系統可發現潛在故障并采取措施，防止故障擴大，從而保障供電系統的持續穩定運行。電氣自動化技術能優化供電設備的配置和運行參數，提高供電效率和能源利用率，進一步降低供電成本。

1.2 加強對智能調度和運行控制

電氣自動化技術在供電系統中的應用，對供電設備進行智能調度和運行控制。如安裝信號系統、軌道電路、列車位置檢測器等設備，電氣自動化系統能實時監測列車的位置、速度和運行狀態，做到精確控制和調度列車。智能調度方式的應用下，提高列車的運行效率，減少人為操作的失誤，增強系統的安全性。例如，在緊急情況下，電氣自動化系統能夠迅速啟動緊急制動程序，列車及時停車，防止事故的發生。

1.3 優化電網數據處理能力

電網電力系統是軌道交通系統中的重要組成部分，其數據采集與分析能力對軌道交通的正常運行有著重要影響。電氣自動化技術通過提升電網的數據處理能力，能對列車運行所需負荷進行精確監測和合理分析。基于對故障或異常單元的準確快速定位，電氣自動化系統可快速切斷故障單元的電力輸送，防止故障擴大，減少能源損耗。電氣自動化技術應用下，可對各系統超負荷狀態進行預警，促使負荷高峰期電力分配的合理性，保證各系統有效運作。

2 電氣自動化在城市軌道交通供電系統中的應用現狀

2.1 供電系統的智能化與自動化

城市軌道交通供電系統主要包括主變電站、牽引變電站、降壓變電站、饋電線、接觸網、走行軌、回流線、迷流防護系統和遠動系統等部分。電氣自動化技術在這些環節中的應用，形成供電系統的智能化與自動化。主變電站通過電氣自動化技術將市電網的高壓電降壓后配送給牽引變電站和中心降壓變電站。牽引變電站進一步將電壓整流、變換為直流電，供給電動列車作為牽引電源。這一過程中，電氣自動化技術的實施可提高電壓的穩定性和轉換效率。電力遠動系統對變電站內的供電設備進行實時監控和數據采集，基于模塊化的計算機控制系統，形成供電設備的自動化監控和管理。

2.2 列車控制系統的自動化與高效化

列車控制系統是城市軌道交通的重要組成部分，負責控制和監測列車的運行狀態。電氣自動化技術在這一領域的應用，主要體現在自動列車控制系統（ATC）和自動列車保護系統（ATP）上。ATC系統通過傳感器和計算機控制，形成列車的自動駕駛、運行速度的控制以及防止碰撞等功能。ATP系統則負責監測列車位置、速度和運行狀態，提升列車之間的安全距離。這些系統的應用，提高了列車運行的安全性和效率，減少了人為操作的失誤。例如，安裝信號系統、軌道電路和列車位置檢測器等設備，電氣自動化技術實時監測列車的位置、速度和運行狀態。提高列車運行的安全性和效率，減少碰撞和追尾事故的發生。

2.3 信號與通信系統的精確控制與監測

信號與通信系統在城市軌道交通中起著重要的作用，它能傳遞車輛位置、速度等信息，通過信號燈和標志牌向乘客提供準確的乘車指引和安全提示。電氣自動化技術的應用，使得信號與通信系統精確地控制和監測列車運行。依托電氣自動化技術，信號與通信系統實時監測列車之間的安全距離，列車在行駛過程中不會發生碰撞。在緊急情況下，系統迅速響應，遙控或自動控制系統實現列車的緊急制動，減少事故的發生和對乘客的傷害。

3 電氣自動化在城市軌道交通供電系統中的應用策略

3.1 集成行車指揮系統，提升運營調度效率

集成行車指揮系統能夠將各個子系統的信息進行整合與共享，使得控制中心能夠實時獲取全面的列車運行狀態、信號狀態、通信狀態以及環境監控信息。這種信息共享機制有助于各系統之間的協同工作，提高整體運營效率。為此，基于電氣自動化技術下，應構建集成行車指揮系統，該系統將信號、通信、綜合監控等子系統進行集成，對軌道交通全線列車運營進行集中指揮與控制。

在行車集成指揮系統中，電氣自動化技術為各個子系統的連接與信息交換提供了技術支持，使得各系統之間能夠協同工作，提高列車的安全，促進列車的高效運行。例如，通過車輛攜帶的電氣設備向控制中心發出ATP信號（列車自動防護信號），控制中心能夠實時了解各個車輛的行駛狀況，包括速度、位置、運行狀態等。這對于防止列車超速、保證行車安全具有重要意義。電氣自動化技術為各個子系統的連接與信息交換提供技術支持。基于高速、可靠的數據通信網絡，各個子系統能夠實時交換數據，形成協同工作。

3.2 綜合監控系統，實現實時監控與管理

綜合監控系統（ISCS）是一個高度集成的綜合自動化監控系統，它集成和互聯軌道交通各弱電系統及主要機電設備，形成統一的監控層硬件平臺和軟件平臺。

這一系統能對軌道交通弱電子系統、電力、機電設備集中監控和管理功能，從而提高運營效率。綜合監控系統分為中心級和車站級，分別服務于控制中心的各種調度人員和車站值班員、場段調度人員。在供電系統中，綜合監控系統能夠實時監控變電所的運行狀態，包括電壓、電流、功率因數等關鍵參數。這些參數是評估供電系統穩定性和安全性的重要指標。一旦供電系統中出現異常情況，如電壓波動、電流過載等，綜合監控系統會立即發出警報。這種實時警報機制有助于運營人員迅速響應并采取相應措施，從而避免供電中斷對軌道交通運營造成影響。例如，在電壓波動時，系統自動調整變壓器分接頭或投切電容器組，以穩定電壓；在電流過載時，系統自動切斷部分非關鍵負載或啟動備用電源，以保證供電系統的連續性和可靠性。基于電氣自動化技術實施下，利用人工智能、大數據等先進技術提升綜合監控系統的智能化水平。基于智能算法對供電系統數據進行深度挖掘和分析，引入故障預測、能耗優化等功能。

3.3 牽引供電系統優化，確保電動列車穩定運行

牽引供電系統是城市軌道交通供電系統的重要組成部分，它為電動列車提供牽引用電。在牽引供電系統中，電氣自動化技術的應用主要體現在優化供電方式和提高供電質量上。例如，采用直流電牽引方式，通過牽引變電所將三相高壓交流電變成適合電動車輛應用的低壓直流電，再通過接觸網將電能輸送到列車上。這種方式具有電壓損失小、供電范圍適中、安全性高等優點。電氣自動化技術對牽引供電系統進行實時監控和調節，提高供電電壓和電流的穩定，避免因供電質量問題導致的列車運行故障。電氣自動化技術可實現牽引供電系統的自動化控制和保護，如過電流保護、短路保護等，進一步提高了供電系統的安全性和可靠性。

3.4 電網技術升級，提升供電系統智能化水平

電網電力系統是軌道交通系統中的重要組成部分，軌道交通的全面運行與電網電力系統的運行密不可分。電氣自動化技術在電網技術升級中，對電網進行數據采集與分析，結合采集數據信息作出合理分析，對故障或異常單元進行準確快速定位，切斷故障單元電力輸送，便于設備搶修，同時減少能源損耗。電氣自動化技術實現電網的智能化管理，如通過智能調度系統對供電設備進行遠程監控和調度，提高供電系統的響應速度和靈活性。提高供電系統的效率和質量，為城市軌道交通的可持續發展提供有力支持。

4 電氣自動化在城市軌道交通供電系統中的應用案例分析——以某市地鐵5號線車輛基地MDIAS系統為例

隨著城市化進程的加快，城市軌道交通作為城市公共交通的重要組成部分，其安全性和效率直接關系到城市的運行效率和居民的生活質量。供電系統屬于城市軌道交通的“心臟”，電氣自動化技術的引入，為城市軌道交通供電系統的智能化管理提供了可能。本部分以某市地鐵5號線車輛基地采用的電氣自動化管理系統（MDIAS）為例，探討電氣自動化在城市軌道交通供電系統中的應用及其帶來的變革。

4.1 MDIAS系統概述

MDIAS系統，即電氣自動化管理系統，該系統集成信息化和自動化的先進技術，對供電系統的全面監控和管理，構建供電設備運行狀態的實時監測、預警、應急處理以及智能調度和運行控制，極大地提高供電系統的安全性和效率（表1）。

4.2 MDIAS系統在供電系統監控與管理中的應用

4.2.1 實時監測與預警

MDIAS系統能自動獲取車輛基地供電系統的實時數據，包括電壓、電流、功率因數等關鍵參數。基于內置的分析算法，系統對這些數據進行實時處理，及時發現供電設備的異常狀態。例如，當某臺變壓器溫度過高或電流異常增大時，系統立即發出預警信號，通知維護人員進行檢查和處理。形成實時監測和預警機制，有效防止了因設備故障導致的供電中斷，保障地鐵運營的連續性。

4.2.2 應急處理與故障隔離

在供電系統中，故障的發生是不可避免的。MDIAS系統的強大之處在于其能夠迅速響應故障，啟動應急預案。當系統檢測到潛在故障時，如短路、接地故障等，它會立即切斷故障單元的電力輸送，防止故障擴大，影響其他設備的正常運行。系統會自動記錄故障信息，為后續的故障分析和處理提供依據。

4.2.3 智能調度與運行控制

MDIAS系統能夠監控供電設備的運行狀態，對它們進行智能調度和運行控制。系統根據供電需求、設備負載以及能源價格等因素，優化供電設備的配置和運行參數，提高供電效率和能源利用率。例如，在用電低谷期，系統自動調整變壓器的運行方式，減少無功損耗；在用電高峰期，合理分配電力資源，確保供電的穩定性和可靠性。

4.3 MDIAS系統與計算機聯鎖的集成應用

4.3.1 自動觸發辦理進路

MDIAS系統與計算機聯鎖系統的緊密配合，促使列車運行高效調度和控制。系統自動接收上位機發布的行車計劃信息，并將其轉化為計算機聯鎖能夠識別的進路指令信息。在符合觸發條件的情況下，如列車到達指定位置、信號燈狀態正確等，MDIAS系統會自動下達進路指令信息，觸發計算機聯鎖系統辦理進路。這一過程完全自動化，提高列車運行的效率和準確性。

4.3.2 提高調度靈活性

通過MDIAS系統與計算機聯鎖的集成應用，調度員可更加靈活地調整列車運行計劃。當列車出現晚點、故障或特殊情況時，調度員可通過系統迅速調整進路設置，維系列車的正常運行。提高地鐵運營的應變能力，提升乘客的出行體驗。

4.4 MDIAS系統的實施效果

4.4.1 提高供電可靠性

MDIAS系統的實施，提高供電系統的可靠性。基于實時監測、預警和應急處理機制，系統有效防止因設備故障導致的供電中斷，保障地鐵運營的連續性。智能調度和運行控制功能優化供電設備的配置和運行參數，提高供電效率和能源利用率。

4.4.2 提升運營效率

MDIAS系統與計算機聯鎖的集成應用，實現了列車運行的高效調度和控制。自動觸發辦理進路的功能大大提高了列車的運行效率和準確性，減少人為操作帶來的誤差和延誤。調度靈活性的提高使得地鐵運營更加應對自如。

4.4.3 降低維護成本

通過實時監測和預警機制，MDIAS系統能及時發現并處理供電設備的潛在故障，避免因故障擴大而導致的維修成本增加。智能調度和運行控制功能優化了設備的運行方式，延長設備的使用壽命，進一步降低維護成本。

5 結語

綜上，電氣自動化技術在城市軌道交通供電系統中的應用具有一定的優勢和廣闊前景。隨著新技術的不斷發展和應用，電氣自動化技術將進一步推動城市軌道交通供電系統的智能化和高效化發展，為城市軌道交通的可持續發展提供更加強有力的支持。因此，應加強電氣自動化技術在城市軌道交通供電系統中的應用研究和實踐探索，推動其創新和發展。

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