宋新啟

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，300251，天津∥工程師)

1 地鐵配電系統(tǒng)

地鐵低壓配電系統(tǒng)是地鐵供電網(wǎng)絡(luò)中重要的服務(wù)系統(tǒng)，承擔(dān)了除為電動(dòng)車組供電以外所有低壓負(fù)荷提供電能的重要任務(wù)，保證所有動(dòng)力照明設(shè)備配電的安全、可靠、有效、經(jīng)濟(jì)。地鐵的設(shè)備系統(tǒng)較多，其中環(huán)控系統(tǒng)是低壓配電中的“用電大戶”，一般地下車站環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)備用電容量占整個(gè)地鐵配電系統(tǒng)中所有設(shè)備容量的一半左右。

根據(jù)車站規(guī)模及設(shè)備分布，在一般換乘站、帶折返線的車站以及車站長(zhǎng)度超過200 m的較大規(guī)模車站，由于其負(fù)荷容量較大，供電距離較長(zhǎng)，采用設(shè)置兩座降壓變電所的方案較為合理;而車站長(zhǎng)度低于200 m的一般規(guī)模車站，在節(jié)約投資的前提下，采用設(shè)置一座降壓變電所的方案即可滿足供電。

車站配電主要根據(jù)負(fù)荷的分布情況劃分不同的供電區(qū)域，分為由降壓變電所直供和經(jīng)風(fēng)機(jī)環(huán)控電控室供電兩種形式。通常在靠近環(huán)控機(jī)房旁設(shè)環(huán)控電控室，負(fù)責(zé)環(huán)控設(shè)備的供電。環(huán)控電控室電源引自車站降壓變電所。環(huán)控電控室為單母線分段運(yùn)行，即母線Ⅰ、母線 Ⅱ 兩段母線不設(shè)分段開關(guān)(僅深圳地鐵、廣州地鐵的部分到環(huán)控電控室的兩段母線設(shè)分段開關(guān))。

2 智能配電系統(tǒng)的構(gòu)成

智能型低壓配電系統(tǒng)較常見的結(jié)構(gòu)為三級(jí)結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上看，整個(gè)智能型低壓配電系統(tǒng)主要由3部分組成:①主計(jì)算機(jī)，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)配電和控制設(shè)備以及智能型元器件進(jìn)行監(jiān)控、保護(hù)和通信控制。主計(jì)算機(jī)可以是PC機(jī)、已存在的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、PLC(可編程邏輯控制器)或離散控制系統(tǒng)。②通信網(wǎng)絡(luò)，主要含主機(jī)接口、子網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器及網(wǎng)卡。主計(jì)算機(jī)通過主機(jī)接口對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)施控制，子網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器是二級(jí)網(wǎng)的控制器。在比較大的配電系統(tǒng)中，采用子網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器可以大大提高主計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)的訪問速度，提高實(shí)際監(jiān)控的能力。③智能型低壓配電和控制設(shè)備，也就是采用了帶有通信接口的智能型控制器或智能型電器元件的低壓配電和控制設(shè)備。

3 地鐵車站智能低壓系統(tǒng)

從地鐵的實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)來看，負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)維護(hù)的供電車間對(duì)降壓變電所低壓部分除進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器、三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)以外的其他饋線回路無法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，無法實(shí)時(shí)掌握其電氣元件的工作狀態(tài)。因此，傳統(tǒng)的低壓系統(tǒng)維護(hù)工作量很大，增加了運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員的現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作;同時(shí)，因其設(shè)備多采用接觸器和繼電器控制，所以，現(xiàn)場(chǎng)的元器件較多，系統(tǒng)的可靠性也較差。目前由于智能低壓元件技術(shù)的快速發(fā)展，針對(duì)電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控的電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制器也得到了全面的發(fā)展和應(yīng)用，智能化數(shù)字儀表也由單一的測(cè)量顯示元件發(fā)展為帶I/O模塊及通信模塊的綜合智能元件。因此，智能低壓系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的各種保護(hù)，如堵轉(zhuǎn)、過載、定/反時(shí)限熱保護(hù)、缺相/相不平衡、接地、欠載、過電壓、欠電壓、裝置故障報(bào)警等，同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)各種電動(dòng)機(jī)不同的啟動(dòng)控制方式，包括軟啟動(dòng)、直接啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制、星/三角啟動(dòng)、雙速控制等，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有供配電回路的測(cè)量、計(jì)量、監(jiān)視、故障分析、故障報(bào)警和預(yù)報(bào)警的功能。由于系統(tǒng)功能的提高和控制接線的簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化程度，大大縮短了系統(tǒng)的安裝調(diào)試時(shí)間。地鐵車站智能低壓系統(tǒng)包括兩個(gè)部分，即降壓變電所低壓部分和環(huán)控電控低壓部分。

3.1 降壓變電所低壓部分的智能系統(tǒng)

降壓變電所智能低壓系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器、三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)的遙測(cè)、遙控、遙信的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有饋出回路的遙測(cè)、遙信。智能系統(tǒng)由以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、智能開關(guān)、PLC、智能化數(shù)字儀表等組成，進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器、三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)的遙控由斷路器本體實(shí)現(xiàn)，其他饋線回路的遙測(cè)、遙信由智能化數(shù)字儀表實(shí)現(xiàn)，變電所備用電源的自投自復(fù)監(jiān)控通過PLC實(shí)現(xiàn)。圖1為降壓變電所智能低壓系統(tǒng)圖。杭州地鐵1號(hào)線、深圳地鐵2號(hào)線、南京地鐵2號(hào)線等地鐵線路降壓變電所低壓部分智能系統(tǒng)采用了該方式。

3.2 環(huán)控電控低壓部分的智能系統(tǒng)

環(huán)控電控智能低壓系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)配有軟啟動(dòng)和變頻器的電機(jī)回路的綜合保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有饋出回路的綜合保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控。圖2為環(huán)控電控智能低壓系統(tǒng)圖。

由圖2可知，環(huán)控電控低壓部分對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合保護(hù)。環(huán)控電控低壓設(shè)置有獨(dú)立的通信控制器，采集通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的信息，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整歸納、整理、計(jì)算后，實(shí)時(shí)刷新上傳至BAS(機(jī)電設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng))的主PLC，同時(shí)根據(jù)BAS的主PLC下達(dá)的通風(fēng)模式，實(shí)施控制。尤其是在火災(zāi)狀況下，車站BAS根據(jù)FAS(火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng))命令執(zhí)行各類環(huán)控設(shè)備火災(zāi)運(yùn)行模式，并將此命令下發(fā)至環(huán)控柜智能低壓系統(tǒng)。北京地鐵6、9、10號(hào)線，廣州地鐵3、4號(hào)線，上海軌道交通7、8號(hào)線，深圳地鐵2號(hào)線等地鐵線路的環(huán)控電控低壓部分智能系統(tǒng)采用了該方式。

4 地鐵配電系統(tǒng)電能管理

地鐵電能管理系統(tǒng)的主要功能包括系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、電能質(zhì)量監(jiān)視、高精度電能計(jì)量、電能消耗統(tǒng)計(jì)和分析、遠(yuǎn)程控制和操作記錄、事件報(bào)警和記錄、數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)管理、各種報(bào)表打印和電能管理等(如圖3所示)。

1)能源消耗管理:包括能源監(jiān)視、分析以及控制能源使用。通過能源消耗管理，降低每個(gè)車站和線路能源整體的使用成本，同時(shí)將能源數(shù)據(jù)升華為有價(jià)值的信息，用于掌握和分析各個(gè)部分的能源使用情況。

2)關(guān)鍵能耗負(fù)載分布和能耗負(fù)荷特性分析:用于測(cè)定和記錄來自分布式電能監(jiān)視儀表和其他能源儀表在每個(gè)電力需用時(shí)段的能源使用數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保存在一個(gè)集中的數(shù)據(jù)庫中。因此，用戶可以立即確定負(fù)載系數(shù)、最高要求負(fù)荷周期，以及與之相關(guān)的設(shè)備的能耗，包括線路、變壓器、空調(diào)機(jī)組及通風(fēng)機(jī)組、照明、電梯/自動(dòng)扶梯和弱電系統(tǒng)等。

圖3 地鐵配電系統(tǒng)能量管理圖

3)成本分?jǐn)?將能源成本分?jǐn)偟矫總€(gè)設(shè)備、車站或線路，也可使用多種應(yīng)用生成分析和校驗(yàn)?zāi)茉辞鍐我约百Y費(fèi)所需的報(bào)表。

4)電能質(zhì)量控制和報(bào)警:通過測(cè)定系統(tǒng)和站點(diǎn)的電能質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)一些潛在電能質(zhì)量危害，例如諧波、電壓偏移以及配電系統(tǒng)的事件等。此外，還用于捕捉系統(tǒng)的越限情況和能源消耗異常，發(fā)出報(bào)警信息，并通過郵件、手機(jī)短信、PDA(個(gè)人數(shù)字助理)和工作站等多種形式通知相關(guān)工作人員，有助于減少設(shè)備誤動(dòng)作，降低能源成本，幫助配電系統(tǒng)規(guī)劃，提高生產(chǎn)效率以及提供系統(tǒng)性的能源整體視圖。

5)節(jié)能措施和設(shè)備的優(yōu)化:通過能源數(shù)據(jù)的收集和設(shè)備狀態(tài)的分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)能空間比較大的領(lǐng)域，評(píng)估各項(xiàng)節(jié)能措施和設(shè)備的實(shí)際效果，包括再生制動(dòng)能量利用、諧波治理、照明控制、通風(fēng)及空調(diào)制冷等。通過地鐵電能管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)顯示功能，可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵配電回路電氣運(yùn)行狀況的遠(yuǎn)方監(jiān)視，同時(shí)生成基本電氣參數(shù)、電能消耗、分時(shí)計(jì)量及THD(總諧波畸變率)等各種運(yùn)行分析報(bào)表。通過地鐵電能管理系統(tǒng)軟件采集的數(shù)據(jù)可以分析歷史負(fù)荷曲線、電能消耗和系統(tǒng)裕量，提高系統(tǒng)或設(shè)備的使用效率。對(duì)全年的電能消耗進(jìn)行分時(shí)段、分季節(jié)和分部門的統(tǒng)計(jì)分析，生成的報(bào)表可以MicrosoftExcel文件格式存儲(chǔ)，且自動(dòng)生成曲線或柱狀圖，方便用戶導(dǎo)出或形成報(bào)告。

5 結(jié)語

通過地鐵車站智能低壓系統(tǒng)以便于測(cè)量并統(tǒng)計(jì)車站各設(shè)備的用電信息，而地鐵配電管理系統(tǒng)則通過網(wǎng)絡(luò)集中管理并控制各設(shè)備的用電信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源消耗的有效管理。地鐵配電管理系統(tǒng)是一個(gè)全線性的或者是整個(gè)城市軌道交通系統(tǒng)的配電電能管理系統(tǒng)，同時(shí)也是構(gòu)建覆蓋電能、燃?xì)狻⒆詠硭饶茉幢O(jiān)控系統(tǒng)的組成部分之一。地鐵在滿足公共交通功能需求的同時(shí)，應(yīng)按照合理用能的原則，加強(qiáng)節(jié)能管理和能耗控制，提高能源利用效率，降低運(yùn)營(yíng)成本。

［1］ 牟元軼.淺談地鐵低壓配電系統(tǒng)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2010(增):185.

［2］ 朱江.智能低壓配電系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2009(9):22.

［3］ 袁建紅.智能低壓配電系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用［J］.低壓電器，2010(1):20.

［4］ 郭黎.智能低壓系統(tǒng)在廣州地鐵3、4號(hào)線中的應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2006(7):52.

［5］ GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.