鐵路施工電力智能管理系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

王 燕，劉紅良，梁 策

（1.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

鐵路工程是我國(guó)交通體系的重要組成部分，而鐵路電力系統(tǒng)是保證鐵路交通正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。在鐵路工程建設(shè)期間，存在供電、用電管理的問(wèn)題[1]，同時(shí)，鐵路施工用電具有臨時(shí)性、用電負(fù)荷曲線呈駝峰狀、用電負(fù)荷分布不均勻的特點(diǎn)[2-4]，因此，亟需建立一個(gè)可智能化管理并實(shí)時(shí)展示數(shù)據(jù)的信息化平臺(tái)[5]，以智能化技術(shù)進(jìn)行施工供/用電的計(jì)量監(jiān)控，為施工供/用電管理的決策提供支持[6]。

智能化的電力管理是鐵路實(shí)現(xiàn)信息化的關(guān)鍵，也是提高工作效率、強(qiáng)化安全卡控的管理手段。目前，鐵路工程項(xiàng)目在供/用電管理方面鮮有精細(xì)化、智能化的研究成果[7]，因此，本文根據(jù)對(duì)鐵路工程建設(shè)過(guò)程中施工供/用電管理需求的分析，構(gòu)建了可采集、存儲(chǔ)并自動(dòng)分析施工供/用電各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的鐵路施工電力智能管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)電量電費(fèi)的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析及電力數(shù)據(jù)的可視化展示。

1 需求分析

1.1 業(yè)務(wù)需求

鐵路施工電力智能管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求包括以下4個(gè)方面：

（1）自動(dòng)獲取并分析智能電表的數(shù)據(jù)，將建設(shè)單位各項(xiàng)目、各標(biāo)段的電量使用數(shù)據(jù)全部納入監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)用電量的自動(dòng)匯總及電費(fèi)的自動(dòng)計(jì)算；

（2）通過(guò)自動(dòng)獲取變電站及開(kāi)關(guān)站自動(dòng)化設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電量的智能分析，為建設(shè)單位費(fèi)用結(jié)算與成本核算提供自動(dòng)化匯總工具；

（3）將重要工點(diǎn)的用電量與工藝工法結(jié)合分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)工點(diǎn)用電量合理性的有效評(píng)估；

（4）通過(guò)對(duì)供/用電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提升鐵路電力供應(yīng)穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升供/用電效率。

1.2 安全需求

施工供電的安全需求包括供電線路安全保障和送變電設(shè)備安全保障2部分。

（1）供電線路安全保障：自動(dòng)采集線路供電量數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)反饋實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)；設(shè)立供電量閾值及超限報(bào)警機(jī)制，當(dāng)供電量超出正常范圍可自行報(bào)警，通過(guò)系統(tǒng)提示和異常狀態(tài)提示燈立即通知至相關(guān)責(zé)任人員盡快搶修，避免用電安全事故發(fā)生。

（2）送變電設(shè)備安全保障：自動(dòng)采集送變電關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)并傳輸至管控平臺(tái)云端，通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)感知和閾值超限判斷，實(shí)現(xiàn)異常情況監(jiān)測(cè)，并通過(guò)系統(tǒng)提示和異常狀態(tài)顯示形成安全預(yù)警。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

根據(jù)施工電力工程的建設(shè)、監(jiān)理及施工單位的需求，鐵路施工電力智能管理系統(tǒng)總體架構(gòu)自下而上分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和展示層，如圖1所示。

圖1 鐵路施工電力智能管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）感知層

感知層通過(guò)各類前端感知設(shè)備采集施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。前端感知設(shè)備包括工程建設(shè)、設(shè)備監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)控過(guò)程中使用的各類相關(guān)設(shè)備。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層即通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、有線網(wǎng)及無(wú)線網(wǎng)等方式，將從感知層獲取的數(shù)據(jù)智能傳輸至數(shù)據(jù)層，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的上傳功能。

（3）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理施工階段智能電表的各類數(shù)據(jù)，以形成類型全面、格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)。該層數(shù)據(jù)主要包括：①智能電表數(shù)據(jù)，包含變電站智能電表數(shù)量、電量等數(shù)據(jù)；②項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)，包含各施工標(biāo)段的工點(diǎn)、構(gòu)筑物等信息及施工用電的地理位置數(shù)據(jù)；③項(xiàng)目組織機(jī)構(gòu)及人員數(shù)據(jù)，包含建設(shè)單位、施工單位、標(biāo)段、部門、工區(qū)等機(jī)構(gòu)及其人員的基本數(shù)據(jù)；④變電站數(shù)據(jù)，包含現(xiàn)場(chǎng)變電站電壓、電流、功率、頻率、變壓器油溫等數(shù)據(jù)；⑤視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，包含現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)站、變電站的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等。

（4）應(yīng)用層

應(yīng)用層基于感知層和網(wǎng)絡(luò)層而構(gòu)建，負(fù)責(zé)為工程建設(shè)信息化的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)信息機(jī)房各專業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

（5）展示層

展示層主要通過(guò)PC端、移動(dòng)端、液晶大屏等多種展示途徑，提供信息機(jī)房各專業(yè)設(shè)備全方位的數(shù)據(jù)展示、查詢等服務(wù)。

2.2 功能設(shè)計(jì)

鐵路施工電力智能管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)施工供/用電及其數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理及展示，其功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 鐵路施工電力智能管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.2.1 供電管理

該模塊通過(guò)智能電表采集并上傳數(shù)據(jù)，對(duì)電表數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析及匯總，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

（1）運(yùn)行狀態(tài)：統(tǒng)計(jì)變電站數(shù)量、報(bào)警數(shù)、正常運(yùn)行數(shù)量；顯示各變電站或開(kāi)關(guān)站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電量、電壓等。

（2）供電網(wǎng)絡(luò)：以衛(wèi)星地圖的形式顯示各供電站的分布、供電線路走向及范圍、供電線路長(zhǎng)度，同時(shí)展示工點(diǎn)與智能電表分布情況、匯總智能電表數(shù)量及電量。

（3）視頻監(jiān)控：顯示各配電站及開(kāi)關(guān)站視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)畫(huà)面。

（4）供電分析：按時(shí)間段匯總各配電站及開(kāi)關(guān)站的供電量及供電量走勢(shì)曲線，同時(shí)統(tǒng)計(jì)總供電量、報(bào)警數(shù)量及安全運(yùn)行天數(shù)等關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)。

2.2.2 用電管理

該模塊用于呈現(xiàn)各標(biāo)段的用電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、顯示現(xiàn)場(chǎng)各電表的實(shí)時(shí)用電量，便于管理人員快速掌握現(xiàn)場(chǎng)用電情況及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況，解決抄表難題。

2.2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

該模塊用于對(duì)開(kāi)關(guān)站、智能電表和工點(diǎn)的基本信息進(jìn)行維護(hù)，通過(guò)接入多協(xié)議、多廠家的智能電表采集并上傳數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2.2.4 首頁(yè)展示功能

按月匯總各個(gè)變電站供電量，按月、年匯總智能電表數(shù)量、電量及預(yù)估費(fèi)用，并對(duì)用戶權(quán)限內(nèi)所有智能電表用電量及費(fèi)用曲線、變電站供電曲線進(jìn)行展示。

2.2.5 大屏指揮

大屏指揮以組態(tài)圖形式展示供電網(wǎng)絡(luò)，并顯示智能電表實(shí)時(shí)電量及狀態(tài)；通過(guò)衛(wèi)星地圖展示供電線路走向、工點(diǎn)與智能電表的分布情況。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工供/用電監(jiān)測(cè)技術(shù)

本文通過(guò)梳理鐵路施工供電線路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，對(duì)不同智能電表的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸能力進(jìn)行評(píng)估分析，采用適合鐵路施工供電線路的智能電表，接入供電脈絡(luò)的各關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測(cè)。在對(duì)施工供/用電設(shè)備用電情況進(jìn)行分布式智能監(jiān)測(cè)過(guò)程中，遵循“電源—電網(wǎng)—負(fù)荷”的三層級(jí)節(jié)點(diǎn)智能監(jiān)測(cè)模式，配合基于數(shù)字化脈絡(luò)圖和供電調(diào)度中心聯(lián)動(dòng)分析的三層級(jí)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度、評(píng)估及電能質(zhì)量管理方法，對(duì)鐵路施工供/用電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

數(shù)字化脈絡(luò)圖從電源、電網(wǎng)及負(fù)荷三層級(jí)節(jié)點(diǎn)獲取供/用電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后可反映當(dāng)前輸電線路的穩(wěn)定性及系統(tǒng)振蕩情況。結(jié)合供電調(diào)度中心反饋的輸電系統(tǒng)輸電能力和電能質(zhì)量情況進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，并據(jù)此設(shè)置合適的供電控制目標(biāo)和供電策略，從而建立供電協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方案，通過(guò)供電調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度作業(yè)。

3.2 施工用電量智能分析與生產(chǎn)評(píng)估技術(shù)

本文針對(duì)不同標(biāo)段、工區(qū)、工點(diǎn)及工序，建立了以智能電表為核心、多種傳感器和監(jiān)控模塊集成的智能感知終端。該終端配置在施工用電設(shè)備上，形成多設(shè)備集成的監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）通過(guò)智能感知終端采集各施工用電設(shè)備的用電量數(shù)據(jù)，結(jié)合施工區(qū)段、工序或工法進(jìn)行設(shè)備用電量的縱向?qū)Ρ?，并針?duì)不同設(shè)備進(jìn)行用電量的橫向?qū)Ρ龋瑢?shí)現(xiàn)對(duì)施工用電的精細(xì)化監(jiān)測(cè)和計(jì)量；

（2）通過(guò)對(duì)不同施工環(huán)境下的設(shè)備用電量及功率的監(jiān)測(cè)，分析施工環(huán)境對(duì)設(shè)備用電量的影響；

（3）通過(guò)對(duì)功率異常的設(shè)備進(jìn)行異常原因分析，形成功率異常問(wèn)題庫(kù)及解決方案，為后續(xù)工程的開(kāi)展提供幫助。

將施工設(shè)備用電量與施工實(shí)際進(jìn)展關(guān)聯(lián)，總結(jié)用電量與施工生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)系，并基于此建立工程量與對(duì)應(yīng)用電量的“雙量”評(píng)價(jià)體系，可對(duì)電能的有效利用率進(jìn)行評(píng)估。

3.3 施工供電安全保障技術(shù)

針對(duì)鐵路施工供電的安全需求，從供電線安全監(jiān)測(cè)和送變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)2個(gè)方面建立了安全保障體系。

（1）利用智能感知終端，對(duì)供電線路進(jìn)行節(jié)點(diǎn)式安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；采集的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至管控平臺(tái)，通過(guò)提前預(yù)設(shè)的異常狀況預(yù)警和報(bào)警方式，在管控平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析及異常數(shù)據(jù)報(bào)警。

（2）通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)采集送變電設(shè)備運(yùn)行狀況；利用頻譜分析和集成化圖形展示技術(shù)，對(duì)送變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程感知；通過(guò)設(shè)置狀態(tài)異常閾值及超限判斷方法并建立超限報(bào)警和風(fēng)險(xiǎn)提示機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常情況的監(jiān)測(cè)及安全預(yù)警功能。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 電量電費(fèi)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析

（1）按時(shí)間段匯總各變電站及開(kāi)關(guān)站的供電量、電表數(shù)量等，并以走勢(shì)曲線圖進(jìn)行展示，同時(shí)可顯示報(bào)警數(shù)量及安全運(yùn)行天數(shù)等關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)，如圖3所示。

圖3 變電站供電情況統(tǒng)計(jì)

（2）按時(shí)間段統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)用電費(fèi)用，并對(duì)電費(fèi)排名進(jìn)行展示，如圖4所示。

圖4 用電費(fèi)用情況統(tǒng)計(jì)

（3）首頁(yè)展示，按月匯總各個(gè)變電站供電量，按月、年匯總智能電表數(shù)量、電量及預(yù)估費(fèi)用，如圖5所示。

圖5 鐵路施工電力智能管理系統(tǒng)首頁(yè)

4.2 可視化展示

通過(guò)地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）技術(shù)，以衛(wèi)星地圖及組態(tài)圖形式實(shí)現(xiàn)了供/用電情況的可視化展示，包括各供電站的分布、供電線路走向、各標(biāo)段的用電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。同時(shí)，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了與調(diào)度指揮系統(tǒng)的集成，通過(guò)調(diào)度指揮系統(tǒng)大屏可查看智能供電網(wǎng)絡(luò)的GIS展示、供電主接線拓?fù)鋱D及智能電表的數(shù)據(jù)和分析等界面。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合鐵路沿線施工供/用電需求，研發(fā)了鐵路施工電力智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用智能化的硬件設(shè)備及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行施工供/用電的計(jì)量監(jiān)控，結(jié)合工程建設(shè)信息化，建立了可實(shí)時(shí)展示數(shù)據(jù)的信息化平臺(tái)。

鐵路施工電力智能管理系統(tǒng)已應(yīng)用于在建鐵路，應(yīng)用效果較好，實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工供/用電的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)匯總、自動(dòng)分析及動(dòng)態(tài)展示的全階段管理。鐵路人員可結(jié)合系統(tǒng)綜合展示情況，快速掌握施工現(xiàn)場(chǎng)供/用電及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況，為電力管理決策提供了支持，并保障了施工用電的安全。該系統(tǒng)對(duì)解決鐵路沿線施工供電的信息化、數(shù)字化、智能化難題具有一定的借鑒意義。