沈大偉

（中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，杭州310004）

1 引言

地鐵的供電系統(tǒng)伴隨軌道交通的快速發(fā)展變得日趨復雜，雖然引進了先進的技術，但同時也導致大量問題的出現(xiàn)。電能質(zhì)量引發(fā)的問題會對供電系統(tǒng)產(chǎn)生程度不一的危害，甚至導致火災，致使經(jīng)濟損失嚴重。地鐵變電所采用的電能質(zhì)量系統(tǒng)，經(jīng)過對電能質(zhì)量問題的預測、判定與核驗，有助于及時地規(guī)避風險，促進地鐵變電所的運行更加安全。

2 電能質(zhì)量管理系統(tǒng)概述

以往地鐵變電所對電力的監(jiān)控范圍是：有功及其功率、無功及其功率、進線及出線電流、母聯(lián)電流、零序電流、母線電壓；配電變壓器一次電流、整流機組一次電流、有功及電能表、有功功率；回流電流、饋線電流；負極回流電流；整流器溫度值、變電所交直流電、側(cè)母線電壓、進線電流、變壓器溫度；鋼軌對地點位等數(shù)據(jù)進行測量【1】。傳統(tǒng)觀點認同電力監(jiān)控系統(tǒng)已符合電能質(zhì)量的需求。

近年來，人們逐漸認識到電能質(zhì)量異常對供電系統(tǒng)產(chǎn)生的負面影響。為對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)準確、高效、實時地獲取，進而通過分析數(shù)據(jù)提出優(yōu)化電能質(zhì)量的舉措，目前國內(nèi)新修建的地鐵大部分均采用單獨電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，對故障錄波、低壓網(wǎng)絡、地鐵電流系統(tǒng)、網(wǎng)絡等電能質(zhì)量信息進行收集與分析。統(tǒng)一管理車站內(nèi)非電量設施，如電量消耗較大的冷水機、空調(diào)等，發(fā)揮管理系統(tǒng)優(yōu)勢，提高電能的使用效率。

電能質(zhì)量管理系統(tǒng)是基于易升級、開放、先進為一體的系統(tǒng)平臺，有著能夠支持多種通信方式、性價比高、靈活等優(yōu)勢。其以開放的計算機網(wǎng)絡為主，并將即插即用技術有效地應用于集控站系統(tǒng)之中。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對電能質(zhì)量實時監(jiān)測，同時，還能讓地鐵運營部門準確、及時地掌握變電所內(nèi)各個大型負荷設備運行過程中的電能質(zhì)量信息，并對地鐵用電系統(tǒng)輸變電運行中存在的薄弱環(huán)節(jié)進行有效的糾正及處理，更好地實現(xiàn)自動化電能質(zhì)量監(jiān)測分析管理。

3 地鐵變電所獨立系統(tǒng)分析

電能質(zhì)量管理系統(tǒng)組成有2種計劃。計劃一：電能質(zhì)量的管理系統(tǒng)測量到的數(shù)據(jù)與電力監(jiān)控系統(tǒng)存在重合部分，因此集成統(tǒng)一的人電監(jiān)控系統(tǒng)，是電力監(jiān)控的次級系統(tǒng)；計劃二：獨立的監(jiān)控系統(tǒng)【2】。2個方案的異同如表1所示。

表1 計劃比較

依照表1內(nèi)容的對比，在數(shù)據(jù)的實時性和安全信2個方面，調(diào)度系統(tǒng)的標準非常嚴格，因此要求該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、簡約，然而功能的繁多必將使得系統(tǒng)較為復雜，故功能龐大且內(nèi)容全面的設計不適用電力監(jiān)控系統(tǒng)，所以，電能質(zhì)量的管理系統(tǒng)采用獨立系統(tǒng)，此方案也經(jīng)歷了實際的考驗。同時，不排除電力監(jiān)控系統(tǒng)在采用協(xié)議通信后，可提升整個網(wǎng)絡的實時性和安全性，從而有望將電力監(jiān)管系統(tǒng)融入到電能質(zhì)量管理系統(tǒng)中。

4 地鐵變電所中電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的組成

4.1 電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的線路和系統(tǒng)

此系統(tǒng)往往設置在大樓內(nèi)，采用以太網(wǎng)絡，采用的通信是TCP/IP，其采用物理星型的網(wǎng)絡類型，并且其具備雙網(wǎng)切換使用形式，可實現(xiàn)網(wǎng)絡的自由更換。經(jīng)過冗余服務器完成全線信息處理。重要的設備包含網(wǎng)絡設施、UPS、工程師站、打印機、計量機和數(shù)據(jù)庫的服務器進行檢測。

4.2 電能質(zhì)量管理系統(tǒng)車站

無論是車站、車場的變電所還是主變電所均使用1套管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對監(jiān)控范圍內(nèi)數(shù)據(jù)信息的檢測。其采用集中、分層分布式和分散結(jié)合的形式，內(nèi)部通信采用以太網(wǎng)或者工業(yè)總線。變電所綜合系統(tǒng)及系統(tǒng)物理網(wǎng)絡相互隔離，分別配置。間隔層內(nèi)的智能電能表使用總線方式連接，同時單獨連接到間隔層的服務器，以太網(wǎng)是實現(xiàn)服務器連接電能量采集器的橋梁，并且電能量采集器通常的配置都是單機類型【3】。在采集器出現(xiàn)問題時，發(fā)出異常信號，控制中心電能質(zhì)量系統(tǒng)接收到信號后，及時派專人進行維修。

4.3 網(wǎng)絡通信層

網(wǎng)絡通信層是實現(xiàn)線路系統(tǒng)和車站相連的橋梁，考慮線路系統(tǒng)和車站組網(wǎng)方式，優(yōu)選通信系統(tǒng)，采用100M的以太網(wǎng)實現(xiàn)通信的共享，同時可作為車站與控制中心的信息渠道。有效提高網(wǎng)絡通道的傳輸效率，不僅可以傳輸電能數(shù)據(jù)，同時還可以實現(xiàn)其他維護數(shù)據(jù)的傳輸，其中包含：UPS監(jiān)控數(shù)據(jù)、所有變電所的故障數(shù)據(jù)、所有變電所的電流數(shù)據(jù)等。

5 地鐵變電所電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的應用

5.1 能源消耗管理

地鐵的能源消耗管理包含對能源的控制、分析和監(jiān)視，進而有效減少線路與車站的能源消耗，同時將能源數(shù)據(jù)變成有價值的數(shù)據(jù)信息，從而有利于分析能源的利用率。

5.2 主要能耗分布及負荷特性

電能監(jiān)控儀表用于對電力能源消耗狀況進行測定和記錄，將收集到的信息匯總并存儲于數(shù)據(jù)庫內(nèi)。用戶可確定負載的系數(shù)及設備的能耗，包括照明、線路、電梯、扶梯、空調(diào)組、通風機、冷水機、變壓器、弱電系統(tǒng)等設備。

5.3 成本分配

將能源成本合理地分配到所有的設備、線路和車站，同時還可以形成資費的報表。

5.4 電能質(zhì)量控制和報警

經(jīng)過對系統(tǒng)及站點中的電能質(zhì)量進行測定，發(fā)掘存在的電能質(zhì)量問題，如電壓偏移和諧波等。同時，其還可以對異常能源消耗和系統(tǒng)越線情況發(fā)出警報，采用手機信息、工作站、Email、PDA等形式告知工作人員，有利于降低能源成本、提升生產(chǎn)效率、減少設備錯誤動作、合理規(guī)劃配電系統(tǒng)，同時還可提供系統(tǒng)的能源視圖。

5.5 節(jié)能舉措與優(yōu)化設施

經(jīng)過對能源數(shù)據(jù)收集及分析設備的狀態(tài)，得出節(jié)能空間較大的部分和設備實際效果并評估所有節(jié)能舉措，如空調(diào)與制冷、照明控制、再生能源利用、通風、諧波治理等。經(jīng)過管理系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)顯示，可完成遠程監(jiān)控電氣的運行情況，同時形成基礎的電氣數(shù)據(jù)、THD總諧波變化率、電能消耗等分析表。通過管理系統(tǒng)軟件獲取的信息對電能消耗狀況、負荷曲線走勢及系統(tǒng)裕量等進行分析，從而提升設備的使用效率。分部門、季節(jié)和時段統(tǒng)計全年的電能消耗情況，形成報表，采用Excel形式進行存儲并生成相應的柱狀圖或者曲線圖，以便分析數(shù)據(jù)。

5.6 相關數(shù)據(jù)分析

考慮地鐵狀況及其他情況信息，如天氣變化、客運量、車站占地面積等數(shù)據(jù)，分別采用縱向和橫向的方式進行能耗數(shù)據(jù)對比，深度處理能源數(shù)據(jù)信息，將能源數(shù)據(jù)作為運營公司的經(jīng)濟與財務指標。實現(xiàn)地鐵能耗數(shù)據(jù)的實時顯示，并將其進行保存，經(jīng)過長時間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計比對，可將各個線路的能耗做月比對或者季度比對，便于進一步的分析。

5.7 效益分析

電能質(zhì)量管理系統(tǒng)應用在地鐵變電所可獲得的效益具體如下：

1）經(jīng)濟效益方面。一條地鐵的線路電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的成本大概是500萬～700萬元，結(jié)合過往的運營經(jīng)驗，去除電能質(zhì)量因素對設施損耗不計，因功率因數(shù)不合格而需繳納的罰款達到幾十萬元甚至是上百萬元不等。然而，電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的使用期限通常是20a以上。因此，從技術和經(jīng)濟方面出發(fā)，電能質(zhì)量管理系統(tǒng)是必須設置的。

2）社會效益方面。電能質(zhì)量管理系統(tǒng)能根據(jù)計量架構(gòu)中的分類，實現(xiàn)對地鐵能耗的定量分析，并通過系統(tǒng)中能耗報表統(tǒng)計、電能能耗及質(zhì)量數(shù)據(jù)分析、歷史電能趨勢查詢、實時電能趨勢分析、設備狀態(tài)報警、實時監(jiān)管展示界面等功能，實現(xiàn)對地鐵變電所電能質(zhì)量的有效管理，為地鐵節(jié)能工作打下良好的基礎。

6 結(jié)語

地鐵變電所使用電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，并將其大量應用于新建線路的設計中，不僅可符合自身供電系統(tǒng)的質(zhì)量要求，同時也符合電力部門的嚴格標準。進一步完善電能質(zhì)量的管理系統(tǒng)，有利于更好地管理地鐵變電所系統(tǒng)中的電能。就目前軌道交通行業(yè)的發(fā)展情況來看，要不斷提高對其供電系統(tǒng)管理力度，并加大用電監(jiān)察及供電質(zhì)量重視程度，利用電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)并解決地鐵內(nèi)部用電設備所存在的質(zhì)量問題，讓用戶用電需求得到更好的滿足。