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        電氣自動化在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應用與優(yōu)化

        2024-12-11 00:00:00安曉偉莫俊明
        時代汽車 2024年23期

        摘 要:本研究旨在探索電氣自動化技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的具體應用路徑并提出一系列切實可行的優(yōu)化措施,力求為構(gòu)建更加高效、可靠的城市軌道交通體系提供技術(shù)支持。期望本文的研究能夠為相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人士提供有價值的參考,促進電氣自動化技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域的廣泛應用與發(fā)展。

        關(guān)鍵詞:電氣自動化 軌道交通 供電系統(tǒng)

        1 緒論

        隨著城市化進程的不斷加速,城市軌道交通作為現(xiàn)代都市公共交通的重要組成部分面臨著前所未有的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn):日益增長的客流量對軌道交通系統(tǒng)的承載能力和運營效率提出了更高要求,傳統(tǒng)供電系統(tǒng)存在的諸如能耗高、故障率高以及維護成本高等問題逐漸凸顯,成為制約軌道交通可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。電氣自動化技術(shù)憑借高效的數(shù)據(jù)處理能力、精準的控制功能以及強大的故障診斷優(yōu)勢在優(yōu)化城市軌道交通供電系統(tǒng)方面展現(xiàn)出巨大潛力,由此觀之,將電氣自動化技術(shù)引入城市軌道交通供電系統(tǒng),既能夠顯著提升系統(tǒng)的整體性能又能有效應對上述挑戰(zhàn)并推動交通行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型。

        2 城市軌道交通供電系統(tǒng)概述

        2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

        城市軌道交通供電系統(tǒng)是保障列車平穩(wěn)運行的基礎(chǔ),核心在于將外部電源轉(zhuǎn)換為適合列車使用的直流電,這一過程涉及多個環(huán)節(jié),從外部電網(wǎng)接入到高壓轉(zhuǎn)換再到低壓配電,每一個步驟都需要精密的設(shè)計與協(xié)調(diào)。供電系統(tǒng)通常由主變電所、牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、回流線以及軌道等部分構(gòu)成[1],其中主變電所負責從城市電網(wǎng)接收高壓交流電并將其轉(zhuǎn)換為適合軌道交通使用的電壓等級,牽引變電所則進一步將電壓降至適合列車牽引電機使用的直流電,作為電力傳輸?shù)淖詈笠画h(huán),接觸網(wǎng)直接為列車提供動力,而回流線與軌道共同構(gòu)成了電力返回的路徑以確保電流的完整循環(huán)。

        2.2 關(guān)鍵技術(shù)

        支撐城市軌道交通供電系統(tǒng)高效運行的關(guān)鍵技術(shù)主要包括牽引供電技術(shù)和變電所管理技術(shù)。牽引供電技術(shù)涉及高壓轉(zhuǎn)換、逆變器控制及電力電子器件的應用,有助于確保電力傳輸?shù)母咝c穩(wěn)定,逆變器是核心部件之一,負責將直流電轉(zhuǎn)換為交流電以供列車牽引電機使用,先進的逆變器控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的速度調(diào)節(jié)與能量回饋進而提高系統(tǒng)的整體能效。變電所管理技術(shù)也是不可或缺的一部分,它涵蓋變電所自動化監(jiān)控、遠程控制及故障診斷等多個方面,通過部署SCADA系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng))來實現(xiàn)對變電所設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析,從而及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題。

        2.3 發(fā)展趨勢

        未來的城市軌道交通供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢將更加注重智能化與綠色化。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)juD6TEbYeF1HeyKQ4QLzGw==據(jù)分析及人工智能技術(shù)的進步,供電系統(tǒng)將進一步向智能化方向發(fā)展,比如通過部署智能傳感器網(wǎng)絡(luò)來實時獲取更多元化的運行數(shù)據(jù),為精細化管理和預測性維護提供支持。另一方面,綠色能源的應用將成為供電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一,太陽能、風能等可再生能源的引入在減少對化石燃料依賴的同時還能降低運營成本,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標。儲能技術(shù)的進步也將為供電系統(tǒng)的靈活性帶來新的機遇,通過合理配置儲能裝置有效平衡供需矛盾并提高電力使用的經(jīng)濟性與環(huán)保性。在全球范圍內(nèi),諸如德國和日本等國家已經(jīng)開始積極探索新能源在軌道交通領(lǐng)域的應用,為其他地區(qū)提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。

        3 電氣自動化技術(shù)的應用

        3.1 智能監(jiān)控與故障診斷

        電氣自動化技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應用首先體現(xiàn)在智能監(jiān)控與故障診斷領(lǐng)域。借助集成先進的傳感器網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)可以實時監(jiān)測供電狀態(tài),包括電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的變化,這些傳感器不僅分布在變電站內(nèi)部的關(guān)鍵設(shè)備上,還廣泛布設(shè)于接觸網(wǎng)、回流線等重要位置。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線通信技術(shù)實時傳輸至中央控制平臺,隨后利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對海量數(shù)據(jù)進行處理與分析,快速識別出潛在故障點并進行故障預測[2]。北京地鐵在其供電系統(tǒng)中部署了多種類型的傳感器來實時監(jiān)測變電站內(nèi)的變壓器溫度、油位等指標,同時結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進行分析,最終達到在故障發(fā)生前進行預警的目的,有效避免了因突發(fā)故障導致的服務中斷,故障診斷系統(tǒng)還能夠根據(jù)故障類型自動啟動相應的應急響應程序,進一步提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

        3.2 能源管理系統(tǒng)的集成與優(yōu)化

        電氣自動化技術(shù)還廣泛應用于能源管理系統(tǒng)(EMS)中,主要通過優(yōu)化能量管理方案提高系統(tǒng)的能效比,減少能耗。EMS集成的云計算和人工智能算法能夠?qū)﹄娋W(wǎng)負荷進行精確預測并據(jù)此制定合理的用電計劃,舉例來講,系統(tǒng)在早晚高峰時段會自動調(diào)整負載分配以確保關(guān)鍵線路的電力供應不受影響,而在非高峰時段則通過智能調(diào)度減少不必要的電力消耗。通過整合分布式能源資源(如太陽能光伏板和儲能裝置),EMS還可以實現(xiàn)能源的多元化供應,進一步降低對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴[3]。廣州有軌電車項目安裝了光伏發(fā)電系統(tǒng),同時與EMS相結(jié)合,既降低了運營成本又促進了可再生能源的利用,該系統(tǒng)通過智能調(diào)度將白天多余的太陽能電力儲存起來用于夜間或陰天時的供電,實現(xiàn)了能源的高效利用。

        3.3 自動化調(diào)度與供電優(yōu)化

        除了智能監(jiān)控和能源管理,自動化技術(shù)也在列車調(diào)度與設(shè)備維護中發(fā)揮了重要作用,即建立基于大數(shù)據(jù)分析的決策支持系統(tǒng)來實現(xiàn)列車運行計劃的動態(tài)調(diào)整,確保列車準時發(fā)車并按時到達目的地。該系統(tǒng)能夠根據(jù)實時客流數(shù)據(jù)、天氣預報等因素動態(tài)調(diào)整列車時刻表并優(yōu)化列車調(diào)度方案,主要借助各種智能優(yōu)化算法對車輛的調(diào)度方案進行迭代,迭代結(jié)束之后從多種方案中選出符合當前情況的最優(yōu)調(diào)度方案。自動化技術(shù)還可以實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的智能化管理,自動化調(diào)度系統(tǒng)可以根據(jù)實時客流數(shù)據(jù)調(diào)整列車發(fā)車間隔并通過智能算法優(yōu)化供電策略,確保關(guān)鍵線路的電力供應不受影響,系統(tǒng)還能根據(jù)天氣預報等因素提前調(diào)整供電計劃,即便在惡劣天氣條件下仍能維持穩(wěn)定的電力供應。上海地鐵在這方面積累了寶貴的經(jīng)驗,在自動化調(diào)度系統(tǒng)的支持下,上海地鐵能夠根據(jù)實時客流數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整列車時刻表,保證運力與需求匹配,減少乘客等待時間,同時系統(tǒng)還能根據(jù)設(shè)備狀態(tài)自動優(yōu)化供電策略,在減少電力浪費的同時延長設(shè)備使用壽命。由此可見,自動化的調(diào)度與供電優(yōu)化不僅有助于提高系統(tǒng)的運行效率,還為乘客提供了更加優(yōu)質(zhì)的服務體驗。

        3.4 數(shù)據(jù)驅(qū)動的預測性維護

        電氣自動化技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的另一重要應用領(lǐng)域是數(shù)據(jù)驅(qū)動的預測性維護,傳統(tǒng)的電力維護模式往往依賴于定期檢查和事后修復,這種方式效率低下且容易導致設(shè)備因突發(fā)故障而停運,相比之下,預測性維護持續(xù)收集設(shè)備運行數(shù)據(jù)并利用先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù),因而能夠提前識別出設(shè)備可能出現(xiàn)的問題,實現(xiàn)在故障發(fā)生之前采取預防措施的目的。

        預測性維護依賴于先進的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)以及機器學習算法,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將設(shè)備運行狀態(tài)的信息匯總并通過高速通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心,由專門的數(shù)據(jù)處理平臺進行存儲和分析,隨后利用機器學習算法(如模式識別、分類算法等)來訓練模型識別設(shè)備正常運行與故障狀態(tài)之間的差異進而實現(xiàn)對潛在電力故障的預測。一些城市的地鐵在其供電系統(tǒng)中采用了預測性維護方案,后者對變電站中的變壓器、斷路器等關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)進行實時監(jiān)測并收集各種設(shè)備的運行數(shù)據(jù),包括但不限于電壓、電流、功率等參數(shù),然后基于收集的數(shù)據(jù),維護團隊使用機器學習算法建立了故障預測模型,當模型檢測到某一設(shè)備存在潛在故障時系統(tǒng)會自動觸發(fā)警報并提供詳細的診斷報告,技術(shù)人員因而能夠迅速定位問題所在[4]。系統(tǒng)還會根據(jù)設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)和當前狀態(tài)預測未來的維護需求,從而允許維護人員提前安排檢修計劃,這一方式大大減少了非計劃性的停機時間,同時提高了供電系統(tǒng)的可用性和可靠性。預測性維護既帶來了顯著的經(jīng)濟效益又產(chǎn)生了積極的社會效益,因為減少了因設(shè)備故障導致的服務中斷次數(shù),乘客的出行體驗得到了明顯改善,由于能夠更精確地預測維護需求,過度維護帶來的資源浪費也大大減少。

        4 優(yōu)化策略與案例研究

        4.1 智能監(jiān)控與故障診斷的優(yōu)化

        針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化問題,在城市軌道交通供電系統(tǒng)中可以引入多模態(tài)感知技術(shù),即結(jié)合視覺、聲音、振動等多種傳感器數(shù)據(jù)實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的全面感知,比如在變電站內(nèi)部安裝高清攝像頭來實時監(jiān)測設(shè)備外觀變化,并結(jié)合聲音傳感器捕捉異常噪音,最后借助圖像識別與音頻分析技術(shù)綜合判斷設(shè)備健康狀況并提前預警潛在故障。數(shù)據(jù)處理和分析方面,利用邊緣計算技術(shù)在傳感器端或接近傳感器的位置進行初步數(shù)據(jù)處理以減少數(shù)據(jù)傳輸延遲,隨后通過實時分析技術(shù)即時反饋異常情況,減少從數(shù)據(jù)采集到故障響應的時間間隔進而提高系統(tǒng)的響應速度,比如在接觸網(wǎng)沿線部署帶有本地計算能力的傳感器節(jié)點,實時監(jiān)測電流波動并在本地進行初步分析,將異常數(shù)據(jù)上傳至中央控制平臺。還可以應用智能巡檢機器人替代部分常規(guī)的人工巡檢,機器人能夠自主導航并在預定路線內(nèi)完成設(shè)備狀態(tài)檢查,它們配備高清攝像機、紅外成像儀等設(shè)備,能夠進行多維度監(jiān)測并將數(shù)據(jù)實時傳輸給控制中心。無人機的應用也有利于優(yōu)化智能監(jiān)控與故障診斷,無人機可以進行高空線路巡檢,減少人力投入并提高巡檢效率,無人機配備的高清攝像頭和紅外成像儀能夠?qū)崟r傳輸圖像數(shù)據(jù),及時發(fā)現(xiàn)線路故障,一般來說,在軌道線路的高架橋段比較適合使用無人機進行定期巡檢,確保接觸網(wǎng)的安全運行。

        4.2 能源管理系統(tǒng)(EMS)的優(yōu)化

        首先是虛擬電廠技術(shù)的應用,在城市軌道交通供電系統(tǒng)中可利用虛擬電廠技術(shù)整合分布式能源資源,實現(xiàn)能源的統(tǒng)一調(diào)度與管理,舉例來講,將地鐵站內(nèi)的太陽能光伏板、儲能裝置和傳統(tǒng)發(fā)電單元連接成一個虛擬電廠并通過智能調(diào)度算法優(yōu)化能源利用,在高峰時段優(yōu)先使用光伏發(fā)電,同時將多余的電量儲存起來用于非高峰時段的供電。引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)建立去中心化的能源交易平臺,確保能源交易的透明度和安全性,區(qū)塊鏈的智能合約可以自動執(zhí)行能源交易,減少中間環(huán)節(jié)以降低交易成本,提高能源市場的靈活性,如在軌道上安裝多個分布式能源節(jié)點并通過區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)能源的實時交易和結(jié)算。微電網(wǎng)技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應用能夠?qū)崿F(xiàn)局部區(qū)域內(nèi)的自給自足,通過建立獨立的小型電網(wǎng),城市軌道交通的各個站點可以利用自身擁有的可再生能源和儲能設(shè)施在一定程度上實現(xiàn)能源自治,微電網(wǎng)技術(shù)不僅能夠提高能源利用效率,還能增強系統(tǒng)的抗災能力,在突發(fā)停電事件中,微電網(wǎng)仍能獨立運行,為地鐵站提供必要的電力支持。

        4.3 自動化調(diào)度與供電的創(chuàng)新優(yōu)化

        自動化技術(shù)在列車調(diào)度與供電中發(fā)揮了重要作用,為了進一步優(yōu)化這些方面,可以考慮以下創(chuàng)新策略。引入智能預測與動態(tài)調(diào)度,結(jié)合深度學習與自然語言處理技術(shù)來自動分析社交媒體上的實時交通狀況信息并據(jù)此預測未來客流變化,根據(jù)預測結(jié)果動態(tài)調(diào)整列車調(diào)度計劃,讓運力與需求始終匹配。利用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建設(shè)備的虛擬模型以模擬設(shè)備在不同工況下的運行狀態(tài),通過虛擬環(huán)境中的測試與優(yōu)化來指導實際設(shè)備的維護與升級,提高設(shè)備的可靠性和使用壽命,例如,在虛擬環(huán)境中模擬供電系統(tǒng)中各個設(shè)備的運行狀態(tài),借助仿真測試找出最優(yōu)維護方案。

        4.4 數(shù)據(jù)驅(qū)動的預測性維護創(chuàng)新優(yōu)化

        數(shù)據(jù)驅(qū)動的預測性維護通過持續(xù)收集設(shè)備運行數(shù)據(jù)并利用先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù),能夠提前識別設(shè)備可能出現(xiàn)的問題。為了進一步優(yōu)化這一領(lǐng)域,可以利用增強現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)場維護過程中提供可視化指導,幫助技術(shù)人員快速定位故障點,技術(shù)人員佩戴AR眼鏡,后者將虛擬信息疊加到實際環(huán)境中,能夠直觀顯示設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和維修步驟。盡管增強現(xiàn)實技術(shù)在預測性維護中有巨大的潛力,但目前其成本仍然較高且技術(shù)尚未完全成熟,因此在實際應用領(lǐng)域中的普及程度有限,更多被視為未來發(fā)展的方向?;谥R圖譜的故障診斷系統(tǒng)可以整合設(shè)備運行數(shù)據(jù)、維修記錄、專家經(jīng)驗等多源信息,通過知識推理技術(shù)自動識別故障模式并推薦解決方案,提高診斷的準確性和效率,故知識圖譜的引入也是優(yōu)化方向之一。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)可用于構(gòu)建高度互聯(lián)的設(shè)備網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)共享與協(xié)同工作,在微服務架構(gòu)下設(shè)計的故障診斷系統(tǒng)具備更高的可擴展性和靈活性,有助于后續(xù)功能擴展與維護,因此,可以考慮在供電系統(tǒng)各設(shè)備內(nèi)部構(gòu)建IoT平臺并通過微服務架構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活擴展。

        5 結(jié)語

        電氣自動化技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應用具有深遠的意義,它有效地解決了傳統(tǒng)供電系統(tǒng)中存在的問題并推動城市軌道交通向更加高效、智能的方向發(fā)展,為公眾提供了更為便捷、可靠的出行服務,展現(xiàn)了電氣自動化在未來城市交通發(fā)展中不可替代的作用。

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