琚永剛 徐德勤 侯紅磊 彭 君 張興慶

智能模塊化終端配電系統(tǒng)設計

琚永剛1徐德勤2侯紅磊1彭 君3張興慶4

（1. 寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315101；2. 寧波天安（集團）股份有限公司，浙江 寧波 315700；3. 共立自動化科技（寧波）有限公司，浙江 寧波 315042；4. 上海良信電器股份有限公司，上海 201315）

為解決當前軌道交通行業(yè)中的終端配電設備在設計、制造、維護環(huán)節(jié)標準化程度不高的問題，提出一種智能模塊化終端配電系統(tǒng)。系統(tǒng)采用標準化、模塊化、可移式設計，在產品設計、制造、交付各階段，都可靈活調整系統(tǒng)一次方案，適應設計方案的各種變化，使系統(tǒng)的靈活性、可維護性大幅度提高。系統(tǒng)的智能化模塊提供系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控功能，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

智能化；模塊化；標準化；可移式；終端配電系統(tǒng)

0 引言

軌道交通行業(yè)作為重要的社會公共事業(yè)，對項目進度和設備安全性的要求都非常高[1]。隨著近年來軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，各類定制設備對項目進度的制約矛盾日益突出。隨著《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》的發(fā)布[2]，對裝備的智能化要求也越來越高。因此，針對終端配電設備開展標準化和智能化的研究十分重要。

1 終端配電設備的現(xiàn)狀

目前，在軌道交通行業(yè)廣泛使用低壓配電箱作為終端配電設備分散布置在配電間墻體上。受產品結構特點的限制，以配電箱作為終端配電設備存在后期拓展困難、維護不便等諸多問題。配電箱方案分析見表1。

用電負荷的性質不同，用電量也各不相同，各種類型用電場所的差異決定了低壓配電設備以定制產品為主的現(xiàn)狀。由于各類負荷的實際運行情況和實際用電量難以準確把握[3]，隨著項目推進，負荷調整和設計變更普遍存在，尤其是針對終端配電設備的設計變更更為普遍。而定制產品生產周期長，拓展空間小，難以適應這種邊做邊改的生產模式，對工程項目的推進造成了很多負面影響。

表1 配電箱方案分析

另外，各個設計院的設計習慣不盡相同，不同終端配電設備生產廠家的產品也存在各種各樣的差異，這使同一運營單位下轄的各軌交項目之間無法統(tǒng)一維護標準，無法統(tǒng)一備品備件，增加了項目運營維護的難度和工作量。

綜上所述，研發(fā)一款標準化程度高，滿足軌交行業(yè)的供電連續(xù)性，能夠進行整體或部分零部件預制的模塊化產品，并在智能化方面提供成熟解決方案以應對市場發(fā)展，是本文研究的主要方向。

2 智能模塊化終端配電系統(tǒng)總體設計思路

2.1 結構設計

通過分析目前市場上的低壓配電設備，發(fā)現(xiàn)抽出式結構的低壓開關柜可以在不斷電的情況下對抽屜單元進行更換和維護，在供電連續(xù)性方面能很好地滿足軌道交通行業(yè)的要求，并且能解決設備后續(xù)拓展問題。

由于抽出式低壓開關柜主要應用于一、二級配電，饋線回路電流較大，饋線回路的安裝密度不高?？紤]從降低抽出式單元層高、增加單層抽出式單元饋線回路數兩方面入手，結合抽出式開關柜結構特點和軌交項目實際需求，研發(fā)一種高度集成的智能模塊化終端配電設備，為區(qū)別于常規(guī)終端配電設備，本文將該設備定義為智能模塊化終端配電系統(tǒng)（以下簡稱配電系統(tǒng)）。

2.2 功能設計

在功能設計上，配電系統(tǒng)分為智能監(jiān)控單元、進線單元、饋線單元。軌道交通終端配電網中，許多電子設備采用非線性電力電子元器件，帶來了較大的諧波污染[4]，為濾除電網諧波，提高電能質量，配電系統(tǒng)設計了有源濾波器單元。

2.3 智能模塊化終端配電系統(tǒng)總體方案

配電系統(tǒng)由一臺或多臺終端配電柜和一臺電纜通道側柜（以下簡稱側柜）組成，每臺終端配電柜從上至下分別為電纜進線通道、智能監(jiān)控單元、進線單元、有源濾波器單元、饋線單元和出線電纜通道，其背面布置垂直母線通道，各功能單元采用可移式設計[5]。配電系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示，系統(tǒng)主要技術參數見表2。由于側柜是用于進出線電纜敷設的空柜，配電系統(tǒng)的詳細描述將主要圍繞終端配電柜展開。

1—電纜通道側柜 2—電纜進線通道 3—智能監(jiān)控單元 4—進線單元 5—有源濾波器單元 6—饋線單元 7—出線電纜通道 8—垂直母線通道

表2 系統(tǒng)主要技術參數

（續(xù)表2）

3 終端配電柜的結構和功能設計

3.1 終端配電柜結構設計

終端配電柜外形尺寸為600mm（寬）×500mm（深）×1 800mm（高），高度方向采用模數化設計，型材安裝孔模數為44.45mm（即1U），各功能單元的高度為1U的倍數，各功能單元布置在配電柜前部，可在有效安裝高度內自由組合；后部為垂直母線通道，負責各功能單元間的配電接線。為兼顧美觀，柜門采用玻璃門設計。

3.2 電纜進出線通道

配電系統(tǒng)的多臺終端配電柜在現(xiàn)場拼柜后，其頂部和底部會分別形成一條貫通的進線電纜和出線電纜通道，為現(xiàn)場接線施工提供便利，單獨的電纜通道提高了設備運行的安全性。

配電系統(tǒng)接地形式按TN-S系統(tǒng)[6]設計，進出線電纜按三相五線配置。在配電系統(tǒng)端部位置設置獨立的電纜通道側柜，配電系統(tǒng)的進出線電纜通過側柜與外部電纜橋架連接，便于后期運營維護[7]。

3.3 進線單元

進線單元高度占12U，可配置250A及以下雙電源進線開關和雙電源切換裝置，也可配置單電源進線開關。進線單元結構設計參考抽出式低壓開關柜的抽屜單元，在單元后部裝有兩組一次進線接插件和一組一次出線接插件。進線接插件用于進線電源的引入，出線接插件與柜后的垂直母線插接。進線單元還配置了二次接插件，用于二次回路轉接。

3.4 饋線單元

饋線單元總高度占8U，每個饋線單元占2U，每柜最多可安裝4個饋線單元。饋線單元結構示意圖如圖2所示。

饋線單元內的插接銅排可提供6組A、B、C、N接口，可以安裝6路三極饋線開關，或18路單極饋線開關，也可以實現(xiàn)單極和三極開關混合安裝。饋線單元內的接插銅排和電纜按標準化思路設計，載流量統(tǒng)一按63A饋線開關配置，電纜選用低煙無鹵阻燃電纜[8]。饋線單元可進行預制，僅通過配置不同額定參數、不同極數的饋線斷路器，即可完成饋線單元一次回路部分的生產制造工作。

1—饋線單元本體 2—進線插頭 3—電流互感器 4—接插銅排 5—采集器 6—饋線斷路器

終端配電柜或單個饋線單元均可預留空回路備用空間，當配電系統(tǒng)需要增加饋線回路時，只要在預留空間內增加饋線單元或安裝饋線開關即可完成。

饋線單元的可移式結構設計，配合插拔式饋線斷路器，使配電系統(tǒng)在標準化、通用化方面有了很大提升，能夠從根本上解決定制產品生產周期長、對項目進度影響大的問題。同時系統(tǒng)的靈活性也很好地解決了項目邊做邊改帶來的不利影響。

3.5 插拔式饋線開關

配電系統(tǒng)饋線開關采用上海良信NDB6A系列微型斷路器。該斷路器適用于AC 220/380V配電系統(tǒng)，不僅具備斷路器的過載、短路保護功能，還兼具隔離功能，且安裝、接線均采用插拔方式。

斷路器后端采用梳狀插接端子接線、前端采用快插端子接線，安裝過程不需要特殊工具，斷路器的安裝或更換，可在幾十秒之內完成。與傳統(tǒng)斷路器的螺釘接線相比，安裝更換更加方便簡單。

NDB6A系列插拔式斷路器體積較小，高度方向僅有40mm，配備了安全可靠的插拔式防誤機構，如圖3所示。斷路器的合閘輔助卡扣，與機框配合，能夠可靠保證只有在斷路器插入機框后，才可以進行合閘操作，保證操作人員人身安全。斷路器的解鎖件與機框配合，實現(xiàn)防帶電插拔功能，可確保只有在斷路器分閘狀態(tài)下才能拔出，消除帶電操作的安全隱患。

得益于饋線開關的插拔式結構，饋線開關的安裝、接線、更換都可在不停電的情況下方便、快速地完成。

1—解鎖件 2—卡扣 3—斷路器本體 4—進線排 5—信號排

3.6 有源濾波器單元

有源濾波器單元高度為2U，采用可移式設計，可為系統(tǒng)提供最大15A的諧波濾除能力，提高供電質量和系統(tǒng)可靠性。

3.7 配電智能化

近年來，物聯(lián)網、人工智能、大數據技術得到了蓬勃發(fā)展。眾多企業(yè)都已成功將電氣設備接入物聯(lián)網平臺，并依據大數據對電氣設備進行故障預警和預測性維護分析，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，配電系統(tǒng)在進行智能化設計時，不但要實現(xiàn)常規(guī)的電量監(jiān)測功能，而且要在監(jiān)測數據的基礎上進行設備運行分析，為配電系統(tǒng)的運行和維護提供指導。

考慮到終端配電柜中的絕緣材料以環(huán)氧樹脂為主，環(huán)氧樹脂在長期運行條件下易出現(xiàn)不可逆絕緣損傷[9]，配電系統(tǒng)增加了主要部位的導體溫度監(jiān)測功能，該功能對發(fā)現(xiàn)絕緣事故隱患、火災隱患有重要意義。

配電系統(tǒng)智能化網絡拓撲如圖4所示。其設備層由智能信息分布終端（intelligent information distributed unit, IIDU）、分布式采集器（distributed collector, DIC）、觸摸屏（human machine interface, HMI）、網關等設備構成。

智能化系統(tǒng)的運行數據主要通過安裝在進線單元、饋線單元中的分布式采集器采集。采集器為通用標準化器件，可采集13路模擬量，典型應用包括3路電壓、4路電流、3路銅排溫度、1路空氣溫度、1路空氣濕度。采集器配備RS 485通信接口，使用MODBUS RTU協(xié)議進行通信。

智能信息分布終端安裝在智能監(jiān)控單元內，負責與終端配電柜進線單元、饋線單元、有源濾波器單元組網，使用MODBUS RTU通信協(xié)議，完成通信和數據采集。智能監(jiān)控單元高為2U。

圖4 配電系統(tǒng)智能化網絡拓撲

智能信息分布終端利用邊緣計算[10]技術構建了能源管理模塊、配電健康運營警衛(wèi)模塊，負責對設備進行健康診斷。

因終端配電柜結構緊湊，無法安裝大型的顯示操作設備。在每套配電系統(tǒng)的電纜通道側柜上設計安裝一臺觸摸屏，通過RS 485通信接口連接多臺終端配電柜的智能信息分布終端，提供人機交互功能，實現(xiàn)本地監(jiān)控。并根據智能監(jiān)控單元對設備的健康診斷結果為運維工作提供指導，使運維工作從“人力巡檢”轉向“智能運維”[11]，提高運維效率。同時HMI還可以提供標準化總線接口，將系統(tǒng)通過光纖接入軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)（integrated supervisory control system, ISCS）[12]。

4 設計應用

使用本文技術設計生產的一套智能模塊化終端配電系統(tǒng)（共4臺終端配電柜和1臺電纜通道側柜）已于2020年9月在寧波地鐵4號線東錢湖站掛網運行，至今運行情況良好。

從運行現(xiàn)場的反饋分析，可移式結構、插拔式饋線開關為設備的維護和擴展帶來了非常大的便利；柜式結構實現(xiàn)了高安裝密度，產品外形美觀。智能監(jiān)控功能幫助運維人員及時、有效地掌握設備運行狀態(tài)，提高產品的可靠性。配電系統(tǒng)的標準化、模塊化設計，為產品快速、批量生產奠定了堅實的基礎。該配電系統(tǒng)的設計達到了預期目標。

5 結論

本文對智能模塊化終端配電系統(tǒng)開展創(chuàng)新技術研究，重點解決軌道交通終端配電設備的標準化和智能化問題，為設備標準化生產創(chuàng)造條件，提高產品質量，提高設備運維效率，在軌道交通行業(yè)具有較高的應用價值。

本文提出的設計方案改變了終端配電系統(tǒng)的非標準化和非智能型現(xiàn)狀，實現(xiàn)配電系統(tǒng)從設計到生產制造到運行維護全過程的標準化，從根本上解決定制設備對項目進度的制約問題，為低壓配電設計和制造行業(yè)的發(fā)展帶來了新思路和新方向，可在其他類似項目中推廣應用。

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Design of intelligent modular terminal distribution system

JU Yonggang1XU Deqin2HOU Honglei1PENG Jun3ZHANG Xingqing4

(1. Ningbo Rail Transportation Group Co., Ltd, Ningbo, Zhejiang 315101; 2. Ningbo Tian’an (Group) Co., Ltd, Ningbo, Zhejiang 315700; 3. KYORITSU Automation Technology Ningbo Co., Ltd, Ningbo, Zhejiang 315042; 4. Shanghai Liangxin Electrical Co., Ltd, Shanghai 201315)

In order to solve the problem of low standardization in design, manufacture and maintenance of the terminal power distribution equipment used in rail transit industry, a standardized intelligent terminal power distribution system is proposed. The system adopts standardized, modular, and removable design. In the stages of product design, manufacturing and delivery, the design scheme of the system can be flexibly adjusted to adapt to various changes, which could improve the flexibility and maintainability of the system significantly. The intelligent module of the system provides system status monitoring function, which greatly improves the reliability of system operation.

intellectualization; modularization; standardization; removable; terminal power distribution system

2021-10-21

2021-11-30

琚永剛（1983—），男，浙江省衢州市人，碩士，高級工程師，從事軌道交通供電系統(tǒng)設計工作。