地鐵低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

鄭姍姍

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 2002352）

地鐵低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

鄭姍姍

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 2002352）

針對(duì)近些年低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)多個(gè)城市地鐵建設(shè)中應(yīng)用的現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)比分析地鐵低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)的傳統(tǒng)模式與當(dāng)前的各種模式，提出了低壓配電系統(tǒng)自動(dòng)化在地鐵領(lǐng)域應(yīng)用前景與發(fā)展的方向.

低壓配電；地鐵；系統(tǒng)

傳統(tǒng)的低壓配電控制方式主要是通過(guò)斷路器、接觸器、熔斷器、控制繼電器、互感器以及各種模擬指針儀表（電壓表、電流表、功率表、電能表）等組成的低壓開(kāi)關(guān)柜來(lái)實(shí)現(xiàn)配電的控制、保護(hù)、監(jiān)視等功能.這種傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)柜以人工直接操作為主，如果要進(jìn)行計(jì)算機(jī)智能管理，則需要采用電量變送器及微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn).但是在地鐵建設(shè)中大量使用電量變送器存在成本高、接線復(fù)雜、功能簡(jiǎn)單、精度低和可靠性差等缺點(diǎn)，而且地鐵屬于人員密集型公共場(chǎng)所，地鐵低壓系統(tǒng)供電的可靠性、控制的有效性、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的便利性在地鐵設(shè)計(jì)中占據(jù)著舉足輕重的地位.隨著微處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性的大幅提高，低壓電氣自動(dòng)化元件在地鐵設(shè)計(jì)建設(shè)中得到快速發(fā)展，低壓電氣自動(dòng)化配電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生.

1 傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)與目前低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)的對(duì)比

隨著低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和實(shí)時(shí)性不斷提高，根據(jù)低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)直接面向控制終端的特點(diǎn)，其涵蓋的終端設(shè)備種類(lèi)也越來(lái)越多、分布越來(lái)越廣.

1.1 降壓變電所低壓部分自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用

地鐵0.4 k V配電系統(tǒng)直接面向車(chē)站、區(qū)間的低壓用戶(hù)，從用電設(shè)備負(fù)荷分類(lèi)來(lái)講，一、二級(jí)負(fù)荷占絕大多數(shù)，對(duì)低壓電源的可靠性要求高.主變電所、中壓網(wǎng)絡(luò)等輸變電環(huán)節(jié)采取了一系列措施以提高供電系統(tǒng)的可靠性，在0.4 k V配電系統(tǒng)這一環(huán)節(jié)采用分段單母線接線，設(shè)母線分段開(kāi)關(guān)，并設(shè)三級(jí)負(fù)

荷分母線.

1.1.1 傳統(tǒng)低壓配電模式

（1）根據(jù)G B 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》14.6.8的規(guī)定,0.4 k V降壓變電所遙控對(duì)象應(yīng)包括下列基本內(nèi)容：降壓變電所的低壓進(jìn)線斷路器、低壓母聯(lián)斷路器、三級(jí)負(fù)荷低壓總開(kāi)關(guān)；

（2）根據(jù)G B 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》14.6.9的規(guī)定,0.4 k V降壓變電所遙信對(duì)象應(yīng)包括下列基本內(nèi)容：降壓變電所低壓進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器的故障跳閘信號(hào)；

因此,傳統(tǒng)低壓配電模式根據(jù)規(guī)范要求，僅實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器、三級(jí)負(fù)荷總開(kāi)關(guān)以及監(jiān)控變電所備用電源自投自復(fù)情況的遙控、遙信、遙測(cè).具體智能低壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 0.4 k V開(kāi)關(guān)柜傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知,進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器、三級(jí)負(fù)荷總開(kāi)關(guān)的遙控、遙信由智能斷路器實(shí)現(xiàn)，智能斷路器采用微處理器或單片機(jī)為核心的智能控制器，不僅具備普通斷路器的各種保護(hù)功能，同時(shí)還具備實(shí)時(shí)顯示電路中的各種電氣參數(shù)，對(duì)電路進(jìn)行在線監(jiān)視、自行調(diào)節(jié)、測(cè)量、實(shí)驗(yàn)、自診斷、可通行等功能.遙測(cè)由智能化數(shù)字儀表來(lái)實(shí)現(xiàn).

廣州地鐵2號(hào)線,上海地鐵7、8號(hào)線,北京地鐵1、2號(hào)線等地鐵線路降壓變電所低壓部分自動(dòng)化系統(tǒng)均采用該方式.

1.1.2 目前通用低壓配電模式

在規(guī)范要求遙測(cè)、遙控、遙信的對(duì)象基礎(chǔ)上,增加了對(duì)所有饋出回路的斷路器的遙控、遙測(cè)、遙信，以及饋出回路電壓、電流、功率、電能的遙測(cè).具體低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 0.4 k V開(kāi)關(guān)柜目前通用低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1與圖2比較可知,圖3饋出回路采用智能斷路器和智能化數(shù)字儀表，增加對(duì)重要饋出回路的遙控、遙測(cè)、遙信功能.同時(shí)增加P L C裝置，P L C裝置具有強(qiáng)大的邏輯控制功能.進(jìn)線與分段開(kāi)關(guān)之間復(fù)雜的控制邏輯關(guān)系如果由傳統(tǒng)的電磁繼電器實(shí)現(xiàn)，繼電器數(shù)量多，連線多，調(diào)試工作繁重，維修工作量大.通過(guò)P L C裝置很容易實(shí)現(xiàn)各種控制與聯(lián)鎖功能，并容易和變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信.

新建的杭州地鐵1號(hào)線、深圳地鐵5號(hào)線、深圳地鐵7號(hào)線、成都地鐵2號(hào)線、上海地鐵11號(hào)線、上海地鐵12號(hào)線、上海地鐵13號(hào)線等地鐵線路降壓變電所低壓部分智能系統(tǒng)采用該方式.

1.2 環(huán)控電控低壓部分的智能系統(tǒng)應(yīng)用

地下車(chē)站環(huán)控負(fù)荷中心附近設(shè)環(huán)控電控室，環(huán)控設(shè)備由環(huán)控電控室集中配電.有些地鐵車(chē)站環(huán)控配電采用單母線分段的主接線方式，有些地鐵環(huán)控配電采用雙電源切換的主接線方式.環(huán)控電控柜另設(shè)三級(jí)負(fù)荷母線段，采用單母線不分段的接線方式，為冷凍水泵、冷卻水泵等三級(jí)負(fù)荷分組配電.環(huán)控電控柜都是直接連接的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)控設(shè)備，直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)控設(shè)備供電或進(jìn)行控制，對(duì)實(shí)時(shí)性有一定要求.隨著環(huán)控電控柜的發(fā)展，它已不僅局限于供電，而且已逐步地將控制器等產(chǎn)品納入進(jìn)來(lái)，如軟起動(dòng)器、變頻器等.

1.2.1 傳統(tǒng)模式

傳統(tǒng)的環(huán)控配電系統(tǒng)通過(guò)軟啟動(dòng)器和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電動(dòng)機(jī)的遙測(cè)、遙信和遙控.其他小功率電動(dòng)機(jī)饋出回路的保護(hù)和控制采用普通電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用斷路器、交流接觸器和熱繼電器結(jié)合的保護(hù)形式.

由圖3可知,環(huán)控電控低壓僅為其他小功率通風(fēng)空調(diào)設(shè)備提供電源,通過(guò)斷路器對(duì)小功率電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)載和短路保護(hù).

圖3 環(huán)控智能低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一

采用該配電系統(tǒng)模式的地鐵線路包括：北京地鐵1、2號(hào)線,廣州地鐵2號(hào)線,深圳地鐵1號(hào)線,上海地鐵1、2號(hào)線等線路.

1.2.2 目前通用模式

與傳統(tǒng)利用軟啟動(dòng)器和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電動(dòng)機(jī)的遙測(cè)、遙信和遙控的環(huán)控配電系統(tǒng)相比較,目前環(huán)控柜低壓自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)空調(diào)等設(shè)備的監(jiān)視、測(cè)量、控制和保護(hù)，對(duì)智能模塊的參數(shù)設(shè)定、復(fù)位，對(duì)進(jìn)線電源狀態(tài)監(jiān)視及電壓、電流等參數(shù)的上傳等；通風(fēng)空調(diào)設(shè)備通常設(shè)就地控制、通風(fēng)空調(diào)電控室控制、上位監(jiān)控系統(tǒng)控制三級(jí)控制，智能低壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三級(jí)控制轉(zhuǎn)換及運(yùn)行狀態(tài)顯示.每個(gè)通風(fēng)空調(diào)電控柜內(nèi)的智能電機(jī)保護(hù)器（智能馬達(dá)保護(hù)控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)馬達(dá)保護(hù)，適用于保護(hù)交流50 H z的各種額定電流的電動(dòng)機(jī).對(duì)電動(dòng)機(jī)的短路、堵轉(zhuǎn)、過(guò)載、欠載、缺相/不平衡、接地/漏電、過(guò)/欠壓及外部故障等引起的危害予以保護(hù)，并具有測(cè)量、操作控制、診斷維護(hù)、報(bào)警輸出、模擬量輸出及網(wǎng)絡(luò)通訊，包括遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)等功能）采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接，現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)安裝在遠(yuǎn)程I/O上的通信模塊經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換接入環(huán)控M C C系統(tǒng).遠(yuǎn)程I/O與環(huán)控M C C系統(tǒng)之間通訊總線需采用冗余雙總線方式；環(huán)控M C C系統(tǒng)與E M C S系統(tǒng)之間采用冗余以太網(wǎng)T C P/I P相連.通信模塊與柜內(nèi)智能模塊之間的現(xiàn)場(chǎng)總線可采用單總線形式，通信速率不低于9600 b p s.遠(yuǎn)程I/O與環(huán)控M C C系統(tǒng)之間通訊總線采用冗余雙總線方式，速率不低于1500 k b p s，以保證系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性.

圖4 環(huán)控智能低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖二

由圖4可知,環(huán)控電控低壓部分通過(guò)智能模塊、軟啟動(dòng)器、變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合保護(hù),采集通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的信息,環(huán)控電控低壓可以設(shè)置獨(dú)立的通信控制器,并將采集到的數(shù)據(jù)調(diào)整歸納、整理、計(jì)算后,實(shí)時(shí)刷新上傳至E M C S的主P L C,同時(shí)根據(jù)E M C S的主P L C下達(dá)的通風(fēng)模式,實(shí)施控制.也可以不單獨(dú)設(shè)置通信控制器，合用E M C S的主P L C.上海地鐵10、11、12、13號(hào)線,深圳地鐵5、7號(hào)線、蘇州地鐵4號(hào)線等地鐵線路環(huán)控電控低壓部分自動(dòng)化系統(tǒng)采用該方式.

2 低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用比較

通過(guò)上面的分析可以看出,當(dāng)前地鐵設(shè)計(jì)建設(shè)中使用的低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)與傳統(tǒng)配電模式相比有如下特點(diǎn)：

2.1 自動(dòng)化

低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)由低壓開(kāi)關(guān)加裝了具有通信功能的智能測(cè)控保護(hù)裝置，比如微機(jī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)、智能儀表裝置等，經(jīng)數(shù)字通信與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，避免了傳統(tǒng)模式無(wú)法對(duì)0.4 k V降壓變電所饋線回路進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視以及實(shí)時(shí)的掌握其電氣元件工作狀態(tài)的弊端，降低了傳統(tǒng)的低壓系統(tǒng)維護(hù)的工作量以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作的難度.真正實(shí)現(xiàn)了低壓配電設(shè)備運(yùn)行管理的自動(dòng)化.

2.2 多功能化

智能測(cè)量保護(hù)裝置增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,擺脫了傳統(tǒng)電氣元件功能單一的缺點(diǎn)，集測(cè)量、保護(hù)、控制等多種功能于一體，取代了傳統(tǒng)指針式電量表、信號(hào)燈、繼電器等電氣元件，并大量減少了配電柜內(nèi)二次接線，降低了傳統(tǒng)模式下以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式與監(jiān)控系統(tǒng)相連接,使用大量的控制電纜，擺脫了現(xiàn)場(chǎng)電纜敷設(shè)工程量大、接線復(fù)雜、系統(tǒng)調(diào)試難度大等缺點(diǎn).

2.3 網(wǎng)絡(luò)化

地鐵上應(yīng)用的低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)一般具有數(shù)字通信接口，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與微機(jī)處理系統(tǒng)互聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、控制中心遠(yuǎn)程操作等多種功能.

3 結(jié)語(yǔ)

低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)的性能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量，即可以在控制終端查看各回路或各控制單元的電量參數(shù)；(2)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，即可對(duì)控制單元遠(yuǎn)距離上傳、下載各種保護(hù)設(shè)定值、特性曲線；(3)遠(yuǎn)程控制，即可對(duì)控制單元進(jìn)行遠(yuǎn)程儲(chǔ)能、合閘、分閘、啟動(dòng)、停車(chē)(電動(dòng)機(jī)控制回路)等操作；(4)可進(jìn)行信息查詢(xún)，即可對(duì)低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)的各種信息資源進(jìn)行查詢(xún)，如故障記錄、日記報(bào)表，以及電網(wǎng)管理、電網(wǎng)質(zhì)量與負(fù)荷分析等.實(shí)際上低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)也是電子、自動(dòng)化與配電技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物.

根據(jù)不同城市地鐵的設(shè)計(jì)要求和地鐵線路的具體情況,目前國(guó)內(nèi)地鐵低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用各不相同,但從地鐵供電的可靠性和自動(dòng)化方面考慮,低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)將在地鐵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛.

〔1〕上海地鐵12號(hào)線龍華站動(dòng)力照明施工圖設(shè)計(jì).上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院.2012.

〔2〕上海地鐵13線長(zhǎng)壽路站動(dòng)力照明施工圖設(shè)計(jì).上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院.2012.

〔3〕中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

〔4〕于松偉，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

〔5〕劉介才.工廠供電[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

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1673-260 X（2012）09-0052-03