任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

 

摘要：本文針對地鐵工程車站進行了低壓變電智能化電能管理系統(tǒng)設計。首先，對地鐵工程中的車站低壓智能系統(tǒng)做了詳細介紹，其次，從硬件與軟件兩方面進行了電能管理系統(tǒng)整體結構設計，再次，基于頻率管理、電能質(zhì)量控制和報警、諧波管理、節(jié)能與設備優(yōu)化管理等角度深入分析了管理系統(tǒng)功能。通過研究表明，此系統(tǒng)實用性與可靠性良好，能夠基于網(wǎng)絡集中化管理實現(xiàn)設備用電信息優(yōu)化管理與控制，從而科學有效管理能源消耗，提高能源利用率，節(jié)約車站運營成本，因此值得大力推廣與應用。

關鍵詞：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荷之外運營所需機電設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，降壓變電所的任務是針對車站通信與監(jiān)控提供電源，環(huán)控電控的任務是為風機與冷卻塔等供電。如果不能確保供電的穩(wěn)定性與可靠性，那么勢必會影響地鐵的有序運行。

 

2.1 降壓變電低壓系統(tǒng)

      降壓變電低壓智能系統(tǒng)的控制對象為母聯(lián)斷路器、進線短路器、三級負荷低壓總開關?，F(xiàn)階段，我國地鐵車站降壓變電低壓智能系統(tǒng)的形式是，基于控制對象遙測與遙控，增加全部饋出回路遙測。智能低壓系統(tǒng)是由以太網(wǎng)、智能化開關、PLC、數(shù)字儀表等所構成的，其中系統(tǒng)控制對象的遙控是以斷路器為輔助加以實現(xiàn)的，而遙測與遙信則是以數(shù)字化儀表為載體加以實現(xiàn)的。降壓變電低壓智能系統(tǒng)結構具體如圖1所示。

 

圖1 降壓變電低壓智能系統(tǒng)結構

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)測具備軟啟動與變頻器的電機回路，還能夠綜合保護與監(jiān)測全部饋出回路。環(huán)控電控低壓智能系統(tǒng)結構具體如圖2所示。

 

圖2 環(huán)控電控低壓智能系統(tǒng)結構

       從圖可以看出，環(huán)控電控低壓智能系統(tǒng)的任務是全面保護電動機。低壓布置配有單獨的通信控制器，以此搜集通風空調(diào)的相關數(shù)據(jù)信息，并調(diào)整匯總，加以計算分析，然后實時傳輸?shù)綑C電設備自動化控制系統(tǒng)的PLC中，就PLC的通風模式為依據(jù)加強有效控制。特別是在出現(xiàn)火災情況的時候，地鐵車站機電設備自動化控制系統(tǒng)接收到火災自動化報警系統(tǒng)的命令，落實各種類型環(huán)控設施設備的火災運行模式，并把命令下達到環(huán)控柜低壓智能系統(tǒng)。

 

       系統(tǒng)基于Trans Active軟件平臺得以開發(fā)設計。Trans Active軟件平臺利用了C++軟件技術，通過模塊化結構，依據(jù)系統(tǒng)功能需要，將系統(tǒng)功能模塊化，軟件組件化，進而靈活銜接并調(diào)取，適應性與可靠性都十分突出。

3.1 硬件結構

       電能管理系統(tǒng)硬件結構具體如3所示。其一，系統(tǒng)服務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)絡設施設備實際上等同于網(wǎng)絡交換機；其四，存儲設備實際上就是磁盤陣列，任務是儲存系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)信息。此外，電能管理系統(tǒng)基于網(wǎng)絡交換機與局域網(wǎng)，和外部接口系統(tǒng)之間進行交互數(shù)據(jù)信息管理、分析。

 

圖3 電能管理系統(tǒng)硬件結構

3.2 軟件結構

      電能管理系統(tǒng)的軟件結構具體如圖4所示。

 

圖4 電能管理系統(tǒng)的軟件結構

 

      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率實時變化進行全程跟蹤監(jiān)控，并及時把相關數(shù)據(jù)信息儲存到歷史數(shù)據(jù)庫。通過系統(tǒng)的越限報警功能，還可以設置上下閾限值，在出現(xiàn)越限狀況的時候，系統(tǒng)及時發(fā)出聲光告警信號，并把報警信息儲存到歷史數(shù)據(jù)庫，以便于快速查詢并解決故障。在故障狀況下，系統(tǒng)頻率降低的時候，可通過系統(tǒng)遙控操控能力，低頻率減負荷，自動摒除次要負荷。而在系統(tǒng)頻率上升的時候，為減少發(fā)電機處理，依舊可以通過遙控操控能力，高頻率切機，促使系統(tǒng)頻率快速恢復到額定值閾限內(nèi)，從而進一步滿足頻率管理具體需求。

 4.2 電能質(zhì)量監(jiān)控與報警模塊

      通過對系統(tǒng)與站點電能質(zhì)量進行檢測，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，還能夠挖掘系統(tǒng)越限與能耗異常狀況，及時發(fā)出告警信號，以郵件、短信、PDA、工作站等多元化方式快速通知操作員工，以此有效降低設備誤動作幾率，節(jié)約能源成本，以助于配電系統(tǒng)科學合理規(guī)劃，提高生產(chǎn)效率與水平，并進一步提供系統(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)采集的基礎監(jiān)控電能電量，但是卻能夠通過低壓變電系統(tǒng)采集諧波。然而，所檢測諧波次數(shù)大約在2-19 次，就諧波源特性，適度調(diào)整諧波次數(shù)測量區(qū)域。就負荷變化比較快的諧波源來講，一般都會控制在31次以上，其中一些回路明確指出進行63次諧波分量檢測。所以，諧波檢測數(shù)據(jù)量都比較大。系統(tǒng)對于實時性與及時性要求非常高，把各回路諧波畸變率數(shù)據(jù)信息進行上傳處理分析，不僅會嚴重消耗系統(tǒng)資源，還會對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時性與真實性造成直接性影響。因此，系統(tǒng)諧波質(zhì)量主要通過關鍵回路實時性采集與一般性回路分批性定時采集、召喚采集相融合的方式加強優(yōu)化管理。其中，關鍵回路與變電配電系統(tǒng)電能質(zhì)量息息相關，因此，選用實時采集與密切關注諧波數(shù)據(jù)信息的模式，這主要是由于此類型回路數(shù)量相對偏少，盡管單項回路數(shù)據(jù)量非常多，可是在科學合理化分配之后，對系統(tǒng)實時性的影響并不突出。而一般回路對系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響不顯著，因此，通過分批性定時采集方式，避免遇到資源利用高峰期，分批性定時獲取數(shù)據(jù)信息。其中定時的 

具體時間以回路性質(zhì)與系統(tǒng)規(guī)模為基礎進一步明確，能夠有效促進系統(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)故障的時候，進行諧波數(shù)據(jù)信息實時采集，以助于詳細了解并分析故障發(fā)生的具體原因。

4.4 節(jié)能與設備優(yōu)化模塊 

      通過收集能源數(shù)據(jù)信息并詳細分析設備狀態(tài)，獲取節(jié)能空間較大區(qū)域具體位置，評估節(jié)能措施與設備具體成效，即再生制動能量利用、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，遠程監(jiān)控變電配電回路電氣實際運行狀態(tài)，生成電氣參數(shù)、能耗、分時計量等等運行狀態(tài)數(shù)據(jù)報表。同時就電能管理系統(tǒng)軟件所采集數(shù)據(jù)信息，進一步探索歷史負荷、能耗、裕量等，以此提高系統(tǒng)設備利用率。此外，從時段、季度、部門等角度統(tǒng)計分析全年具體能耗，以Microsoft Excel文件格式存儲所生成報表，并自動化生成曲線圖，以便于用戶快速生成詳細報告。

 

5.1概述

        用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、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對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，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用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

 5.2應用場所

        （1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

        （2）商業(yè)建筑（商場、金融機構建筑等）；

        （3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

        （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）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

5.3系統(tǒng)結構

 

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1

      實時監(jiān)測系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功  率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關故障、告警等信號。

 

5.4.2電能統(tǒng)計報表

       系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

 

5.4.3詳細電參量查詢

       在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中危髽藛螕艨刹榭丛摶芈吩敿氹妳⒘?，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

 

5.4.4運行報表

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

 

5.4.5變壓器運行監(jiān)視

        系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

 

5.4.6實時報警

       系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

 

5.4.7歷史事件查詢

        系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

 

5.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測

        系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、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，及時采取相應的措施，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)支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

 

5.4.10用戶權限管理

         系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

 

5.4.11通訊狀態(tài)圖

       系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

 

5.4.12視頻監(jiān)控

       視頻監(jiān)控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

 

5.4.13用戶報告

       用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

 

5.4.14 APP支持

       電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設備檔案"、“待辦事項"、“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、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、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，在我國地鐵建設與運營管理中，節(jié)能降耗開始備受重視。由于地鐵供電無法有效保障，則會導致難以正常穩(wěn)定運行，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，應用前景非常廣闊。所以，本文針對地鐵工程車站進行了低壓變電智能化電能管理系統(tǒng)設計。通過研究表明，此系統(tǒng)實用性與可靠性良好，能夠基于網(wǎng)絡集中化管理實現(xiàn)設備用電信息優(yōu)化管理與控制，從而科學有效管理能源消耗，提高能源利用率，節(jié)約車站運營成本，因此值得大力推廣與應用。

 

[1]任曉娜，麥衛(wèi)華，變電站智能地鐵管理系統(tǒng)的應用[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)設計            

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊 2022.05版

 

 

作者簡介：任運業(yè)，男，現(xiàn)任安科瑞電氣股份有限公司，主要從事于電能管理系統(tǒng)的研發(fā)與應用。