地鐵低壓配電及照明智能化設(shè)計(jì)研究

曹國(guó)虎

（蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 地鐵低壓配電和照明系統(tǒng)的特點(diǎn)

地鐵中各種設(shè)備龐大而且復(fù)雜，相互之間配合要求較高，還有其具有公益性，對(duì)低壓配電和供電的安全性、可靠性都有很高的要求。地鐵動(dòng)力負(fù)荷包括車站排熱風(fēng)機(jī)、空調(diào)機(jī)組、區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)、區(qū)間射流風(fēng)機(jī)和冷水機(jī)等許多通風(fēng)空調(diào)設(shè)備，同時(shí)還有出入口位置的污水機(jī)、廢水泵、潛水泵、風(fēng)道初集水泵等大量的水泵設(shè)備。這些設(shè)備不僅在設(shè)備旁可以實(shí)現(xiàn)就地控制，而且還會(huì)通過(guò)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、車站設(shè)備系統(tǒng)一般是由車站綜控室進(jìn)行控制，還有部分設(shè)備需要由控制中心來(lái)進(jìn)行相關(guān)監(jiān)視和控制工作。

通常情況下，照明系統(tǒng)具有相對(duì)比較齊全的分類，具有的功能也很多。車站照明包括應(yīng)急照明、正常照明和值班照明。其中，應(yīng)急照明主要是由疏散照明、備用照明等組成。同時(shí)，正常照明主要是由工作照明、廣告照明、區(qū)間照明、導(dǎo)向標(biāo)志照明、附屬用房照明、節(jié)點(diǎn)照明等組成。除了就地控制照明之外，站臺(tái)、廣告照明、站廳、標(biāo)志照明以及出入口公共區(qū)照明等均是由照明配電室進(jìn)行管理和控制，并且在車站綜控室還需要由BAS 實(shí)現(xiàn)控制。通常情況下，應(yīng)急照明一般是通過(guò)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)就地控制，如果出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，將通過(guò)FAS 控制來(lái)達(dá)到全部點(diǎn)亮的要求。為了節(jié)約用電，在運(yùn)營(yíng)高峰時(shí)，站廳公共區(qū)、站臺(tái)、節(jié)點(diǎn)照明和工作照明的所有照明全部開(kāi)啟；高峰時(shí)段過(guò)后，關(guān)掉節(jié)點(diǎn)照明和工作照明，節(jié)約照明用電。等深夜列車停止運(yùn)行時(shí)，公共區(qū)的節(jié)點(diǎn)照明和工作照明將會(huì)徹底關(guān)掉，僅保留值班照明和應(yīng)急照明，以便于內(nèi)部人員的正常通行和巡視。[1]

2 目前低壓配電及照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能化概況

在低壓配電系統(tǒng)當(dāng)中，電動(dòng)機(jī)通常在位于電動(dòng)機(jī)控制中心內(nèi)。一次回路在傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)控制中心供電回路中發(fā)揮著比較重要的作用，其通常是由接觸器、塑殼斷路器、熱繼電器等低壓元件組成，二次回路通常用按鈕、變送器、信號(hào)燈、測(cè)量?jī)x表、控聯(lián)/聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)、變送器等當(dāng)作實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測(cè)量、控制、聯(lián)鎖、信號(hào)的設(shè)計(jì)。

通常情況下，智能化低壓配電系統(tǒng)需要具備較高的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)擁有遙測(cè)、遙控、遙調(diào)與遙訊特點(diǎn)。對(duì)于智能化低壓配電系統(tǒng)而言，其主要包括三部分：（1）自動(dòng)化程度高，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)可以滿足集中控制要求；（2）可靠性程度高，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，用上位計(jì)算機(jī)遙測(cè)和遙調(diào)，可以快速識(shí)別、切斷故障，并發(fā)出警告；（3）安全性高，操作只使用鍵盤就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)置的有效改變，進(jìn)而降低因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)操作產(chǎn)生的安全隱患；（4）通過(guò)對(duì)低壓配電及照明系統(tǒng)進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，不僅可以提高其智能化水平，而且還可以提高其工作效率。

3 地鐵低壓配電及智能化技術(shù)解決方式

通常情況下，地鐵低壓配電系統(tǒng)中，從功能上可以將元件分為開(kāi)關(guān)保護(hù)控制、電能智能監(jiān)測(cè)和電動(dòng)機(jī)控制等等。智能低壓系統(tǒng)的功能包括數(shù)字通信、實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程操作和程序控制、記錄事件和報(bào)警、保護(hù)定值管理、分析故障和各類報(bào)表、管理設(shè)備維護(hù)信息等。關(guān)于聯(lián)網(wǎng)，從兩機(jī)間的通信發(fā)展為一機(jī)和多機(jī)的通信，然后是網(wǎng)絡(luò)通信，關(guān)于通信協(xié)議，從各公司內(nèi)部協(xié)議角度出發(fā)，來(lái)制定一套系統(tǒng)、完善的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以期更好地滿足多種現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)放協(xié)議，進(jìn)而提高低壓配電及照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能化水平。[2]

3.1 標(biāo)志照明和應(yīng)急照明控制

圖1 節(jié)能管理方案

圖2 節(jié)能模式

電池與系統(tǒng)線路、終端燈具都不能監(jiān)控自帶備用蓄電池應(yīng)急燈具。集中供電式應(yīng)急照明技術(shù)能夠自動(dòng)檢測(cè)電源，但是不可以同時(shí)對(duì)系統(tǒng)線路和管理終端燈具進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控。應(yīng)急照明控制機(jī)制應(yīng)該通過(guò)一套電源進(jìn)行集中供電，也可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控管理電池、線路和終端照明燈具。關(guān)于安全照明、標(biāo)志照明、備用照明和智能應(yīng)急疏散指示等應(yīng)急照明控制方案，下面幾個(gè)措施可以采用：

一是應(yīng)用電力載波技術(shù)，直接控制應(yīng)急回路與終端設(shè)備，不需要數(shù)據(jù)線；二是采用多種協(xié)議格式，和車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成；三是使用新興技術(shù)，完成智能疏散指示控制；四是系統(tǒng)配有自動(dòng)巡檢功能，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)，各個(gè)主站和分站的設(shè)備能夠聯(lián)網(wǎng)，便于統(tǒng)一進(jìn)行管理。

3.2 低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置

通常情況下，電動(dòng)機(jī)能夠使用低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置。這一裝置可以使現(xiàn)有的軟件系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善，并在此基礎(chǔ)上來(lái)對(duì)確保各項(xiàng)硬件功能的有效實(shí)現(xiàn)，因此把裝置硬件部分設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，配備了裝置的通用性，還可以提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的效率，減少用戶現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和調(diào)試所需的工作量。實(shí)際上，對(duì)于低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置而言，其硬件部分使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)采集、保護(hù)和計(jì)算數(shù)據(jù)，并且單片機(jī)也可以滿足面板顯示與整定值輸出功能。

3.3 低壓智能化必須和車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合

地鐵內(nèi)的車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和智能低壓系統(tǒng)的接口關(guān)系包括應(yīng)急正常照明配電箱、導(dǎo)向系統(tǒng)控制設(shè)備、照明電源裝置、通風(fēng)空調(diào)電控柜、變頻器與軟起動(dòng)柜等。

現(xiàn)場(chǎng)總線也被叫做開(kāi)放式、數(shù)字式多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，其能夠確保串行、雙向、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信需求，并且可以實(shí)現(xiàn)微處理器檢測(cè)設(shè)備之間的有效銜接，就目前情況來(lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)快速發(fā)展還被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化領(lǐng)域當(dāng)中。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在自動(dòng)化領(lǐng)域是一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，智能化低壓發(fā)展趨勢(shì)便是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以被廣泛應(yīng)用在綜合測(cè)控儀表、電動(dòng)機(jī)控制和開(kāi)關(guān)保護(hù)中，并且可以滿足以上功能。軟件協(xié)議是可軟件解碼的、開(kāi)放的、通用的協(xié)議。系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)配合關(guān)鍵在于劃分車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)界面。

3.4 地鐵照明智能現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)設(shè)備的構(gòu)成和功能

通常情況下，現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)設(shè)備一般是由傳感器和就地控制柜等組成，結(jié)合車站設(shè)備在照明配電室、通風(fēng)空調(diào)電控室和環(huán)控機(jī)房等位置來(lái)進(jìn)行科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)，以此來(lái)提高其運(yùn)行效率。

實(shí)際上，照明配電室配備RI/O 遠(yuǎn)程控制柜，主要負(fù)責(zé)廣告照明、管理區(qū)照明、導(dǎo)向系統(tǒng)以及車站公共區(qū)照明相關(guān)電源設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視工作。火災(zāi)模式下，控制命令主要是由火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制器發(fā)出，切斷和消防沒(méi)關(guān)系的電源，并實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)視電梯運(yùn)行狀態(tài)，并且在火災(zāi)中控制電梯使其運(yùn)行到安全區(qū)，還要負(fù)責(zé)故障信號(hào)、運(yùn)行狀態(tài)和水位報(bào)警信號(hào)的監(jiān)視工作。

對(duì)于通風(fēng)空調(diào)電控室而言，其中的低壓開(kāi)關(guān)柜主要是由監(jiān)控水系統(tǒng)、智能模塊和通風(fēng)系統(tǒng)等電機(jī)設(shè)備組合而成。這一智能模塊借助智能通信管理器，與車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)控制器的連接采用的是現(xiàn)場(chǎng)總線。低壓專業(yè)負(fù)責(zé)低壓開(kāi)關(guān)柜、智能通信管理器和內(nèi)部智能模塊的設(shè)計(jì)。

應(yīng)急照明電源與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制器的連接靠的是現(xiàn)場(chǎng)總線，來(lái)對(duì)應(yīng)急照明電源的運(yùn)行狀態(tài)以及故障信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控。

RI/O 遠(yuǎn)程控制柜會(huì)被設(shè)置在區(qū)間泵房中，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控區(qū)間水位報(bào)警信號(hào)、水泵故障信號(hào)和運(yùn)行狀態(tài)等工作，一旦發(fā)現(xiàn)異常將會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，以確保其安全、高效運(yùn)行。RI/O 和車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)控制柜中的車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)控制器的連接靠的是總線電纜。

4 智能化低壓配電柜的組成分析

在變電所中，智能低壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)視、互鎖和監(jiān)控低壓斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遙控、遙信和遙測(cè)智能斷路器，并對(duì)通風(fēng)空調(diào)、給排水等設(shè)備進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)視、控制、保護(hù)，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)智能模塊參數(shù)進(jìn)行科學(xué)、合理的設(shè)定和復(fù)位。通風(fēng)空調(diào)設(shè)備一般情況會(huì)設(shè)置環(huán)控、上位監(jiān)控系統(tǒng)、就地電控室等三級(jí)控制，以確保各系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行。

4.1 低壓配電設(shè)備的配置

通常情況下，環(huán)控電控柜一般選擇了抽屜柜。在各個(gè)環(huán)控電控室柜中，所選擇的智能模塊主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行有效連接。實(shí)際上，現(xiàn)場(chǎng)總線可以選擇單總線形式，且總線數(shù)量不能少于三條，分散因?yàn)榭偩€故障帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，確?？偩€的安全性和可靠性。水泵控制可以選擇控制箱形式，采用集電機(jī)保護(hù)器、斷路器以及接觸器于一體的CPS 方案，能夠減少工序，也能夠縮小空間并減少故障率。

4.2 關(guān)鍵單元配置要求

通常情況下，電機(jī)保護(hù)控制模塊、小PLC 和軟啟動(dòng)等通過(guò)網(wǎng)關(guān)和總線連接，并且要與車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)保持時(shí)間是同步的，還要用車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)要求的總線協(xié)議替換底層總線協(xié)議。電機(jī)保護(hù)控制模塊主要是借助外置或者內(nèi)置電流互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)測(cè)電流的自動(dòng)采集，顯示點(diǎn)擊運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和故障。模塊應(yīng)該包括許多可以編程的數(shù)字量輸入點(diǎn)，把電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、控制狀態(tài)、故障信息等參數(shù)上傳到網(wǎng)關(guān)；還有一個(gè)或多于一個(gè)的通信接口。電機(jī)保護(hù)控制模塊選擇的是工業(yè)型產(chǎn)品。智能I/O 或PLC 可以顯示故障和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，把相關(guān)參數(shù)上傳至網(wǎng)關(guān)。

5 總結(jié)

綜上所述，隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，推動(dòng)了地鐵低壓配電系統(tǒng)朝著智能化方向發(fā)展，現(xiàn)如今低壓電器行業(yè)的迫切任務(wù)是通過(guò)低壓配電裝置的配合，來(lái)確保配電系統(tǒng)的安全性、可靠性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)照明的智能化，控制簡(jiǎn)便，各種設(shè)備的應(yīng)用更加靈活，提高地鐵系統(tǒng)運(yùn)行效率，并達(dá)到節(jié)能效果。