城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)智能化管控終端設(shè)計

孫建新

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,710043,西安∥高級工程師)

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城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)智能化管控終端設(shè)計

孫建新

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,710043,西安∥高級工程師)

為有效實現(xiàn)城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)的智能化,設(shè)計一種集保護、控制、狀態(tài)監(jiān)測、測量、計量、負(fù)荷預(yù)估及優(yōu)化等功能于一體的雙CPU(中央處理器)結(jié)構(gòu)柔性綜合管控終端,將其嵌入到低壓配電設(shè)備中“以軟代硬”,使系統(tǒng)涵蓋“信息化、自動化、集成一體化”的智能模式。設(shè)計的管控終端用于某市地鐵3號線工程，試用結(jié)果表明：其測量誤差小、功能完善可靠,滿足低壓配電系統(tǒng)智能化需求,工程實用價值良好。

城市軌道交通; 低壓配電系統(tǒng); 智能化管控終端

Author′s address China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,710043,Xi′an,China

建立具有“自愈、集成、預(yù)測、優(yōu)化”等智能化特征的城市軌道交通低壓配電系統(tǒng),是提升城市軌道交通正常運營、科學(xué)管控水平的重要保障。目前常規(guī)的利用多功能數(shù)字儀表、智能斷路器、以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、PLC(可編程控制器)控制器等元器件堆積組合方法搭建的“準(zhǔn)”智能化系統(tǒng)[1-2],雖能實現(xiàn)城市軌道交通降壓變電所低壓進線斷路器、母聯(lián)斷路器、三級負(fù)荷總開關(guān)、重要饋線回路的遙測、遙控、遙信功能[3-4],但上述方法及系統(tǒng)存在以下缺陷：數(shù)字儀表和斷路器自帶的智能脫扣器測量信息各自獨立，對斷路器附件性能(如智能脫扣器)要求過高導(dǎo)致成本較高，各元器件通訊規(guī)約不一致時組網(wǎng)困難，各元件類別不同時功能差異性大自動化水平不均衡，結(jié)構(gòu)模式不簡潔不統(tǒng)一和維護不方便等,在實際工程應(yīng)用中難以有效發(fā)揮作用[5-6]。

本文研究了一種結(jié)構(gòu)簡潔、涵蓋智能電網(wǎng)“信息化、自動化、集成一體化”特征要求的綜合管控終端裝置,通過實時采集城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)全景工況參數(shù),實現(xiàn)對配電回路智能化脫扣保護、控制、狀態(tài)監(jiān)測、測量、計量和負(fù)荷預(yù)估,能使低壓配電設(shè)備簡化成“管控終端加斷路器”的兩元化結(jié)構(gòu)，低壓配電系統(tǒng)成為具有智能電網(wǎng)特征的智能化模式,有力支撐城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)的安全、優(yōu)化、可控和可觀運行。

1 城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)特點

城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)按功能分為降壓變電低壓系統(tǒng)、環(huán)控電控低壓系統(tǒng)兩類。除牽引負(fù)荷外,其為所有運營機電設(shè)備提供動力和照明電源,與通用低壓配電系統(tǒng)相比,其特點及對智能化需求如下。

(1) 對可靠性、穩(wěn)定性要求較高,當(dāng)重要回路發(fā)生配電故障時,會直接危害城市軌道交通正常運行,有可能造成不良社會影響。這一特點要求低壓配電系統(tǒng)應(yīng)具有對海量數(shù)據(jù)挖掘評估、對可能發(fā)生故障提前預(yù)測、對已發(fā)生故障快速診斷、對故障供電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點快速自愈和重構(gòu)等智能“自愈、預(yù)測”功能,主動避免發(fā)生安全事故。

(2) 車站面積寸土寸金(如地下車站),安裝空間有限,配電設(shè)備需要高度集成、占地小、維護方便。這一特點要求低壓配電設(shè)備內(nèi)置元件量少體小、功能集成不重復(fù)、互換與兼容性好,設(shè)備自身結(jié)構(gòu)簡潔化一,具備“以軟代硬”、“智能終端加斷路器”兩元化模式的智能“集成”特征。

(3) 以放射式配電結(jié)構(gòu)為主,電纜數(shù)量大,敷設(shè)在封閉式悶頂或橋架中,供電距離經(jīng)常至數(shù)百米,受環(huán)境潮濕、散熱條件差、位置隱蔽、難以檢修等因素影響,電纜絕緣性能下降嚴(yán)重,易產(chǎn)生故障隱患。這一特點要求低壓配電系統(tǒng)具備通過潮流計算與分析預(yù)知發(fā)現(xiàn)電纜絕緣降低安全隱患的智能“預(yù)測”功能。

(4) 用電設(shè)備密集度高、運行空間相對封閉、潛在電氣火災(zāi)隱患大,火災(zāi)發(fā)生時人員疏散、救援難度大。這一特點要求低壓配電系統(tǒng)具備通過負(fù)荷的工況信息和數(shù)據(jù)分析,準(zhǔn)確預(yù)估、預(yù)警潛在電氣火災(zāi)的智能“預(yù)測”功能。

(5) 在運營高峰與低谷時用電負(fù)荷狀態(tài)變化大,有較大的節(jié)能和優(yōu)化的空間。這一特點要求低壓配電系統(tǒng)能統(tǒng)計用電規(guī)律、預(yù)測負(fù)荷、優(yōu)化管控低壓配電設(shè)備和低壓配電網(wǎng)運行模式,具備智能“預(yù)測、優(yōu)化”功能。

2 城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)智能化管控終端設(shè)計

2.1 低壓配電系統(tǒng)管控終端裝置的硬件設(shè)計

針對上述城市軌道交通配電系統(tǒng)特點及實現(xiàn)其智能化的必要性,結(jié)合智能電網(wǎng)特征要求,設(shè)計的管控終端結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示,包括基于雙CPU(中央處理器)結(jié)構(gòu)(DSP(數(shù)字信號處理器)加單片機)的主機及其接口 A、向前測控通道B和向后測控通道C三個環(huán)節(jié)。

圖1 城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)智能化管控終端結(jié)構(gòu)原理圖

主機及其接口環(huán)節(jié)A由DSP系統(tǒng)模塊、CPLD(可編程邏輯器件)邏輯與組合系統(tǒng)模塊、鍵盤模塊、單片機系統(tǒng)模塊、磁耦合器、以太網(wǎng)口模塊、串行通信口模塊和液晶顯示模塊組成。向前測控通道環(huán)節(jié)B由回路三相電壓檢測模塊、回路三相電流檢測模塊、回路剩余電流檢測模塊、信號調(diào)理模塊、回路溫濕度檢測模塊、遙信量檢測模塊組成。向后測控通道環(huán)節(jié)C由多個功率光電耦合器和開出回路組成。

2.2 低壓配電系統(tǒng)管控終端的工作原理及測控算法

實際工作中,該裝置信號調(diào)理單元4將由三相電壓檢測模塊1、回路三相電流檢測模塊2、回路剩余電流檢測模塊3分別送入的三相電流、三相電壓、剩余電流、電流電壓相位差信號進行放大、限幅、濾波、隔離、變換,再送入含有內(nèi)置A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)轉(zhuǎn)換器的DSP系統(tǒng)模塊9進行采樣與如下處理。

(1) 對于實時采集的三路電壓、電流信號利用交流電量采樣技術(shù)和三相瞬時無功理論計算其電壓、電流效值,不平衡電壓/電流值,有功、無功、視在功率,功率因數(shù),諧波電流含量和累計做功總能量等。其中基于瞬時無功理論的ip-iq諧波電流檢測方法如圖2所示。

圖2 ip-iq諧波電流檢測方法原理圖

利用計算出來的各種電參數(shù)值分別與預(yù)先設(shè)定在內(nèi)存中的閾值做比較,按照配電保護理論完成對配電回路的Ⅰ段、Ⅱ段、瞬時過電流保護,不平衡保護,電壓過低、過高、錯序或缺相保護,合相負(fù)荷保護。分析這些獲得的實時工況參數(shù)并與存儲在內(nèi)存中的回路故障標(biāo)準(zhǔn)特征庫比對,完成對配電系統(tǒng)故障診斷;利用記錄的歷次和本次城市軌道交通運營高峰與低谷時間段內(nèi)的工況參數(shù),基于灰色預(yù)測理論建立回路的負(fù)荷動態(tài)預(yù)估數(shù)學(xué)模型。

(2) 對于實時采集的一路剩余電流采用自相關(guān)理論法分析,給出回路絕緣和潛在電氣火災(zāi)危險故障的狀況判斷。

此外,由回路溫濕度檢測模塊5輸出的(電纜溝或環(huán)境)數(shù)字式溫濕度信號,直接通過磁耦合器6隔離由DSP系統(tǒng)模塊9采集處理,當(dāng)溫濕度超過閾值時給出報警或跳閘命令;回路工作狀態(tài)信號(如斷路器位置、低壓柜抽屜位置)由遙信量檢測模塊7采集、處理,經(jīng)磁耦合器8隔離送入CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊10中進行邏輯判斷運算。

2.3 低壓配電系統(tǒng)管控終端的試驗

用JCD4046精密測試電源、MFTB-3多功能繼電保護測試裝置、HR220-1電弧發(fā)生裝置等對本管控終端進行試驗。摘錄含有21次諧波時的功率及電能計量測試數(shù)據(jù)如表1所示,其中cosα=0.500,CT變比=5/5,基波參數(shù)Uaf=Ubf=Ucf=220 V、Iaf=Ibf=Icf=5 A,諧波參數(shù)Uah=Ubh=Uch=100 V、Iah=Ibh=Ich=2 A。從表1可知,該終端能將21次的諧波電能從總能量中分開計量,誤差不超過±0.5%。

表1 配電系統(tǒng)含有21次諧波時的功率及電能計量測試

該終端其余功能、性能的試驗數(shù)據(jù)在此不再贅述。綜合測試結(jié)果表明其對各項運行參數(shù)測量誤差均不超過±0.5%,保護、控制、狀態(tài)監(jiān)測、測量、計量、負(fù)荷預(yù)估與優(yōu)化等功能完善可靠。

3 用管控終端實現(xiàn)城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)智能化的方法

3.1 用管控終端實現(xiàn)城市軌道交通低壓配電設(shè)備智能化

因本管控終端的各項功能均來自于智能電網(wǎng)特征要求,故將其直接嵌入到低壓配電設(shè)備中,替代設(shè)備中已有的多功能數(shù)字儀表(含普通儀表、作為內(nèi)部考核用的電度表)、斷路器的智能控制器、以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、PLC控制器等二次元件,既使低壓配電設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化成“管控終端加開關(guān)本體”二元化模式,符合了智能電網(wǎng)對智能設(shè)備的“一次加二次”物理形態(tài)要求,又使其具備了“信息化、自動化、集成一體化”的智能特征。其中開關(guān)本體負(fù)責(zé)開斷配電回路電流,管控終端完成回路的智能脫扣保護(開關(guān)本體附帶的脫扣器可取消或選用低版本配置)、全景數(shù)據(jù)測量、故障預(yù)測、自愈優(yōu)化控制等。

3.2 用管控終端實現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)智能化的工程應(yīng)用

在某市地鐵3號線長樂坡站降壓變電所低壓配電系統(tǒng)中,將該管控終端配置在進線、母聯(lián)、三級負(fù)荷總饋線、至環(huán)控電控室總饋線等重要回路中,實現(xiàn):①各智能斷路器遙控、遙信;②各回路全景數(shù)據(jù)測量、分析、統(tǒng)計;③各回路電纜絕緣降低、短路、過載等故障診斷,潛在電氣火災(zāi)事故防控;④低壓配電系統(tǒng)供電方式結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與自愈控制;⑤低壓配電系統(tǒng)能量管理;⑥低壓配電系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測預(yù)估;⑦進線、母聯(lián)、三級負(fù)荷總開關(guān)間的邏輯互鎖;⑧變電所備用發(fā)電機電源的自動啟動、投切、互鎖。此工程的部分配電一次回路及實物圖如圖3所示。近半年的在線試運行證明,該管控終端能滿足智能化配電的各項需求,有效實現(xiàn)軌道交通低壓配電系統(tǒng)的智能化。

圖3 用管控終端實現(xiàn)的智能化低壓配電系統(tǒng)一次回路及設(shè)備實物圖

3.3 用管控終端實現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)智能化的技術(shù)經(jīng)濟分析

與現(xiàn)有技術(shù)相比,以本管控終端為核心實現(xiàn)智能低壓配電系統(tǒng)的有益技術(shù)經(jīng)濟效果是:

(1) 將配電回路中二次部分集成為一標(biāo)準(zhǔn)組件,嵌入配電設(shè)備儀表視窗中,節(jié)省了分散二次元件物理空間、互換性好,且配線簡潔,柜中裝載回路個數(shù)增加,系統(tǒng)所需柜體數(shù)量相對減少;

(2) 配電系統(tǒng)在原有常規(guī)保護、監(jiān)控技術(shù)條件基礎(chǔ)上,增加了“自愈、預(yù)測、優(yōu)化”等智能化功能特征,且僅需通過電力潮流分析和數(shù)據(jù)挖掘,可將低壓配電系統(tǒng)能量管理(EMS)、電氣火災(zāi)防控系統(tǒng)自融為一體,無需額外增加專有系統(tǒng);

(3) 系統(tǒng)保護、監(jiān)視、控制、分析等功能基于不同算法實現(xiàn),以軟代硬、對外接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、柔性與兼容性強;

(4) 配電設(shè)備簡化成二元化結(jié)構(gòu)模式,功能區(qū)明顯,故障節(jié)點減少、定位清晰,維護容易,設(shè)備可靠性提高;

(5) 在實際工程應(yīng)用中,實現(xiàn)具有相同功能的智能低壓配電系統(tǒng),投資成本可下降20%左右。

4 結(jié)論

(1) 實現(xiàn)城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)智能化,是城市軌道交通系統(tǒng)特點和智能電網(wǎng)框架對低壓配電系統(tǒng)的新要求,是城市軌道交通系統(tǒng)減少事故、提高電能效率和服務(wù)水平、保障正常運輸秩序、降低運營成本、減少經(jīng)濟損失的重要手段。

(2) 本文設(shè)計的管控終端,其涵蓋的各項功能來自于智能電網(wǎng)特征要求,將其嵌入到低壓配電設(shè)備中,能使低壓配電系統(tǒng)及其設(shè)備直接具有“信息化、自動化、集成一體化”的智能化特征。

(3) 本文設(shè)計的管控終端,內(nèi)含檢測、預(yù)測、控制等多種算法,以軟代硬、柔性好,經(jīng)試驗與在某市地鐵3號線長樂坡站試用,證明其功能完善可靠、參數(shù)測量精度高、能簡潔實現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)的智能化、顯著提升低壓配電管控水平和運營品質(zhì),具有良好的工程實用價值。

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Design of Low Voltage Power Distribution System for Urban Mass Transit Intelligent Terminal DeviceSUN Jianxin

An intelligent terminal device with the function of management and control is designed to enhance the flexibility and intelligence of the low voltage power distribution system for urban mass transit. Based on the integration of power parameter measurement, load forecast and optimization, protection and control, a sort of flexible measurement and control software is used in the device which consists of a dual CPU structure, and is embedded in the low voltage power distribution equipment. The device will strengthen urban rail transit system in an intelligent model with flexible characteristics, covering information, automation and integration. While adopted on metro line in a city, the intelligent terminal device exhibits the characteristics of high measurement precision, high reliability and perfect functions. It could meet the demands of intelligent low voltage distribution system and is expected to have practical values.

urban mass transit; low voltage power distribution system; intelligent terminal device

U 231.8; U 224.3

10.16037/j.1007-869x.2016.05.009

2015-08-27)