任運業

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

 

摘要：本文針對地鐵工程車站進行了低壓變電智能化電能管理系統設計。首先，對地鐵工程中的車站低壓智能系統做了詳細介紹，其次，從硬件與軟件兩方面進行了電能管理系統整體結構設計，再次，基于頻率管理、電能質量控制和報警、諧波管理、節能與設備優化管理等角度深入分析了管理系統功能。通過研究表明，此系統實用性與可靠性良好，能夠基于網絡集中化管理實現設備用電信息優化管理與控制，從而科學有效管理能源消耗，提高能源利用率，節約車站運營成本，因此值得大力推廣與應用。

關鍵詞：地鐵車站；低壓；變電；智能化；電能管理

 

     地鐵工程中車站低壓配電變電系統的作用是為地鐵除了牽引負荷之外運營所需機電設備提供低壓電源電力。就功能可以劃分為兩大類，即降壓變電所與環控電控，其中，降壓變電所的任務是針對車站通信與監控提供電源，環控電控的任務是為風機與冷卻塔等供電。如果不能確保供電的穩定性與可靠性，那么勢必會影響地鐵的有序運行。

 

2.1 降壓變電低壓系統

      降壓變電低壓智能系統的控制對象為母聯斷路器、進線短路器、三級負荷低壓總開關。現階段，我國地鐵車站降壓變電低壓智能系統的形式是，基于控制對象遙測與遙控，增加全部饋出回路遙測。智能低壓系統是由以太網、智能化開關、PLC、數字儀表等所構成的，其中系統控制對象的遙控是以斷路器為輔助加以實現的，而遙測與遙信則是以數字化儀表為載體加以實現的。降壓變電低壓智能系統結構具體如圖1所示。

 

圖1 降壓變電低壓智能系統結構

2.2 環控電控低壓系統

      環控電控低壓智能系統，不僅可以綜合保障并監測具備軟啟動與變頻器的電機回路，還能夠綜合保護與監測全部饋出回路。環控電控低壓智能系統結構具體如圖2所示。

 

圖2 環控電控低壓智能系統結構

       從圖可以看出，環控電控低壓智能系統的任務是全面保護電動機。低壓布置配有單獨的通信控制器，以此搜集通風空調的相關數據信息，并調整匯總，加以計算分析，然后實時傳輸到機電設備自動化控制系統的PLC中，就PLC的通風模式為依據加強有效控制。特別是在出現火災情況的時候，地鐵車站機電設備自動化控制系統接收到火災自動化報警系統的命令，落實各種類型環控設施設備的火災運行模式，并把命令下達到環控柜低壓智能系統。

 

       系統基于Trans Active軟件平臺得以開發設計。Trans Active軟件平臺利用了C++軟件技術，通過模塊化結構，依據系統功能需要，將系統功能模塊化，軟件組件化，進而靈活銜接并調取，適應性與可靠性都十分突出。

3.1 硬件結構

       電能管理系統硬件結構具體如3所示。其一，系統服務器的作用是接收并處理數據信息；其二，管理工作站的作用是為系統管理者提供更加便利、完善的環境；其三，網絡設施設備實際上等同于網絡交換機；其四，存儲設備實際上就是磁盤陣列，任務是儲存系統歷史數據信息。此外，電能管理系統基于網絡交換機與局域網，和外部接口系統之間進行交互數據信息管理、分析。

 

圖3 電能管理系統硬件結構

3.2 軟件結構

      電能管理系統的軟件結構具體如圖4所示。

 

圖4 電能管理系統的軟件結構

 

      電能管理系統功能具體如圖5所示。

 

圖5 電能管理系統功能

 

4.1 頻率管理模塊

      對于低壓變電智能化電能管理系統而言，頻率屬于其所采集的主要監控電能，能夠對頻率實時變化進行全程跟蹤監控，并及時把相關數據信息儲存到歷史數據庫。通過系統的越限報警功能，還可以設置上下閾限值，在出現越限狀況的時候，系統及時發出聲光告警信號，并把報警信息儲存到歷史數據庫，以便于快速查詢并解決故障。在故障狀況下，系統頻率降低的時候，可通過系統遙控操控能力，低頻率減負荷，自動摒除次要負荷。而在系統頻率上升的時候，為減少發電機處理，依舊可以通過遙控操控能力，高頻率切機，促使系統頻率快速恢復到額定值閾限內，從而進一步滿足頻率管理具體需求。

 4.2 電能質量監控與報警模塊

      通過對系統與站點電能質量進行檢測，發現潛藏威脅，即諧波、電壓偏移、變電系統事故等等。同時，還能夠挖掘系統越限與能耗異常狀況，及時發出告警信號，以郵件、短信、PDA、工作站等多元化方式快速通知操作員工，以此有效降低設備誤動作幾率，節約能源成本，以助于配電系統科學合理規劃，提高生產效率與水平，并進一步提供系統的、完善的能源視圖。

4.3 諧波管理模塊 

      諧波分量并不是系統采集的基礎監控電能電量，但是卻能夠通過低壓變電系統采集諧波。然而，所檢測諧波次數大約在2-19 次，就諧波源特性，適度調整諧波次數測量區域。就負荷變化比較快的諧波源來講，一般都會控制在31次以上，其中一些回路明確指出進行63次諧波分量檢測。所以，諧波檢測數據量都比較大。系統對于實時性與及時性要求非常高，把各回路諧波畸變率數據信息進行上傳處理分析，不僅會嚴重消耗系統資源，還會對系統數據的實時性與真實性造成直接性影響。因此，系統諧波質量主要通過關鍵回路實時性采集與一般性回路分批性定時采集、召喚采集相融合的方式加強優化管理。其中，關鍵回路與變電配電系統電能質量息息相關，因此，選用實時采集與密切關注諧波數據信息的模式，這主要是由于此類型回路數量相對偏少，盡管單項回路數據量非常多，可是在科學合理化分配之后，對系統實時性的影響并不突出。而一般回路對系統電能質量的影響不顯著，因此，通過分批性定時采集方式，避免遇到資源利用高峰期，分批性定時獲取數據信息。其中定時的 

具體時間以回路性質與系統規模為基礎進一步明確，能夠有效促進系統資源利用率提升。而且出現故障的回路，還能夠召喚采集，在出現故障的時候，進行諧波數據信息實時采集，以助于詳細了解并分析故障發生的具體原因。

4.4 節能與設備優化模塊 

      通過收集能源數據信息并詳細分析設備狀態，獲取節能空間較大區域具體位置，評估節能措施與設備具體成效，即再生制動能量利用、諧波治理、照明控制等等。基于電能管理系統的參數展示模塊，遠程監控變電配電回路電氣實際運行狀態，生成電氣參數、能耗、分時計量等等運行狀態數據報表。同時就電能管理系統軟件所采集數據信息，進一步探索歷史負荷、能耗、裕量等，以此提高系統設備利用率。此外，從時段、季度、部門等角度統計分析全年具體能耗，以Microsoft Excel文件格式存儲所生成報表，并自動化生成曲線圖，以便于用戶快速生成詳細報告。

 

5.1概述

        用戶端消耗著整個電網80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統、需求側管理等課題。

        安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節約電能，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

 5.2應用場所

        （1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

        （2）商業建筑（商場、金融機構建筑等）；

        （3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

        （4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑等）；

        （5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

        （6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

5.3系統結構

 

5.4系統功能

5.4.1

      實時監測系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功  率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態，以及有關故障、告警等信號。

 

5.4.2電能統計報表

       系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

 

5.4.3詳細電參量查詢

       在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變為手形，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

 

5.4.4運行報表

系統具有實時電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、時間或選擇查詢更新的記錄數據等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

 

5.4.5變壓器運行監視

        系統對配電系統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態進行在線實時監視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

 

5.4.6實時報警

       系統具有實時報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進行實時監測，并根據事件等級發出告警。系統報警時自動彈出實時報警窗口，并發出聲音或語音提醒。

 

5.4.7歷史事件查詢

        系統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

 

5.4.8電能質量監測

        系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量進行持續性的監測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監測功能的電力儀表，不需要可刪除。

 

5.4.9遙控操作

         系統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

 

5.4.10用戶權限管理

         系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

 

5.4.11通訊狀態圖

       系統支持實時監視接入系統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現場各設備的通訊狀態，及時維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

 

5.4.12視頻監控

       視頻監控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

 

5.4.13用戶報告

       用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析。

 

5.4.14 APP支持

       電力運維手機支持“監控系統"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

 

5.5系統硬件配置清單

 

      綜上所述，在我國地鐵建設與運營管理中，節能降耗開始備受重視。由于地鐵供電無法有效保障，則會導致難以正常穩定運行，直接影響人們的順利出行。因此，提高地鐵供電的可靠性與穩定性具有十分重要的現實意義。而智能化低壓變電配電系統可以為地鐵提供可靠、穩定、安全供電，應用前景非常廣闊。所以，本文針對地鐵工程車站進行了低壓變電智能化電能管理系統設計。通過研究表明，此系統實用性與可靠性良好，能夠基于網絡集中化管理實現設備用電信息優化管理與控制，從而科學有效管理能源消耗，提高能源利用率，節約車站運營成本，因此值得大力推廣與應用。

 

[1]任曉娜，麥衛華，變電站智能地鐵管理系統的應用[J],電子世界，2018,557（23）；181-182

[2]李浩森，地鐵工程中車站低壓變電智能化電能管理系統設計            

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊 2022.05版

 

 

作者簡介：任運業，男，現任安科瑞電氣股份有限公司，主要從事于電能管理系統的研發與應用。