物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力雙源無軌電車供電系統(tǒng)智能化

■ 金曉霖 楊 斌

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力雙源無軌電車供電系統(tǒng)智能化

■ 金曉霖 楊 斌

作為連接供電線網(wǎng)的重要元件，隔離開關(guān)承擔(dān)著電氣隔離和電能輸送的任務(wù)。隔離開關(guān)的操作依靠人工現(xiàn)場完成，不僅效率低而且線網(wǎng)停電時間長，會影響雙源無軌電車的正常行駛和充電?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能隔離開關(guān)通過遠(yuǎn)程后臺即可完成分合閘控制，并能實時采集線網(wǎng)電壓，顯著提高線網(wǎng)的供電質(zhì)量和管理水平，可實現(xiàn)雙源無軌電車供電系統(tǒng)整體智能化。

1 北京公交雙源無軌電車及其供電系統(tǒng)

北京公交集團目前運營的雙源無軌電車超過1200輛，供電線網(wǎng)200雙對公里以上，運營線路30條。雙源無軌電車的動力來源主要是道路上方架設(shè)的供電線網(wǎng)，供電站將交流10kV電能轉(zhuǎn)換為直流電能，通過饋線電纜傳輸?shù)金侂姼綦x開關(guān)，由隔離開關(guān)將電能輸送到供電線網(wǎng)。供電線網(wǎng)可為雙源無軌電車提供直接驅(qū)動車輛行駛的電能，也能為車載儲能設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的充電電流。供電站、饋線電纜、饋電隔離開關(guān)和供電線網(wǎng)構(gòu)成了雙源無軌電車供電系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 雙源無軌電車供電系統(tǒng)示意圖

雙源無軌電車供電系統(tǒng)不僅要為車輛提供動力和充電能源，還要為車輛上裝設(shè)的空調(diào)(暖氣）、氣泵等設(shè)備提供電能。隨著電車數(shù)量的增加，供電系統(tǒng)的負(fù)荷大幅度上升，易導(dǎo)致電站供電設(shè)備、地下電纜接頭過熱和絕緣老化等問題，在維修供電設(shè)備時無法給線網(wǎng)提供電能。另外，城市道路等施工作業(yè)也會使供電電纜被截斷、損壞接地。當(dāng)出現(xiàn)上述問題時，需要斷開饋電隔離開關(guān)，將問題電纜和對應(yīng)線網(wǎng)進(jìn)行隔離，并使用相鄰線網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)應(yīng)急供電，保證車輛正常運行。

供電線網(wǎng)作為雙源無軌電車的動力來源，其電壓分布也會影響車輛驅(qū)動電機的正常工作。當(dāng)長距離供電線網(wǎng)下出現(xiàn)車輛密集行駛時，線網(wǎng)末端電壓普遍偏低。一般來說，車輛正常行駛的最小驅(qū)動電壓不應(yīng)低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的20%，即使在極端情況下也不能低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的30%。同時，線網(wǎng)作為電車的充電網(wǎng)絡(luò)，其電壓的波動情況也會影響車載儲能裝置的正常充電，以750V供電系統(tǒng)為例，車載鋰電池的正常充電電壓范圍是608V～900V。因此，對線網(wǎng)電壓特別是末端電壓的測量監(jiān)視尤為重要，當(dāng)發(fā)現(xiàn)供電電壓偏低時，可進(jìn)行末端均壓等操作，以提高線網(wǎng)末端供電電壓。

供電線網(wǎng)的管理如隔離、聯(lián)絡(luò)以及末端電壓測量等操作，一直以來采取現(xiàn)場人工方式。由于饋電隔離開關(guān)設(shè)置在供電線網(wǎng)附近，聯(lián)絡(luò)應(yīng)急供電和末端電壓測量也必須到線網(wǎng)末端完成，當(dāng)出現(xiàn)故障時，工作人員必須迅速趕到現(xiàn)場進(jìn)行操作，以盡快對線網(wǎng)進(jìn)行隔離并恢復(fù)供電。由于供電線網(wǎng)分布范圍廣，人員和架線車輛到達(dá)現(xiàn)場的時間較長，當(dāng)遇到城市早晚高峰時，恢復(fù)供電的時間更長。北京公交高峰期人員和車輛到達(dá)現(xiàn)場的時間有時會超過2個小時，嚴(yán)重影響了車輛的正常供電和充電。

北京公交雙源無軌電車供電系統(tǒng)智能化的箱式電站（圖2）、遠(yuǎn)程后臺系統(tǒng)（圖3、圖4、圖5）、全新的故障檢測技術(shù)和信息交互技術(shù)已讓供電站實現(xiàn)了無人值守。智能化的箱式和房式電站已經(jīng)實現(xiàn)了各類電量與非電量的數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)測、故障自動識別、供電自動恢復(fù)、設(shè)備遠(yuǎn)程控制等。相比之下，供電線網(wǎng)的管理還停留在上世紀(jì)90年代水平，不僅操作效率較低，而且容易導(dǎo)致線網(wǎng)長時間無法正常供電。

圖2 北京公交電車供電系統(tǒng)現(xiàn)場運行的箱式供電站

圖3 北京公交電車供電系統(tǒng)遠(yuǎn)程后臺

圖4 新型隔離開關(guān)和遠(yuǎn)程后臺拓?fù)鋱D

圖5 現(xiàn)場運行的智能遠(yuǎn)程饋電開關(guān)箱和聯(lián)絡(luò)開關(guān)箱

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能隔離開關(guān)及其應(yīng)用

為了減小線網(wǎng)停電時間，提高隔離開關(guān)的操作效率，利用通信手段實現(xiàn)隔離開關(guān)的遠(yuǎn)程控制和線網(wǎng)電壓數(shù)值的實時監(jiān)測是最為便捷可行的方式。由于供電線網(wǎng)廣泛分散在城市街道，采用有線通信方式必然會導(dǎo)致通信電纜重新鋪設(shè)，對各個城市而言很難做到。面對這個難題，可借助當(dāng)前迅猛發(fā)展的基于無線通信的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)，英文名稱IoT（Internet of things），簡單地說就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中。物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)方向很多，如3G/4G，GPRS，NB-IoT，Lora，Sigfox等?？紤]到供電線網(wǎng)在城市中分布區(qū)域廣，開關(guān)操作和電壓測量的數(shù)據(jù)交互量不大的特點，可選擇覆蓋面較廣且應(yīng)用成熟的GPRS技術(shù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能隔離開關(guān)具有如下功能特點：可借助運營商成熟的網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程后臺進(jìn)行連接，在幾十秒內(nèi)即可完成開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)兩側(cè)電壓、開關(guān)箱內(nèi)溫度等數(shù)據(jù)采集，也可由后臺下發(fā)指令對開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程分合閘操作；可支持現(xiàn)場WIFI連接，考慮到隔離開關(guān)經(jīng)常安裝在人員不易操作的位置，通過WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)交互可大大減輕設(shè)備現(xiàn)場維護的工作量；隔離開關(guān)操作時能自動實現(xiàn)電壓互鎖，防止開關(guān)帶電壓、帶負(fù)荷操作；能夠?qū)﹂_關(guān)、儲能設(shè)備、控制器等關(guān)鍵部件的運行狀態(tài)進(jìn)行實時診斷。

智能隔離開關(guān)能夠根據(jù)雙源無軌電車供電系統(tǒng)的工作要求完成多種應(yīng)用。

（1）供電線網(wǎng)電壓分布測量。通過對線網(wǎng)電壓的數(shù)據(jù)采集，特別是在早晚高峰車輛擁堵密集時，可以評估供電線網(wǎng)能否為車輛行駛提供足夠的動力電源和充電電壓；后臺系統(tǒng)可對所采集的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析，為線網(wǎng)的布局和配置提供大數(shù)據(jù)依據(jù)。供電線網(wǎng)電壓分布測量如圖6所示。

（2）地下電纜絕緣檢測。當(dāng)智能隔離開關(guān)和供電站結(jié)合起來時，可高效率地完成針對地下電纜的絕緣檢測（圖7）。通過遠(yuǎn)程后臺系統(tǒng)閉合供電站內(nèi)某個直流饋線斷路器，斷開其余直流饋線回路，并將該直流饋線對應(yīng)的饋電隔離開關(guān)斷開，此時使用供電站內(nèi)的絕緣檢測設(shè)備即可評估該饋線電纜對地的絕緣泄漏情況?？紤]到遠(yuǎn)程后臺系統(tǒng)對隔離開關(guān)操作的高效性，可以定期對所有直流饋線電纜進(jìn)行絕緣泄漏評估，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并對比，以了解饋線電纜對地泄漏的變化。

雙源無軌電車的動力技術(shù)、電池技術(shù)以及集電桿取電方式近年來發(fā)生了日新月異的變化。北京、濟南、青島等多個城市的雙源無軌電車供電站已完成了全面自動化和無人值守，在大幅度提高電站工作效率和各類判斷準(zhǔn)確率的同時，顯著降低了人力成本。供電線網(wǎng)作為供電系統(tǒng)服務(wù)車輛的“最后一公里”，其供電質(zhì)量與持續(xù)供電時間等已經(jīng)成為影響車輛正常運營的關(guān)鍵，借助當(dāng)前高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能隔離開關(guān)能夠顯著提高供電線網(wǎng)的工作效率，并為整個供電系統(tǒng)智能化打下堅實基礎(chǔ)。

圖6 供電線網(wǎng)電壓分布測量

圖7 地下電纜絕緣檢測

（金曉霖：蘇州萬龍電氣集團股份有限公司；楊 斌：北京公共交通控股（集團）有限公司電車客運分公司供電所）