地鐵智能低壓配電系統(tǒng)研究

中交（西安）鐵道設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710000

1 地鐵智能低壓配電系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

地鐵智能低壓配電系統(tǒng)由三級負(fù)荷開關(guān)、智能化斷路器、現(xiàn)場總線以及PLC可編程邏輯控制器等構(gòu)成，并由現(xiàn)場采集層、通信管理層與中心監(jiān)控層共同形成一套完整的配電監(jiān)控遠(yuǎn)程系統(tǒng)，具備輸配電監(jiān)控與信息通信、遠(yuǎn)程控制等使用功能。其中，現(xiàn)場采集層由智能化控制終端設(shè)備組成，如智能斷路器與溫控儀等，在系統(tǒng)運行期間，負(fù)責(zé)對所處環(huán)境及設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測采集，并將數(shù)據(jù)向上傳輸；通信管理層負(fù)責(zé)在現(xiàn)場采集層和中心監(jiān)控層間構(gòu)建穩(wěn)定的信息橋梁，基于通信協(xié)議對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，向中心監(jiān)控層上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，向現(xiàn)場采集層下達(dá)控制指令。

1.2 系統(tǒng)特點

與傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)相比，地鐵智能低壓配電系統(tǒng)的核心優(yōu)勢與系統(tǒng)特點體現(xiàn)在以下三個方面：（1）聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。在系統(tǒng)運行期間，通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的通信管理層保持中心監(jiān)控層與現(xiàn)場采集層及用電設(shè)備的通信聯(lián)系，將經(jīng)過數(shù)字化處理后的監(jiān)測信息上傳至中心監(jiān)控層，將其作為制定系統(tǒng)設(shè)備控制指令的決策依據(jù)。同時，持續(xù)對系統(tǒng)及設(shè)備運行狀況進(jìn)行監(jiān)控感知，在監(jiān)測到運行故障后，系統(tǒng)自動發(fā)送報警信號，在用戶界面顯示報警動畫，并基于程序運行準(zhǔn)則采取相應(yīng)措施。（2）節(jié)能環(huán)保。智能化低壓配電系統(tǒng)具有良好的環(huán)境感知能力，在已知信息基礎(chǔ)上準(zhǔn)確判斷實際低壓配電需求，并對地鐵內(nèi)部實施分階段電力供應(yīng)模式，如在運營高峰期后自動關(guān)閉部分照明燈具，以此減少電能消耗。（3）供電安全。低壓配電系統(tǒng)負(fù)責(zé)對用電系統(tǒng)運行狀況進(jìn)行監(jiān)測，在檢測到電氣故障時將控制斷路器等裝置執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)動作，快速消除系統(tǒng)故障，控制故障影響范圍，避免造成更嚴(yán)重的損失。

1.3 系統(tǒng)控制方式

地鐵工程的低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，受到外部因素影響時，偶爾會出現(xiàn)短路、漏電、超負(fù)荷與電火花等電氣故障，進(jìn)而影響到正常的電力供應(yīng)。因此，為保證供電安全，減小電氣故障對系統(tǒng)運行及設(shè)備造成的影響，在構(gòu)建地鐵智能低壓配電系統(tǒng)時必須采取多元化控制措施，如BAS控制、就地控制、FAS控制方式。以智能照明系統(tǒng)為例，在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，在照明配電室進(jìn)行控制，并由開關(guān)裝置對應(yīng)急照明進(jìn)行就地控制；同時，在檢測到照明系統(tǒng)處于異常運行狀態(tài)或出現(xiàn)故障問題后，快速切換至FAS進(jìn)線控制模式。

1.4 系統(tǒng)運用效果

（1）變電所低壓配電控制。在地鐵智能低壓配電系統(tǒng)運行期間，通過控制三級負(fù)荷低壓開關(guān)、進(jìn)線斷路器以及母聯(lián)斷路器等裝置，將起到變電所低壓配電控制的作用，實現(xiàn)地鐵低壓配電系統(tǒng)可靠安全供電目標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)實際運行情況，可選擇遙測遙控方式，將系統(tǒng)實時狀態(tài)作為決策依據(jù)，向進(jìn)線斷路器與母聯(lián)斷路器等裝置下達(dá)相應(yīng)控制指令，以此控制變電所低壓。同時，可通過由以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、PLC與智能開關(guān)裝置等構(gòu)成的控制網(wǎng)絡(luò)對母聯(lián)斷路器及進(jìn)線斷路器等裝置進(jìn)行控制，實現(xiàn)降低變電所低壓目標(biāo)。

（2）現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線作為地鐵智能低壓配電系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)，是通過改善系統(tǒng)與設(shè)備間的連接關(guān)系，解決設(shè)備間的信息傳遞問題，保證數(shù)據(jù)交換的通暢性，起到提高系統(tǒng)管理效率的效果。同時，依托現(xiàn)場總線技術(shù)，可以重新對地鐵低壓配電系統(tǒng)的操作描述與輸入輸出使用功能進(jìn)行重新定義，改善系統(tǒng)用戶層的可操作性。

（3）智能斷路器。斷路器是一款具備關(guān)合、承載及開斷異?；芈窏l件下電流的開關(guān)裝置，在智能低壓配電系統(tǒng)中，所配置智能斷路器發(fā)揮著分配電能與向電源電路及設(shè)備提供保護(hù)的作用，可將其視作過欠熱繼電器以及熔斷式開關(guān)裝置的組合體。在系統(tǒng)運行期間，智能斷路器持續(xù)對系統(tǒng)整體運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，在檢測到出現(xiàn)過載運行、欠壓與短路等故障時，自動執(zhí)行分閘動作，切斷故障電路，取得最佳的分閘效果。

2 地鐵智能低壓配電系統(tǒng)實現(xiàn)策略

2.1 可視化管理

由于地鐵工程低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在運行期間會持續(xù)產(chǎn)生龐大數(shù)據(jù)量，需要工作人員全面了解各項實時數(shù)據(jù)，掌握低壓配電系統(tǒng)實時運行狀況，科學(xué)制訂管理計劃并下達(dá)控制指令。在這一系統(tǒng)管理模式中，對工作人員的專業(yè)素養(yǎng)提出了嚴(yán)格要求，因為受到人為因素影響，時常會出現(xiàn)故障問題，管理存在漏洞。對此，在開發(fā)地鐵智能低壓配電系統(tǒng)時，應(yīng)在計算機終端開發(fā)可視化操作界面，將智能化系統(tǒng)分析處理后的數(shù)據(jù)信息在用戶界面中以圖表形式進(jìn)行集中化、可視化展示，幫助管理人員快速掌握系統(tǒng)實時運行狀況，為管理決策的制定提供信息支持。

2.2 低壓部分智能控制

首先，應(yīng)嚴(yán)格遵循地鐵設(shè)計規(guī)范，重點開發(fā)系統(tǒng)低壓部分的饋線回路、進(jìn)線、無功補償?shù)炔课坏倪b測遙控功能。其次，基于AcuSystem等配電管理系統(tǒng)開發(fā)智能低壓配電系統(tǒng)的中心監(jiān)控層，確保系統(tǒng)同時具備數(shù)字報表與圖形分析等使用功能，可以向用戶直觀顯示數(shù)據(jù)信息與處理結(jié)果。再次，在系統(tǒng)現(xiàn)場采集層中配置具備通信接口的智能元件，如PLC可編程邏輯控制器與Arcnvim系列智能化儀表等裝置。最后，在條件允許的前提下，盡可量采取總分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在各分站中心點設(shè)置監(jiān)控主機，并在各分站區(qū)域內(nèi)設(shè)置瀏覽子機，授予管理人員瀏覽權(quán)限。

2.3 環(huán)控電控低壓設(shè)計

在地鐵工程中，環(huán)控系統(tǒng)涵蓋隧道通風(fēng)系統(tǒng)、車站通風(fēng)系統(tǒng)以及給排水系統(tǒng)，在系統(tǒng)中配置了大量的電機，電機遠(yuǎn)程控制、綜合保護(hù)與用電監(jiān)控是環(huán)控系統(tǒng)的主要職能。因此，在環(huán)控電控低壓設(shè)計環(huán)節(jié)，需要配置適當(dāng)數(shù)量記性好的電機保護(hù)器，向電機設(shè)備提供過載保護(hù)、短路保護(hù)及斷相功能，如配置AcuMC620型電動機保護(hù)器。同時，要求所配置電機保護(hù)器具備多種通信接口，持續(xù)將所采集數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)程傳輸至主機系統(tǒng)。

3 地鐵智能低壓配電系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 智能照明系統(tǒng)

在地鐵工程中，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)主要采取BAS控制方式，僅可對相同照明回路中的照明燈具進(jìn)行開啟與關(guān)閉控制，并要求在現(xiàn)場敷設(shè)大量線纜，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于系統(tǒng)管理與維護(hù)檢修工作的開展。同時，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)在運行期間由于運行模式僵化，無法根據(jù)實際用電需求進(jìn)行調(diào)整，常造成不必要的電能損耗。智能照明系統(tǒng)由一體化主機、照度傳感器、網(wǎng)關(guān)接口模塊、照明開關(guān)控制器、通信網(wǎng)絡(luò)與可編程現(xiàn)場控制面板等組成，具有較高的智能化與自動化程度，可以在系統(tǒng)運行期間對所處環(huán)境進(jìn)行有效感知，判斷車站等區(qū)域的實際照明需求，并在其基礎(chǔ)上下達(dá)相應(yīng)控制指令，如調(diào)整系統(tǒng)用電負(fù)荷與關(guān)閉部分照明燈具。

與傳統(tǒng)照明系統(tǒng)相比，智能照明系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：（1）功能完備。管理人員可以將系統(tǒng)切換至調(diào)光控制與定時控制等運行模式，以滿足實際照明需求，在不同場合內(nèi)提供獨特的照明效果。同時，在無人工干預(yù)條件下，系統(tǒng)可以自動制訂與實施控制指令，使系統(tǒng)穩(wěn)定處于最佳運行狀態(tài)。（2）系統(tǒng)采取總線形式，所布置線路結(jié)構(gòu)較為簡單，在運行期間不易出現(xiàn)電氣故障，在客觀層面上提高了系統(tǒng)維修效率。（3）智能照明系統(tǒng)采取分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，僅需配置一臺計算終端即可滿足系統(tǒng)的運行管理需求。

3.2 電力監(jiān)控系統(tǒng)

電力監(jiān)控系統(tǒng)簡稱為SCADA系統(tǒng)，具備遙控、遙信以及遙測使用功能。其中，遙控功能是對系統(tǒng)設(shè)備遙控下達(dá)控制命令，如控制設(shè)備開關(guān)分合與調(diào)節(jié)開度；遙信功能負(fù)責(zé)對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，采集與傳輸開關(guān)量的信息數(shù)據(jù)；遙測功能是對電壓、系統(tǒng)功率與電流等模擬量數(shù)值進(jìn)行遠(yuǎn)程測量。

在地鐵工程中，SCADA系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測高低壓配電柜、軌道電位限制裝置與交直流屏等設(shè)備的實時運行狀態(tài)，向管理人員提供設(shè)備集中控制、事故自動報警、數(shù)據(jù)分析、信息采集等服務(wù)，幫助管理人員全面掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)，替代人工完成多數(shù)基礎(chǔ)性工作，有力推廣了少人值守與無人值守模式。此外，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，在開發(fā)SCADA系統(tǒng)時，應(yīng)采取分散控制結(jié)構(gòu)。如此，在系統(tǒng)運行期間，當(dāng)任意控制部分出現(xiàn)運行故障時，并不會對系統(tǒng)整體運行狀態(tài)造成明顯影響，從而控制故障影響范圍。

3.3 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

通過構(gòu)建電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，可以在地鐵火災(zāi)事故發(fā)生的第一時間發(fā)現(xiàn)火情，并采取相應(yīng)措施，保證應(yīng)急照明與通風(fēng)排煙等系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，為受災(zāi)人員提供疏散通道，減小火災(zāi)所造成的損失。例如，在系統(tǒng)運行期間，通過末端探測器持續(xù)對線路及控制區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備的溫度與電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，可將所采集的信號進(jìn)行放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，將監(jiān)測值與所設(shè)定報警值進(jìn)行對照分析，如果監(jiān)測值超過安全閥值，系統(tǒng)將自動發(fā)送報警信號，并依靠監(jiān)測數(shù)據(jù)鎖定著火點，引導(dǎo)工作人員排查火災(zāi)險情。

4 結(jié)束語

綜上所述，在現(xiàn)代地鐵工程中，相關(guān)部門需要加大對地鐵智能低壓配電系統(tǒng)的研究力度，正確認(rèn)識智能化系統(tǒng)的應(yīng)用價值，大力開發(fā)與持續(xù)完善智能低壓配電系統(tǒng)，以此推動我國城市軌道交通事業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，保證地鐵低壓配電系統(tǒng)及用電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。