胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  

 

摘要：本文針對(duì)地鐵工程車站進(jìn)行了低壓變電智能化電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先，對(duì)地鐵工程中的車站低壓智能系統(tǒng)做了詳細(xì)介紹，其次，從硬件與軟件兩方面進(jìn)行了電能管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再次，基于頻率管理、電能質(zhì)量控制和報(bào)警、諧波管理、節(jié)能與設(shè)備優(yōu)化管理等角度深入分析了管理系統(tǒng)功能。通過(guò)研究表明，此系統(tǒng)實(shí)用性與可靠性良好，能夠基于網(wǎng)絡(luò)集中化管理實(shí)現(xiàn)設(shè)備用電信息優(yōu)化管理與控制，從而科學(xué)有效管理能源消耗，提高能源利用率，節(jié)約車站運(yùn)營(yíng)成本，因此值得大力推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；低壓；變電；智能化；電能管理

 

     地鐵工程中車站低壓配電變電系統(tǒng)的作用是為地鐵除了牽引負(fù)荷之外運(yùn)營(yíng)所需機(jī)電設(shè)備提供低壓電源電力。就功能可以劃分為兩大類，即降壓變電所與環(huán)控電控，其中，降壓變電所的任務(wù)是針對(duì)車站通信與監(jiān)控提供電源，環(huán)控電控的任務(wù)是為風(fēng)機(jī)與冷卻塔等供電。如果不能確保供電的穩(wěn)定性與可靠性，那么勢(shì)必會(huì)影響地鐵的有序運(yùn)行。

 

2.1 降壓變電低壓系統(tǒng)

      降壓變電低壓智能系統(tǒng)的控制對(duì)象為母聯(lián)斷路器、進(jìn)線短路器、三級(jí)負(fù)荷低壓總開(kāi)關(guān)。現(xiàn)階段，我國(guó)地鐵車站降壓變電低壓智能系統(tǒng)的形式是，基于控制對(duì)象遙測(cè)與遙控，增加全部饋出回路遙測(cè)。智能低壓系統(tǒng)是由以太網(wǎng)、智能化開(kāi)關(guān)、PLC、數(shù)字儀表等所構(gòu)成的，其中系統(tǒng)控制對(duì)象的遙控是以斷路器為輔助加以實(shí)現(xiàn)的，而遙測(cè)與遙信則是以數(shù)字化儀表為載體加以實(shí)現(xiàn)的。降壓變電低壓智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

 

圖1 降壓變電低壓智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 環(huán)控電控低壓系統(tǒng)

      環(huán)控電控低壓智能系統(tǒng)，不僅可以綜合保障并監(jiān)測(cè)具備軟啟動(dòng)與變頻器的電機(jī)回路，還能夠綜合保護(hù)與監(jiān)測(cè)全部饋出回路。環(huán)控電控低壓智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體如圖2所示。

 

圖2 環(huán)控電控低壓智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

       從圖可以看出，環(huán)控電控低壓智能系統(tǒng)的任務(wù)是全面保護(hù)電動(dòng)機(jī)。低壓布置配有單獨(dú)的通信控制器，以此搜集通風(fēng)空調(diào)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并調(diào)整匯總，加以計(jì)算分析，然后實(shí)時(shí)傳輸?shù)綑C(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的PLC中，就PLC的通風(fēng)模式為依據(jù)加強(qiáng)有效控制。特別是在出現(xiàn)火災(zāi)情況的時(shí)候，地鐵車站機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)接收到火災(zāi)自動(dòng)化報(bào)警系統(tǒng)的命令，落實(shí)各種類型環(huán)控設(shè)施設(shè)備的火災(zāi)運(yùn)行模式，并把命令下達(dá)到環(huán)控柜低壓智能系統(tǒng)。

 

       系統(tǒng)基于Trans Active軟件平臺(tái)得以開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。Trans Active軟件平臺(tái)利用了C++軟件技術(shù)，通過(guò)模塊化結(jié)構(gòu)，依據(jù)系統(tǒng)功能需要，將系統(tǒng)功能模塊化，軟件組件化，進(jìn)而靈活銜接并調(diào)取，適應(yīng)性與可靠性都十分突出。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

       電能管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)具體如3所示。其一，系統(tǒng)服務(wù)器的作用是接收并處理數(shù)據(jù)信息；其二，管理工作站的作用是為系統(tǒng)管理者提供更加便利、完善的環(huán)境；其三，網(wǎng)絡(luò)設(shè)施設(shè)備實(shí)際上等同于網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；其四，存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)際上就是磁盤陣列，任務(wù)是儲(chǔ)存系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)信息。此外，電能管理系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與局域網(wǎng)，和外部接口系統(tǒng)之間進(jìn)行交互數(shù)據(jù)信息管理、分析。

 

圖3 電能管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

      電能管理系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)具體如圖4所示。

 

圖4 電能管理系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

 

      電能管理系統(tǒng)功能具體如圖5所示。

 

圖5 電能管理系統(tǒng)功能

 

4.1 頻率管理模塊

      對(duì)于低壓變電智能化電能管理系統(tǒng)而言，頻率屬于其所采集的主要監(jiān)控電能，能夠?qū)︻l率實(shí)時(shí)變化進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)控，并及時(shí)把相關(guān)數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)系統(tǒng)的越限報(bào)警功能，還可以設(shè)置上下閾限值，在出現(xiàn)越限狀況的時(shí)候，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出聲光告警信號(hào)，并把報(bào)警信息儲(chǔ)存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于快速查詢并解決故障。在故障狀況下，系統(tǒng)頻率降低的時(shí)候，可通過(guò)系統(tǒng)遙控操控能力，低頻率減負(fù)荷，自動(dòng)摒除次要負(fù)荷。而在系統(tǒng)頻率上升的時(shí)候，為減少發(fā)電機(jī)處理，依舊可以通過(guò)遙控操控能力，高頻率切機(jī)，促使系統(tǒng)頻率快速恢復(fù)到額定值閾限內(nèi)，從而進(jìn)一步滿足頻率管理具體需求。

 4.2 電能質(zhì)量監(jiān)控與報(bào)警模塊

      通過(guò)對(duì)系統(tǒng)與站點(diǎn)電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)潛藏威脅，即諧波、電壓偏移、變電系統(tǒng)事故等等。同時(shí)，還能夠挖掘系統(tǒng)越限與能耗異常狀況，及時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，以郵件、短信、PDA、工作站等多元化方式快速通知操作員工，以此有效降低設(shè)備誤動(dòng)作幾率，節(jié)約能源成本，以助于配電系統(tǒng)科學(xué)合理規(guī)劃，提高生產(chǎn)效率與水平，并進(jìn)一步提供系統(tǒng)的、完善的能源視圖。

4.3 諧波管理模塊 

      諧波分量并不是系統(tǒng)采集的基礎(chǔ)監(jiān)控電能電量，但是卻能夠通過(guò)低壓變電系統(tǒng)采集諧波。然而，所檢測(cè)諧波次數(shù)大約在2-19 次，就諧波源特性，適度調(diào)整諧波次數(shù)測(cè)量區(qū)域。就負(fù)荷變化比較快的諧波源來(lái)講，一般都會(huì)控制在31次以上，其中一些回路明確指出進(jìn)行63次諧波分量檢測(cè)。所以，諧波檢測(cè)數(shù)據(jù)量都比較大。系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性與及時(shí)性要求非常高，把各回路諧波畸變率數(shù)據(jù)信息進(jìn)行上傳處理分析，不僅會(huì)嚴(yán)重消耗系統(tǒng)資源，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與真實(shí)性造成直接性影響。因此，系統(tǒng)諧波質(zhì)量主要通過(guò)關(guān)鍵回路實(shí)時(shí)性采集與一般性回路分批性定時(shí)采集、召喚采集相融合的方式加強(qiáng)優(yōu)化管理。其中，關(guān)鍵回路與變電配電系統(tǒng)電能質(zhì)量息息相關(guān)，因此，選用實(shí)時(shí)采集與密切關(guān)注諧波數(shù)據(jù)信息的模式，這主要是由于此類型回路數(shù)量相對(duì)偏少，盡管單項(xiàng)回路數(shù)據(jù)量非常多，可是在科學(xué)合理化分配之后，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響并不突出。而一般回路對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響不顯著，因此，通過(guò)分批性定時(shí)采集方式，避免遇到資源利用高峰期，分批性定時(shí)獲取數(shù)據(jù)信息。其中定時(shí)的 

具體時(shí)間以回路性質(zhì)與系統(tǒng)規(guī)模為基礎(chǔ)進(jìn)一步明確，能夠有效促進(jìn)系統(tǒng)資源利用率提升。而且出現(xiàn)故障的回路，還能夠召喚采集，在出現(xiàn)故障的時(shí)候，進(jìn)行諧波數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)采集，以助于詳細(xì)了解并分析故障發(fā)生的具體原因。

4.4 節(jié)能與設(shè)備優(yōu)化模塊 

      通過(guò)收集能源數(shù)據(jù)信息并詳細(xì)分析設(shè)備狀態(tài)，獲取節(jié)能空間較大區(qū)域具體位置，評(píng)估節(jié)能措施與設(shè)備具體成效，即再生制動(dòng)能量利用、諧波治理、照明控制等等。基于電能管理系統(tǒng)的參數(shù)展示模塊，遠(yuǎn)程監(jiān)控變電配電回路電氣實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，生成電氣參數(shù)、能耗、分時(shí)計(jì)量等等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)報(bào)表。同時(shí)就電能管理系統(tǒng)軟件所采集數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步探索歷史負(fù)荷、能耗、裕量等，以此提高系統(tǒng)設(shè)備利用率。此外，從時(shí)段、季度、部門等角度統(tǒng)計(jì)分析全年具體能耗，以Microsoft Excel文件格式存儲(chǔ)所生成報(bào)表，并自動(dòng)化生成曲線圖，以便于用戶快速生成詳細(xì)報(bào)告。

 

5.1概述

        用戶端消耗著整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對(duì)用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動(dòng)。用戶端急需解決的研究?jī)?nèi)容主要包括：先進(jìn)的表計(jì)，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。

        安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過(guò)對(duì)用戶端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項(xiàng)用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

 5.2應(yīng)用場(chǎng)所

        （1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

        （2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機(jī)構(gòu)建筑等）；

        （3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè)場(chǎng)所等）；

        （4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；

        （5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；

        （6）交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭建筑等）。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1

      實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功  率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號(hào)。

 

5.4.2電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表

       系統(tǒng)以豐富的報(bào)表支撐計(jì)量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來(lái)任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況，即該節(jié)點(diǎn)進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時(shí)可分析追溯，維護(hù)計(jì)量體系的正確性。

 

5.4.3詳細(xì)電參量查詢

       在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中危髽?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無(wú)功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢(shì)曲線及24小時(shí)電壓趨勢(shì)曲線。

 

5.4.4運(yùn)行報(bào)表

系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲(chǔ)和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時(shí)間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過(guò)報(bào)表方式顯示出來(lái)。用戶可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。

 

5.4.5變壓器運(yùn)行監(jiān)視

        系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢(shì)，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)掌握運(yùn)行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

 

5.4.6實(shí)時(shí)報(bào)警

       系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)事件等級(jí)發(fā)出告警。系統(tǒng)報(bào)警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報(bào)警窗口，并發(fā)出聲音或語(yǔ)音提醒。

 

5.4.7歷史事件查詢

        系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

 

5.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

        系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報(bào)表掌握進(jìn)線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時(shí)采取相應(yīng)的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測(cè)功能的電力儀表，不需要可刪除。

 

5.4.9遙控操作

         系統(tǒng)支持對(duì)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護(hù)和操作權(quán)限管理功能，對(duì)于每次遙控操作，系統(tǒng)自動(dòng)生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時(shí)間、操作類型等。實(shí)現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測(cè)控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。

 

5.4.10用戶權(quán)限管理

         系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過(guò)用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

 

5.4.11通訊狀態(tài)圖

       系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

 

5.4.12視頻監(jiān)控

       視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時(shí)畫面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

 

5.4.13用戶報(bào)告

       用戶報(bào)告頁(yè)面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

 

5.4.14 APP支持

       電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報(bào)警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

 

5.5系統(tǒng)硬件配置清單

 

      綜上所述，在我國(guó)地鐵建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理中，節(jié)能降耗開(kāi)始備受重視。由于地鐵供電無(wú)法有效保障，則會(huì)導(dǎo)致難以正常穩(wěn)定運(yùn)行，直接影響人們的順利出行。因此，提高地鐵供電的可靠性與穩(wěn)定性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。而智能化低壓變電配電系統(tǒng)可以為地鐵提供可靠、穩(wěn)定、安全供電，應(yīng)用前景非常廣闊。所以，本文針對(duì)地鐵工程車站進(jìn)行了低壓變電智能化電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)研究表明，此系統(tǒng)實(shí)用性與可靠性良好，能夠基于網(wǎng)絡(luò)集中化管理實(shí)現(xiàn)設(shè)備用電信息優(yōu)化管理與控制，從而科學(xué)有效管理能源消耗，提高能源利用率，節(jié)約車站運(yùn)營(yíng)成本，因此值得大力推廣與應(yīng)用。

 

[1]任曉娜，麥衛(wèi)華，變電站智能地鐵管理系統(tǒng)的應(yīng)用[J],電子世界，2018,557（23）；181-182

[2]李浩森，地鐵工程中車站低壓變電智能化電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)            

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè) 2022.05版