城市軌道交通供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣永兵 劉廣歡 徐建

摘? 要：軌道交通供電系統(tǒng)通過共享主變電站和換乘站間環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)等建立起線與線間網(wǎng)絡(luò)化關(guān)聯(lián)，搭建了供電網(wǎng)絡(luò)化的框架結(jié)構(gòu)，為了達(dá)到調(diào)度指揮自動化體系與供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化適配的目的，結(jié)合國內(nèi)軌道交通供電系統(tǒng)傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化對供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)需求，提出了供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)技術(shù)路線、監(jiān)控范圍和各線接入方案、總結(jié)架構(gòu)及主要功能，得到供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)必要且具備可行性的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;供電系統(tǒng);線網(wǎng);調(diào)度自動化系統(tǒng)

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）16-0055-04

Design of Dispatching Automation System for Power Supply Line

Network of Urban Rail Transit

JIANG Yongbing， LIU Guanghuan， XU Jian

（China Railway Electrification Survey Design and Research Institute Co.， Ltd.， Tianjin? 300250， China）

Abstract： The rail transit power supply system establishes a networked relationship between lines and lines by sharing the main substation and the ring network connection between the transfer stations， and builds the framework of the power supply network， in order to achieve the networking adaptation purpose of the dispatching command automation system and the power supply system， combined with the construction experience of traditional dispatch automation system of domestic rail transit power supply system and the demand of power supply network dispatching automation system for power supply system networking， The technical route， monitoring scope， access scheme of each line， summary architecture and main functions of power supply line network dispatching automation system are put forward， and the conclusion that the design of power supply line network dispatching automation system is necessary and feasible is obtained.

Keywords： urban rail transit; power supply system; wire network; dispatching automation system

0? 引? 言

隨著國內(nèi)城市軌道交通行業(yè)的高速發(fā)展，截至2020年底，中國大陸地區(qū)共有45個城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路244條[1]。線網(wǎng)規(guī)模方面，已有22個城市軌道交通運(yùn)營線網(wǎng)規(guī)模達(dá)到100公里以上，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營階段，23個城市在建線路長度超過100公里。城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展背景下，通過共享主變電站、換乘站中壓環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)線間聯(lián)絡(luò)和支援越來越普遍，傳統(tǒng)的按單條線路兩級管理三級控制進(jìn)行供電系統(tǒng)設(shè)備調(diào)度指揮在線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展背景下有必要進(jìn)一步優(yōu)化[2]，以提高供電系統(tǒng)調(diào)度指揮的安全性、可靠性，提高調(diào)度指揮特別是應(yīng)急處置效率[3]。本文結(jié)合軌道交通網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展對供電調(diào)度自動化系統(tǒng)新需求，對供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，提出了合理可行的技術(shù)方案，有利于推進(jìn)軌道交通供電網(wǎng)絡(luò)化和智能化進(jìn)程。

1? 供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建及系統(tǒng)運(yùn)行方式

1.1? 供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建

供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的形成貫穿于規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營三個階段。在規(guī)劃階段，電力系統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃需體現(xiàn)供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化需求，為供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的布局和落地提供有力支持。在建設(shè)階段，通過共享主變電站、換乘站間中壓環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)建立起線與線間關(guān)聯(lián)，搭建完成供電網(wǎng)絡(luò)化的框架結(jié)構(gòu)，并通過繼電保護(hù)和自動化裝置，支撐供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。在運(yùn)營階段，根據(jù)單線需求及線間關(guān)系，統(tǒng)一調(diào)度，協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)化。

1.2? 供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)運(yùn)行方式

供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行主要有兩種方式，一種是通過共享主變電站方式實(shí)現(xiàn)，另一種是通過換乘站中壓環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線實(shí)現(xiàn)：

（1）共享主變電站。正常情況下，每座主變電站兩路110 kV進(jìn)線和各主變壓器分列運(yùn)行，負(fù)擔(dān)各自對應(yīng)的I段或II段負(fù)荷。在一路110 kV進(jìn)線退出或一臺主變壓器退出情況下，由剩余110 kV進(jìn)線或主變壓器承擔(dān)本主站供電范圍內(nèi)負(fù)荷[4]。

（2）換乘站中壓環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。換乘站中壓環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)一可為相鄰線路主站解列時支援供電，二可為相鄰線路提供臨時或應(yīng)急電源。正常情況下環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)打開，各線路中壓環(huán)網(wǎng)各自由本工程主變電站供電，當(dāng)一工程主變電站退出運(yùn)行且其相鄰主變電站無法保證向末端供電分區(qū)供電時，由另一條線主變電站支援供電。

2? 供電網(wǎng)絡(luò)化對調(diào)度自動化系統(tǒng)需求

隨著軌道交通供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，對供電系統(tǒng)調(diào)度自動化支撐能力提出了新要求：

（1）支撐線網(wǎng)供電系統(tǒng)全局監(jiān)控。從空間上各線調(diào)度實(shí)時運(yùn)行監(jiān)控范圍需要實(shí)現(xiàn)與本線關(guān)聯(lián)線路和共享主變電站設(shè)備的監(jiān)控或監(jiān)視。從對象上除供電運(yùn)行信息外，還需實(shí)現(xiàn)相關(guān)外部信息監(jiān)視，如電纜隧道環(huán)境。

（2）支撐線網(wǎng)供電系統(tǒng)全局分析。需要供電調(diào)度能夠?qū)θW(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢進(jìn)行統(tǒng)一分析，高度協(xié)同合作，提升電力調(diào)度對互聯(lián)互通軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)勢的全局感知能力。

（3）支撐線網(wǎng)供電系統(tǒng)全局防控。事故預(yù)想、預(yù)判、預(yù)控三方面，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行方式和設(shè)備狀態(tài)模擬安全自動裝置動作行為，提供輔助決策，進(jìn)行事前管控。

（4）支撐線網(wǎng)供電系統(tǒng)全局計(jì)劃決策。按需調(diào)整線間中壓環(huán)網(wǎng)互聯(lián)互通計(jì)劃，促進(jìn)資源全局共享，協(xié)調(diào)各線停電檢修計(jì)劃。

3? 供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)方案研究

3.1? 技術(shù)路線

供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)需要面向強(qiáng)互聯(lián)大供電網(wǎng)絡(luò)，基于物聯(lián)網(wǎng)思維，綜合運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)及其理念[5]，以“物理分布、邏輯統(tǒng)一”為指導(dǎo)思想，將物理分布在軌道交通各條線路的電力監(jiān)控系統(tǒng)，通過通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一套邏輯上統(tǒng)一的大調(diào)度自動化系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)的獨(dú)立建設(shè)、獨(dú)立使用模式的局限，統(tǒng)一為軌道交通線網(wǎng)電力監(jiān)控調(diào)度指揮提供服務(wù)，構(gòu)建供電更可靠、運(yùn)行更安全、調(diào)度更便捷、信息更暢通、運(yùn)維更高效的軌道交通供電系統(tǒng)。

3.2? 監(jiān)控范圍和各線接入方案研究

3.2.1? 供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)調(diào)度范圍研究

供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)有只監(jiān)控主變電站供電設(shè)備和監(jiān)控線網(wǎng)所有供電設(shè)備兩種方案。

供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)只監(jiān)控主變電站供電設(shè)備時，供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)負(fù)責(zé)共享110 kV主變電站及線網(wǎng)其他主變電站的統(tǒng)一監(jiān)控管理，監(jiān)控范圍為主變電站內(nèi)所有開關(guān)及其他供電設(shè)備。各線路車站、場段等處設(shè)置的線路變電所由各線控制中心電調(diào)分別監(jiān)控。供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)故障情況下，將監(jiān)控權(quán)限下放給指定的線路控制中心。

本方案優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)主變電站的統(tǒng)一集中監(jiān)控，及與供電部門的協(xié)調(diào)配合;缺點(diǎn)是一個主變電站故障，倒閘作業(yè)時，需要供電線網(wǎng)和線路調(diào)度配合完成，影響應(yīng)急處置效率，管理層級多，不利于發(fā)揮供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)分析決策、應(yīng)急聯(lián)動等功能。

供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)監(jiān)控線網(wǎng)所有供電設(shè)備時，正常運(yùn)行方式下，供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)負(fù)責(zé)共享主變電站及線網(wǎng)其他主變電站和各線路變電所所有供電設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控管理，監(jiān)控范圍為主變電站內(nèi)所有開關(guān)及所內(nèi)其他供電設(shè)備、車站變電所內(nèi)各級交流及直流開關(guān)設(shè)備及所內(nèi)其他供電設(shè)備。系統(tǒng)故障情況下，可將各主變電站及各線路車站變電所供電設(shè)備監(jiān)控權(quán)限下放給事先指定的線路控制中心設(shè)備調(diào)度。

本方案優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)供電系統(tǒng)設(shè)備統(tǒng)一全局調(diào)度，實(shí)現(xiàn)分析決策、應(yīng)急聯(lián)動、外部互聯(lián)等擴(kuò)展功能;缺點(diǎn)是集中監(jiān)控，風(fēng)險相對集中，需有完備的應(yīng)急預(yù)案，如同時建設(shè)線網(wǎng)調(diào)度指揮災(zāi)備系統(tǒng)[6]，與既有運(yùn)行管理模式差異較大，需管理制度和人員培訓(xùn)的同步優(yōu)化。

供電系統(tǒng)不同線路間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)化特征明顯，從全局性、系統(tǒng)性角度綜合考慮，供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)監(jiān)控線網(wǎng)所有供電設(shè)備方案更優(yōu)。

3.2.2? 既有線路接入供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)方案研究

供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)一般都是在既有線網(wǎng)較大規(guī)模后才開始建設(shè)，既有線路如何接入是關(guān)鍵問題。

供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)一是可通過與既有電力監(jiān)控或綜合監(jiān)控中央級接口實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)調(diào)度。由于既有已開通線路電力監(jiān)控中央級已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對全線供電設(shè)備的監(jiān)控及管理功能，監(jiān)控信息采集已經(jīng)比較完整，因此通過既有電力監(jiān)控中央級與供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)直接接口，并修改既有監(jiān)控系統(tǒng)中央級軟件，可實(shí)現(xiàn)新建調(diào)度自動化系統(tǒng)對既有線供電設(shè)備監(jiān)控功能。

供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)二是可通過既有線站級變電所綜合自動化系統(tǒng)直接接入線網(wǎng)調(diào)度。通過改造既有線路站級變電所綜合自動化系統(tǒng)，直接接入供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)，正常運(yùn)行時，線網(wǎng)調(diào)度指揮中心直接監(jiān)控變電所設(shè)備。同時，各線路控制中心與線網(wǎng)調(diào)度指揮中心設(shè)置通信接口，當(dāng)線網(wǎng)調(diào)度指揮中心與站級變電所綜合自動化系統(tǒng)通信故障時，通過線路控制中心下發(fā)相關(guān)調(diào)度命令。

通過與既有電力監(jiān)控中央級接口實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)調(diào)度接口簡單，對既有電力監(jiān)控系統(tǒng)影響小，安全可靠性高，投資低，可實(shí)施性更好。

3.3? 總體架構(gòu)研究

3.3.1? 運(yùn)營管理模式

供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)作為各條線路供電設(shè)備的監(jiān)控、協(xié)調(diào)、應(yīng)急指揮中心，采用三級管理、三級控制的運(yùn)營管理模式。供電線網(wǎng)調(diào)度指揮中心負(fù)責(zé)監(jiān)控整個軌道交通供電線網(wǎng)，與各線控制中心保持聯(lián)系，監(jiān)視、協(xié)調(diào)所有線路的運(yùn)營，具有統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一協(xié)調(diào)、指揮的職能。線路控制中心正常時負(fù)責(zé)監(jiān)視本線路供電設(shè)備狀態(tài)，在線網(wǎng)調(diào)度指揮中心監(jiān)控權(quán)限下放到本控制中心時，可對本線供電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控[7]。車站、場段控制室管理本車站和場段內(nèi)供電設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)站級監(jiān)控功能。供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

3.3.2? 系統(tǒng)架構(gòu)

供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)由基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用及展示層組成：

（1）基礎(chǔ)資源層由數(shù)據(jù)接入層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層組成。數(shù)據(jù)接入層主要由110 kV和35 kV變電所內(nèi)供電設(shè)備組成，網(wǎng)絡(luò)層和平臺層由城軌云平臺提供，城軌云平臺給供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)提供IaaS服務(wù)，提供計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)資源，供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)部署在城軌云安全生產(chǎn)網(wǎng)中。

（2）數(shù)據(jù)服務(wù)層包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)分析和相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息采集、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等，給業(yè)務(wù)應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用及展示層為供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)提供信息化、智能化和智慧化應(yīng)用服務(wù)。包括線網(wǎng)供電設(shè)備監(jiān)控、調(diào)度指揮、應(yīng)急指揮、運(yùn)營績效分析、線網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析、線網(wǎng)運(yùn)營管理評估、線網(wǎng)運(yùn)營信息服務(wù)等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

4? 供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)功能研究

4.1? 基本功能

供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)具備調(diào)度自動化系統(tǒng)的基本功能，主要包括：

（1）線網(wǎng)供電調(diào)度監(jiān)控功能。含數(shù)據(jù)采集及處理功能、控制與調(diào)節(jié)功能、監(jiān)視功能、順序控制功能、保護(hù)定值組投退及管理功能、統(tǒng)計(jì)功能、語音識別輔助調(diào)度功能、系統(tǒng)自愈功能（單線中壓環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)根據(jù)需要自動合閘、線間中壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)根據(jù)線間支援和負(fù)荷調(diào)整需要自動合閘）等。

（2）輔助監(jiān)測功能。通過設(shè)備狀態(tài)感知、遠(yuǎn)程巡視、智能分析等，實(shí)現(xiàn)對變電所內(nèi)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的測量、處理、存儲、展示、分析和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對變電所內(nèi)各類設(shè)備的自動預(yù)警、自動輸出報表等功能，減少人員到現(xiàn)場巡視次數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，節(jié)省檢修時間，提高供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行水平。具有線網(wǎng)能源級能源質(zhì)量實(shí)時采集、處理、計(jì)量、存儲、監(jiān)測等功能，具備可視化展示功能，具備建立能耗評價指標(biāo)體系功能。

（3）維修、仿真培訓(xùn)管理功能。具有線網(wǎng)供電系統(tǒng)設(shè)備維修、檢修計(jì)劃管理、運(yùn)營施工作業(yè)管理等功能。線網(wǎng)運(yùn)營仿真通過獲取的線路主變電站、車站變電所土建信息、設(shè)備信息、告警信息、操作信息等作為支撐，從而實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)營仿真。具體含培訓(xùn)仿真、線網(wǎng)故障模擬仿真等功能。

4.2? 高級功能

供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)除具備調(diào)度自動化系統(tǒng)的基本功能外，在安全管理、數(shù)據(jù)建模、應(yīng)急處置、輔助決策等方面還包括如下高級功能：

（1）供電運(yùn)行安全管理功能。含系統(tǒng)防誤功能、操作票管理功能、工作票管理功能等。

（2）線網(wǎng)建模及計(jì)算功能。通過全景數(shù)據(jù)建模、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觥顟B(tài)估計(jì)等實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)供電系統(tǒng)交直流混合潮流計(jì)算、各種故障情況下短路電流計(jì)算、電壓無功優(yōu)化分析、在線保護(hù)定值計(jì)算、在線故障診斷等功能。

（3）應(yīng)急處置與協(xié)同指揮功能。具備供電系統(tǒng)故障應(yīng)急處置功能，可通過制定線網(wǎng)供電應(yīng)急處置方案，統(tǒng)籌跨線電力調(diào)度指揮。系統(tǒng)支持實(shí)時模式、歷史模式、模擬模式等各種不同運(yùn)行模式。系統(tǒng)具備外部事件應(yīng)急協(xié)同指揮功能，包括接報、事件分級、預(yù)案調(diào)用、指令下達(dá)、信息報送、續(xù)警、評估等。

（4）輔助決策功能。1）運(yùn)營評估：通過評估模型、方法和車站、線路、網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)以軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)營風(fēng)險評估和以軌道交通日常運(yùn)營管理為重點(diǎn)的綜合評估。主要包括供電設(shè)備能力評估、設(shè)備健康狀態(tài)評估等。2）供電系統(tǒng)設(shè)備管理輔助決策：通過監(jiān)視線網(wǎng)供電系統(tǒng)設(shè)施、設(shè)備的工作狀態(tài)及參數(shù)，將其狀態(tài)信息、故障信息、相關(guān)參數(shù)在系統(tǒng)設(shè)備間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，從中挖掘設(shè)施、設(shè)備的隱患和預(yù)測其發(fā)展趨勢。3）地理信息系統(tǒng)功能：地理信息系統(tǒng)應(yīng)用主要功能包括：電子地圖基礎(chǔ)功能、應(yīng)急資源查詢和維護(hù)、線網(wǎng)主變電站和車站變電所及區(qū)間的錄況支持、綜合地圖展示應(yīng)用等功能。4）基于場景的調(diào)度輔助決策支持：供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)主要涉及的場景為：切除非主要設(shè)備供電、自動停送電、緊急停電作業(yè)、緊急支援供電等。5）運(yùn)行駕駛艙功能。駕駛艙是智能化供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，以供電系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)為主線，提供面向用戶的KPI監(jiān)視、預(yù)警、信息挖掘、決策分析和控制功能，為運(yùn)行人員管理整個供電系統(tǒng)提供一個綜合、直觀、閉環(huán)的友好環(huán)境。

5? 結(jié)? 論

為了適應(yīng)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展需求，軌道交通企業(yè)從安全監(jiān)控、優(yōu)化管理、提高效率的需求出發(fā)，適時建設(shè)供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)是必要且可行的。供電線網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)構(gòu)建了橫向更融合、縱向更專業(yè)、管理更精益、技術(shù)更智能的設(shè)備調(diào)度、運(yùn)維管理模式，提升了供電系統(tǒng)調(diào)度管理的安全性、可靠性。

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作者簡介：蔣永兵（1982—），男，漢族，重慶大足人，高級工程師，本科，研究方向：軌道交通自動化系統(tǒng);劉廣歡（1990—），男，漢族，天津河?xùn)|人，工程師，本科，研究方向：軌道交通供電系統(tǒng);徐建（1976—），男，漢族，天津河?xùn)|人，高級工程師，本科，研究方向：軌道交通自動化系統(tǒng)。