賀麗

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510010）

1 引言

在計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，低壓在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、線(xiàn)網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)均可開(kāi)通與云平臺(tái)間的數(shù)據(jù)通道，而使云平臺(tái)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集、存儲(chǔ)與處理。論文主要從基于云平臺(tái)的智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及以上4 個(gè)系統(tǒng)中的應(yīng)用情況展開(kāi)論述。

2 基于云平臺(tái)的智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于云平臺(tái)的智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為滿(mǎn)足系統(tǒng)的自診斷、自恢復(fù)功能，維持系統(tǒng)的有效運(yùn)行、提高運(yùn)維效率和避免電氣火災(zāi)的發(fā)生，可進(jìn)行低壓在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以保障用電安全。為監(jiān)測(cè)能耗、監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量、降低能源消耗，且能有效支持、滿(mǎn)足軌道交通正常運(yùn)作的基本用電需求，可進(jìn)行線(xiàn)網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文主要就低壓在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、線(xiàn)網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況展開(kāi)論述[1]。

2.1 低壓在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

軌道交通供電系統(tǒng)由外部電源、主變電所、中壓供電網(wǎng)絡(luò)、牽引供電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、雜散電流防護(hù)系統(tǒng)、防雷和接地系統(tǒng)等部分組成。其中，牽引供電系統(tǒng)是通過(guò)牽引變電所對(duì)主變電所引來(lái)的35 kV 交流電進(jìn)行降壓整流，使之變成1 500 V 直流電，再將1 500 V 直流電通過(guò)沿線(xiàn)架設(shè)的牽引網(wǎng)不間斷地供給運(yùn)行中的電動(dòng)列車(chē)，以保證電動(dòng)列車(chē)的安全、可靠、快速運(yùn)行，低壓配電系統(tǒng)是通過(guò)降壓變電所將35 kV 交流電降壓成380 V/220 V 交流電，向車(chē)站和區(qū)間隧道的各種動(dòng)力、照明設(shè)備供電，保證各種車(chē)站設(shè)備的正常運(yùn)行，給乘客提供一個(gè)安全舒適的乘車(chē)環(huán)境。牽引供電和低壓供電的可靠供應(yīng)與維持，均會(huì)對(duì)地鐵的安全、可靠運(yùn)營(yíng)造成直接影響。因此，在智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用低壓在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是大勢(shì)所趨。低壓在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1 所示，本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，智能元器件，集合多種功能，不僅實(shí)現(xiàn)了0.4 kV開(kāi)關(guān)柜和環(huán)控柜內(nèi)斷路器的主要元器件全生命周期的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與故障報(bào)警，而且實(shí)現(xiàn)了整個(gè)供電系統(tǒng)其他主要設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳與收集。通過(guò)帶電檢測(cè)、在線(xiàn)檢測(cè)、停電檢測(cè)軌道交通用電及相關(guān)低壓設(shè)備的運(yùn)作情況，檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)變電情況及設(shè)備的出廠(chǎng)數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)，以便于云平臺(tái)對(duì)軌道交通用電的變電、配電情況及用電狀態(tài)進(jìn)行有效檢測(cè)、預(yù)測(cè)，從而進(jìn)一步降低運(yùn)維成本，提升用電安全。

圖1 低壓在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.2 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)地鐵車(chē)站低壓柜饋線(xiàn)回路的剩余電流、饋線(xiàn)接頭過(guò)熱及母線(xiàn)過(guò)熱等所引起的火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)、全面檢測(cè)，確保電氣設(shè)備正常有序地運(yùn)行，避免或降低災(zāi)害情況下造成的人員和財(cái)產(chǎn)損失。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)由安裝在每個(gè)車(chē)站消防控制室的電氣火災(zāi)監(jiān)控主機(jī)、電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)設(shè)備、安裝在檢測(cè)對(duì)象上的組合式電氣火災(zāi)探測(cè)器及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、專(zhuān)用軟件等部分組成。組合式電氣火災(zāi)探測(cè)器將測(cè)量的所有數(shù)據(jù)通過(guò)總線(xiàn)上傳到電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)設(shè)備，由電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)設(shè)備匯總后統(tǒng)一通過(guò)總線(xiàn)上傳到監(jiān)控主機(jī)。并最終經(jīng)總線(xiàn)上傳到云平臺(tái)。系統(tǒng)可按用戶(hù)要求劃分顯示分區(qū)。各個(gè)控制分區(qū)可以設(shè)定不同的響應(yīng)靈敏度及報(bào)警值。設(shè)備具備自檢功能，能夠?qū)﹄姎饣馂?zāi)監(jiān)測(cè)主機(jī)故障、探測(cè)器故障進(jìn)行報(bào)警，提供監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)剩余電流值的圖文資料，提供完整的歷史檔案記錄，隨時(shí)查詢(xún)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。一旦探測(cè)器檢測(cè)到有剩余電流或泄漏電流，經(jīng)科學(xué)計(jì)算、分析，若火災(zāi)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)高于預(yù)設(shè)值，探測(cè)器的報(bào)警信號(hào)會(huì)進(jìn)行聲、光報(bào)警。運(yùn)營(yíng)人員根據(jù)報(bào)警提示可快速、準(zhǔn)確定位報(bào)警區(qū)域，核實(shí)并處理故障，這樣可以起到火災(zāi)監(jiān)測(cè)及防范的作用。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)主要如圖2 所示。

圖2 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 線(xiàn)網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)通過(guò)分類(lèi)、分項(xiàng)、分戶(hù)計(jì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)各用能單位及用能設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)量，實(shí)時(shí)采集相關(guān)的能耗數(shù)據(jù)，為統(tǒng)計(jì)分析、用能診斷提供精確的數(shù)據(jù)支撐。當(dāng)前，我國(guó)城市軌道交通能源管理系統(tǒng)基本依托于車(chē)站，每個(gè)車(chē)站設(shè)置車(chē)站級(jí)能源管理系統(tǒng)，車(chē)站級(jí)能源管理系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖3 所示。對(duì)于主要用電負(fù)荷：照明、廣告照明、自動(dòng)扶梯、電梯、環(huán)控負(fù)荷、AFC 設(shè)備、商鋪、銀行、民用通信等設(shè)多功能儀表單獨(dú)計(jì)量，并通過(guò)通信口、總線(xiàn)上傳到車(chē)站SCADA 系統(tǒng)。線(xiàn)路級(jí)能源管理系統(tǒng)主要設(shè)備儀器為數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web 服務(wù)器、工作站等，此級(jí)各設(shè)備同云平臺(tái)有直接連屬關(guān)系，服務(wù)器上的各歷史數(shù)據(jù)均會(huì)在云平臺(tái)內(nèi)自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)。線(xiàn)網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)主要設(shè)備儀器為顯示器、工作站，各設(shè)備均開(kāi)通了與云平臺(tái)間的數(shù)據(jù)通道。相關(guān)管理人員在線(xiàn)網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)利用相關(guān)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理分析、診斷，結(jié)合云平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理、預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)當(dāng)前軌道交通用電情況進(jìn)行綜合、科學(xué)分析評(píng)估。通過(guò)搭建線(xiàn)網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)，有利于收集各線(xiàn)路、各站中相關(guān)系統(tǒng)的電度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)計(jì)量、監(jiān)測(cè)，在線(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析等功能。也可用來(lái)檢驗(yàn)采取各種節(jié)能措施后量的變化，根據(jù)量的變化情況來(lái)選擇更節(jié)能的運(yùn)行模式，使地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)單位充分了解各種節(jié)能措施的實(shí)際效果，從具體數(shù)據(jù)中得到客觀(guān)反映和評(píng)價(jià)，避免一些名為節(jié)能措施而實(shí)際效果不明顯，卻需要大量增加投資的行為。通過(guò)對(duì)節(jié)能數(shù)據(jù)的分析整理，找到各用能環(huán)節(jié)的真正問(wèn)題和有效的節(jié)能途徑。同時(shí)對(duì)舊的、不靈敏的計(jì)量?jī)x器，及時(shí)更換、調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 車(chē)站級(jí)能源管理系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

2.4 物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)

根據(jù)對(duì)城市軌道交通的用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分析，軌道交通能耗主要分布在機(jī)車(chē)牽引、通風(fēng)空調(diào)、電扶梯、照明及給排水等方面。其中照明用電占比為8%～12%，為地鐵車(chē)站的用電“大戶(hù)”，從照明方面開(kāi)展節(jié)能工作是軌道交通設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)之一。物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)是基于無(wú)線(xiàn)通信、邊緣計(jì)算、云平臺(tái)和可視化等技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)照明系統(tǒng)存在的布置不靈活、操作較難、管理不統(tǒng)一等問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)性改進(jìn)；在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全生命周期管理；簡(jiǎn)化運(yùn)維人員的培訓(xùn)，預(yù)先維修，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高運(yùn)營(yíng)效果，節(jié)約能源，與傳統(tǒng)的照明控制方式相比，可節(jié)約電能20%～30%。將云平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)的“大腦”，由云平臺(tái)對(duì)照明用電數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理，科學(xué)分析車(chē)站各區(qū)域的用電情況，發(fā)出科學(xué)、合理的指令，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)的大部分功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)主要由云平臺(tái)、傳輸層、物聯(lián)網(wǎng)感知層這3 部分構(gòu)成。其中云平臺(tái)主要是對(duì)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、計(jì)算，根據(jù)處理、預(yù)測(cè)結(jié)果可適當(dāng)發(fā)出適宜的指令。傳輸層主要包括交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)、邊緣計(jì)算器等設(shè)備，以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)、指令等信息的傳輸、交換。物聯(lián)網(wǎng)感知層主要由各類(lèi)傳感器、智能模塊、照明燈具等組成，為最末端設(shè)備。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可多冗余，加強(qiáng)模塊化設(shè)計(jì)，在保障系統(tǒng)運(yùn)行速度與穩(wěn)定性的同時(shí)，增加系統(tǒng)功能，提升系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前我國(guó)的云平臺(tái)技術(shù)已較為成熟，已能提供較好的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能。在云平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在低壓在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、線(xiàn)網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)這4 種主要配電系統(tǒng)中，打通相關(guān)設(shè)備同云平臺(tái)間的數(shù)據(jù)通道，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳、存儲(chǔ)、處理的功能目標(biāo)。同時(shí)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)支持下，將云平臺(tái)融入低壓在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能使系統(tǒng)檢測(cè)到用電風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)反饋有效指令，如斷電、預(yù)警，且云平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理功能，利于系統(tǒng)的自動(dòng)排故，結(jié)合各設(shè)備的出廠(chǎng)數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)和之前的運(yùn)作數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)估，能有效維持系統(tǒng)健康運(yùn)行，利于減少人力、物力方面的消耗。將云平臺(tái)融入在線(xiàn)網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將云平臺(tái)作為“大腦”，對(duì)軌道交通用電數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，及時(shí)調(diào)整改善用電情況，能有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，降低電能消耗，提升能源管理水平，促進(jìn)我國(guó)能源的可持續(xù)發(fā)展。