城市軌道交通智能供電系統(tǒng)框架及功能設(shè)計(jì)

何 斌，張華志，溫建民，王開康

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

1 引言

目前，城市軌道交通憑借其大運(yùn)量、快速度、高可靠性、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為我國(guó)城市交通運(yùn)輸體系的重要組成部分。城市軌道交通供電系統(tǒng)作為保證城市軌道交通正常運(yùn)行的重要系統(tǒng)，不僅為電動(dòng)列車提供牽引用電，還為其他運(yùn)營(yíng)服務(wù)設(shè)施（如照明、通風(fēng)、空調(diào)、給排水、通信、信號(hào)、防災(zāi)報(bào)警、自動(dòng)扶梯等系統(tǒng)）提供電能，應(yīng)具備安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、綠色低碳等特點(diǎn)。

城市軌道交通供電系統(tǒng)是一個(gè)多輸入、多輸出、非線性時(shí)變的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，涉及的設(shè)備眾多，其運(yùn)營(yíng)維護(hù)目前面臨著諸多問題：現(xiàn)有故障檢測(cè)和分析手段不夠智能，難以對(duì)設(shè)備健康狀況進(jìn)行評(píng)估，無法預(yù)判故障；故障發(fā)生后，故障診斷和原因分析耗時(shí)較長(zhǎng)，易引發(fā)較長(zhǎng)時(shí)間的停電、停運(yùn)；日常維修通常采用計(jì)劃修模式，難以避免對(duì)大量健康狀態(tài)良好的設(shè)備進(jìn)行維修、更換，導(dǎo)致大量人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)，增加運(yùn)營(yíng)成本；能源管理以監(jiān)測(cè)為主，缺少有效的調(diào)節(jié)控制手段，導(dǎo)致設(shè)備長(zhǎng)期處于高能耗、低效率的運(yùn)行狀態(tài)[1]。

為解決上述問題、落實(shí)國(guó)家雙碳戰(zhàn)略、順應(yīng)《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》要求、實(shí)現(xiàn)城市軌道交通的綠色低碳運(yùn)行，將先進(jìn)的測(cè)量、傳感、控制、通信、信息、人工智能等技術(shù)應(yīng)用到供電系統(tǒng)中，打造城市軌道交通智能供電系統(tǒng)，十分必要[2-3]。

2 城市軌道交通供電系統(tǒng)概述

城市軌道交通供電系統(tǒng)由主變電所（分散供電時(shí)為開閉所）、中壓網(wǎng)絡(luò)、牽引降壓混合變電所、降壓變電所、牽引網(wǎng)、電力監(jiān)控及其輔助監(jiān)控系統(tǒng)（如能源管理系統(tǒng)、雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、可視化接地監(jiān)控系統(tǒng)等）組成[4]。

其中，主變電所負(fù)責(zé)將高壓110 kV電源降壓為35/10 kV電源，再通過中壓網(wǎng)絡(luò)將降壓后的中壓電源輸送到沿線各站的變電所，由變電所將中壓電源降壓（或降壓整流）為車輛、機(jī)電設(shè)備適用的低壓電源，并通過牽引網(wǎng)輸送給沿線運(yùn)行的車輛。電力監(jiān)控及其輔助監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)各供電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度和管理，以保證供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 智能供電系統(tǒng)定義及功能需求

3.1 定義

目前，城市軌道交通供電系統(tǒng)的智能化處于探索階段，尚無成熟的定義、標(biāo)準(zhǔn)體系和架構(gòu)要求。本文根據(jù)城市軌道交通智能供電系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象、功能需求等，參考相關(guān)領(lǐng)域?qū)χ悄茈娋W(wǎng)（供電）的定義，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，將其定義為：運(yùn)用先進(jìn)的傳感、測(cè)試、信息、通信、計(jì)算機(jī)、控制、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，具有全息感知、信息交互、自愈重構(gòu)、快速響應(yīng)、節(jié)能控制、智慧運(yùn)維等功能，提供更加可靠、安全、經(jīng)濟(jì)電力供應(yīng)的城市軌道交通電力系統(tǒng)[5-6]。

3.2 功能需求

城市軌道交通智能供電系統(tǒng)的功能需求涵蓋全息感知、信息交互、自愈重構(gòu)、快速響應(yīng)、節(jié)能控制、智慧運(yùn)維6個(gè)方面，如圖1所示。

圖1 智能供電系統(tǒng)功能要求

（1）全息感知。通過先進(jìn)的傳感器、視頻采集器等對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)、全方位的的信息反映，是智能供電系統(tǒng)的信息來源和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，包括對(duì)變壓器、開關(guān)柜、電纜、整流器、接觸網(wǎng)等設(shè)備的溫度、位移、振動(dòng)、局部放電、噪聲等信息的全方位感知[7]。

（2）信息交互。通過先進(jìn)的信息、通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備、系統(tǒng)、線路之間的信息交換和相互驅(qū)動(dòng)；采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，構(gòu)建實(shí)時(shí)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的數(shù)字化、通信平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化、信息共享的標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）自愈重構(gòu)。通過全息感知、信息交互、人工智能等技術(shù)，對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別和定位，并采取相應(yīng)的故障自愈重組策略，通過一系列作業(yè)實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)隔離、自愈重組、自動(dòng)恢復(fù)供電運(yùn)行等[8]。

（4）快速響應(yīng)。通過全息感知、信息交互、自愈重構(gòu)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)對(duì)緊急情況的快速反應(yīng)，以縮短停電時(shí)間，提高服務(wù)水平。

（5）節(jié)能控制。通過全息感知、信息交互、人工智能等技術(shù)，對(duì)電、水、氣等能源消耗進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)分析；基于客流、環(huán)境關(guān)聯(lián)分析，通過智能化的控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的智能化節(jié)能控制。

（6）智慧運(yùn)維。通過全息感知、信息交互、人工智能、視頻巡檢等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的可視化，以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)、故障處理、應(yīng)急管理的智能化，有效控制風(fēng)險(xiǎn)，顯著降低運(yùn)維成本。

4 智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)框架

通過上述對(duì)城市軌道交通智能供電系統(tǒng)定義和功能需求的分析，本文根據(jù)城市軌道交通供電專業(yè)的特點(diǎn)、管理體制和分工，將城市軌道交通智能供電系統(tǒng)按功能分為智能供電設(shè)備、智能供電調(diào)度、智能能源管理和智能供電運(yùn)維4大模塊[9]，如圖2所示。

圖2 城市軌道交通智能供電系統(tǒng)框架

（1）智能供電設(shè)備模塊。該模塊由城市軌道交通變電所的智能開關(guān)設(shè)備（AC110kV氣體絕緣組合電氣設(shè)備（GIS）、AC35kV開關(guān)柜、DC1500V開關(guān)柜、AC0.4kV開關(guān)柜等）、變壓器（110/35 kV主變壓器、干式配電變壓器、接地變壓器、整流變壓器、雙向變流升壓變壓器等）、蓄電池、變流及其他直流設(shè)備（整流器、雙向變流器、負(fù)極柜、鋼軌電位限制裝置等）、牽引網(wǎng)（接觸網(wǎng)/軌、鋼軌等）、電纜及附屬材料（電纜、電纜頭）等組成。各智能供電設(shè)備分別由設(shè)備本體、集成于本體設(shè)備的傳感器和必要的智能組件構(gòu)成。

（2）智能供電調(diào)度模塊。該模塊為基于IEC 61850通信協(xié)議的智能供電監(jiān)控系統(tǒng)，包括智能變電站站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)和中央級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)2部分。

（3）智能能源管理模塊。該模塊由智能能源監(jiān)控系統(tǒng)、分布式能源及并網(wǎng)管理系統(tǒng)組成。

（4）智能供電運(yùn)維模塊。該模塊由供電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、供電設(shè)備健康管理系統(tǒng)、供電生產(chǎn)管理系統(tǒng)、供電輔助監(jiān)控系統(tǒng)、供電設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng)、供電專家分析系統(tǒng)、培訓(xùn)系統(tǒng)等組成。

4.2 功能設(shè)計(jì)

本節(jié)將根據(jù)上述確定的系統(tǒng)框架，對(duì)各模塊的具體功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2.1 智能供電設(shè)備模塊

智能供電設(shè)備模塊的設(shè)置旨在實(shí)現(xiàn)城市軌道交通變電所各設(shè)備的測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、信息互動(dòng)化，因此應(yīng)在滿足常規(guī)供電設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，根據(jù)工程實(shí)際需求，為其添加數(shù)字測(cè)量、網(wǎng)絡(luò)控制、狀態(tài)評(píng)估、信息互動(dòng)相關(guān)的全部或部分智能化功能。各設(shè)備的具體功能設(shè)置可參考GB/T 30155-2013《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》[10]中的規(guī)定。

4.2.2 智能供電調(diào)度模塊

智能供電調(diào)度模塊的設(shè)置旨在實(shí)現(xiàn)全站通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化以解決互操作性問題，利用GOOSE協(xié)議的快速傳輸特性以解決設(shè)備間信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和共享問題，以及實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)繼電保護(hù)模式的智能選擇及二次回路的網(wǎng)絡(luò)化。其功能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)智能供電監(jiān)控系統(tǒng)的自愈重構(gòu)和智能調(diào)度。

（1）自愈重構(gòu)。供電系統(tǒng)永久性故障發(fā)生后，智能供電監(jiān)控系統(tǒng)將對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別和定位，采取對(duì)應(yīng)的故障自愈重組策略，通過一系列倒閘作業(yè)實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)隔離、自愈重組、自動(dòng)恢復(fù)供電運(yùn)行等[11]。

（2）智能調(diào)度。智能供電監(jiān)控系統(tǒng)可在設(shè)備發(fā)生故障的情況下完成故障狀態(tài)自動(dòng)響應(yīng)、應(yīng)急方案自動(dòng)生成和觸發(fā)、線網(wǎng)級(jí)負(fù)荷預(yù)測(cè)、線網(wǎng)級(jí)能源智能優(yōu)化調(diào)度、多專業(yè)協(xié)同等操作[12]。

4.2.3 智能能源管理模塊

（1）智能能源監(jiān)控系統(tǒng)通過對(duì)全線的電、水、氣等能源消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備基于實(shí)時(shí)客流、外部環(huán)境變化的節(jié)能優(yōu)化控制[13]，具備車站設(shè)備節(jié)能控制、運(yùn)控節(jié)能控制兩大功能：①車站設(shè)備節(jié)能控制是指基于實(shí)時(shí)客流、環(huán)境參數(shù)等，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)車站通風(fēng)、空調(diào)、照明、電梯等系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制，實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化、節(jié)能運(yùn)行；②運(yùn)控節(jié)能控制是指利用基于列車運(yùn)行控制的節(jié)能技術(shù)，提供線-車-圖-網(wǎng)融合的一體化節(jié)能解決方案和控制方法。

（2）分布式能源及并網(wǎng)管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電、風(fēng)電、儲(chǔ)能裝置等分布式能源在城市軌道交通中的應(yīng)用，并對(duì)其進(jìn)行并網(wǎng)管理、潮流優(yōu)化、節(jié)能及智能化控制。

4.2.4 智能供電運(yùn)維模塊

智能供電運(yùn)維模塊的設(shè)置旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)維相關(guān)數(shù)據(jù)的智能感知、智能分析，運(yùn)維資源的智能配置，以及運(yùn)維決策的智能執(zhí)行，以推動(dòng)運(yùn)維管理方式從被動(dòng)維修向主動(dòng)健康管理轉(zhuǎn)變，從而提高生產(chǎn)效率[14]。其各子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)具體如下。

（1）供電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)各變電所設(shè)備、全線接觸網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，對(duì)設(shè)備運(yùn)行、絕緣、發(fā)熱、放電等狀態(tài)以及環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行智能感知，對(duì)故障、入侵等非正常情況進(jìn)行報(bào)警、聯(lián)動(dòng)。

（2）供電設(shè)備健康管理系統(tǒng)。對(duì)供電系統(tǒng)運(yùn)行、檢修、維護(hù)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電設(shè)備的故障診斷、健康評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)、維修輔助決策等。

（3）供電生產(chǎn)管理系統(tǒng)。為供電生產(chǎn)管理工作（如設(shè)備巡檢、試驗(yàn)、維護(hù)，編制生產(chǎn)計(jì)劃、維修工單，開展安全管理等）提供功能支持、流程管控、閉環(huán)管理、數(shù)據(jù)保存等服務(wù)。

（4）供電輔助監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指除智能供電監(jiān)控系統(tǒng)外的其他輔助性監(jiān)控系統(tǒng)，包括雜散電流監(jiān)測(cè)、可視化接地監(jiān)控、隔離開關(guān)集中監(jiān)控等系統(tǒng)。這些輔助監(jiān)控系統(tǒng)宜進(jìn)行整合，通過統(tǒng)一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)一體化。

（5）供電設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)供電設(shè)備及材料相關(guān)的生產(chǎn)、安裝、維保、備品備件等信息以及技術(shù)資料等進(jìn)行全過程動(dòng)態(tài)管理。

（6）供電專家分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有故障預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等功能，可對(duì)故障進(jìn)行智能預(yù)測(cè)，給出故障可能發(fā)生的時(shí)間、位置、影響范圍及處置方案等；分析供電系統(tǒng)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)可能出現(xiàn)的超負(fù)荷進(jìn)行預(yù)警，并評(píng)估系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

（7）培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可基于三維模型、虛擬技術(shù)、信息化技術(shù)進(jìn)行仿真教學(xué)、培訓(xùn)等。

5 結(jié)語

城市軌道交通智能供電系統(tǒng)具有全息感知、信息交互、自愈重構(gòu)、快速響應(yīng)、節(jié)能控制、智慧運(yùn)維等功能，可為城市軌道交通提供更加可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的電力供應(yīng)，保障其安全、順暢運(yùn)營(yíng)。本文針對(duì)目前城市軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)中存在的問題，在系統(tǒng)闡述智能供電系統(tǒng)的定義和功能需求的基礎(chǔ)上，構(gòu)建智能供電系統(tǒng)框架，并針對(duì)其各組成模塊進(jìn)行具體功能設(shè)計(jì)，以期為促進(jìn)城市軌道交通供電系統(tǒng)的智能化發(fā)展提供參考和借鑒。