盛蓉蓉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063)

1 電能質(zhì)量管理系統(tǒng)概述

1.1 應用背景

隨著城市軌道交通的高速發(fā)展，地鐵供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復雜，引進先進技術(shù)的同時出現(xiàn)了大量的非線性負荷和沖擊性負荷，如整流設備、變頻設備、大功率電力電子設備和電磁開關(guān)等，造成供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量(包括諧波、電壓波動和閃變、不平衡度、功率因數(shù)等)的技術(shù)指標不同程度地超標。這些電能質(zhì)量的問題對供電系統(tǒng)造成了不同程度的危害，嚴重時可能發(fā)生電氣火災，造成嚴重的經(jīng)濟損失。應用地鐵電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，通過預測、診斷和驗證電能質(zhì)量問題，可避開存在的風險，使那些與電能質(zhì)量問題相關(guān)的設備以更安全的方式運行。

1.2 設計原則

基于先進、開放、易于升級的系統(tǒng)平臺，要求具有靈活、高性價比且支持多種通信方式的優(yōu)點。計算機網(wǎng)絡選用開放的體系結(jié)構(gòu)，對集控站系統(tǒng)采用“即插即用”技術(shù)。在完成電能質(zhì)量監(jiān)測的基礎上，可以使地鐵運營部門迅速而準確地實時獲得變電所內(nèi)各種大型負荷設備運行的電能質(zhì)量信息，完整地掌握全線低壓400 V系統(tǒng)的電能質(zhì)量狀況，同時為低壓400 V系統(tǒng)與中壓10 kV系統(tǒng)集成提供良好結(jié)合的平臺，及時發(fā)現(xiàn)和糾正整個地鐵用電系統(tǒng)輸變電運行的薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測分析的綜合自動化管理。

2 亦莊線電能質(zhì)量管理系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

亦莊線地鐵電能質(zhì)量管理系統(tǒng)由間隔層、子站采集層、通信層和主站監(jiān)控層構(gòu)成(見圖1)，每個變電所對一個子站進行管理。

圖1 電能質(zhì)量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)間隔層由高壓10 kV系統(tǒng)現(xiàn)場儀表及低壓400 V現(xiàn)場儀表構(gòu)成，統(tǒng)一設置在高低壓開關(guān)柜內(nèi)，對每座變電所各條負荷線路的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進行實時采集。

2)子站采集層包含了前置處理器、以太網(wǎng)交換機、工控機等，這些設備均設置在變電所控制室的電能屏內(nèi)。由工控機實時輪詢、采集現(xiàn)場儀表的各種參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后存儲在子站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，所有數(shù)據(jù)經(jīng)過通信層上傳給后臺監(jiān)控中心，對變電所內(nèi)的各個負荷回路進行統(tǒng)一監(jiān)控、管理。

3)通信層為通信系統(tǒng)提供10 Mb/s帶寬的專用通信通道，將數(shù)據(jù)最終上傳到監(jiān)控中心主站服務器，專用的通信通道保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)能實時可靠地上傳。

4)主站監(jiān)控層包含了3層交換機、操作員工作站、Web服務器等，均設置于車輛段臨時控制中心的電能屏內(nèi)。該層負責收集每個子站(每個變電所為一個子站)的數(shù)據(jù)，并且通過系統(tǒng)軟件進行統(tǒng)一的處理和統(tǒng)計分析，對全線供電系統(tǒng)實施集中、全面、實時的遠程監(jiān)測，將每個子站的供電質(zhì)量、事故報警、電能分配等情況及時、準確地反映到系統(tǒng)中并顯示出來，對全線子站實行同步管理。

2.2 系統(tǒng)功能

根據(jù)北京地鐵運營公司對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的需求，亦莊線電能質(zhì)量管理系統(tǒng)構(gòu)建了分布式電能質(zhì)量數(shù)據(jù)服務平臺。在電能質(zhì)量數(shù)據(jù)服務平臺上，完成了電能質(zhì)量監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、電能分類統(tǒng)計等功能;可以實時查詢:儀表三相電流、電壓，三相功率因數(shù)、頻率，三相有功、無功、視在功率，電壓電流不平衡度，短時閃變，電壓偏差越限，電壓閃變越限，電壓諧波含有率越限，諧波電流越限，不平衡度越限，頻率越限等。

1)系統(tǒng)具有電能分類統(tǒng)計功能，可按照地鐵運營公司的要求，生成電壓電流報表、電壓偏差報表、電壓電流各序分量報表、諧波電壓含有率報表、諧波電流報表、電壓總諧波畸變率報表、頻率及三相不平衡度報表、各相功率報表、功率因數(shù)報表、電壓閃變報表，也可以實時動態(tài)地生成分時分線電量統(tǒng)計報表;對于電能質(zhì)量，按照國標要求，統(tǒng)計電能質(zhì)量參數(shù)的95%概率大值、最大值、最小值等，能任意時段進行統(tǒng)計，方便地實現(xiàn)分日統(tǒng)計、周統(tǒng)計、月統(tǒng)計、季度統(tǒng)計、年統(tǒng)計。通過報表數(shù)據(jù)，可以對各項指標作詳細分析，為地鐵運行提供技術(shù)參考。

2)在線路進入動態(tài)或暫態(tài)過程中，在線式電能質(zhì)量采集終端將捕捉電壓驟升驟降等現(xiàn)象，對被監(jiān)測參數(shù)啟動高分辨率波形數(shù)據(jù)記錄，錄波數(shù)據(jù)以文件形式按照事件的起始時間保存，通過通信網(wǎng)絡，定時將寄存器中的監(jiān)測數(shù)據(jù)下載保存于主站服務器數(shù)據(jù)庫中，后臺軟件提供豐富的圖形化數(shù)據(jù)分析功能。同時，可依據(jù)用戶需要開放相關(guān)數(shù)據(jù)接口，便于與其他分析系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3)電能質(zhì)量管理系統(tǒng)通過實時數(shù)據(jù)的讀取，可以使調(diào)度等部門迅速而準確地獲得變電所內(nèi)各種大型負荷設備運行的電能質(zhì)量實時信息，完整地掌握整個系統(tǒng)的電能質(zhì)量狀況，及時發(fā)現(xiàn)和糾正輸變電運行的薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測分析的綜合自動化管理。

2.3 儀表設置

1)10 kV電能管理子系統(tǒng):在牽引變電所的整流變壓器饋線、動力變壓器饋線側(cè)及開閉所外電源進線處，安裝了SHARK 200電能表。

2)400 V低壓電能管理子系統(tǒng):在低壓柜的非線性負荷出線處，如照明母線、環(huán)控大負荷、UPS電源等饋線回路的饋出開關(guān)處，安裝了WEM100數(shù)字電能表。

3 電能質(zhì)量管理系統(tǒng)通信方式

3.1 變電所內(nèi)通信模式

變電所所內(nèi)的通信模式如圖2所示。所內(nèi)通信模式取決于現(xiàn)場儀表，10 kV系統(tǒng)的SHARK 200電能表支持以太網(wǎng)通信方式，電能質(zhì)量數(shù)據(jù)通過SHARK 200電能表自帶的以太網(wǎng)口，接入變電所電能監(jiān)測屏的以太網(wǎng)交換機，400 V系統(tǒng)的WEM100數(shù)字電能表僅支持RS485通信方式，電能質(zhì)量數(shù)據(jù)通過WEM100數(shù)字電能表自帶的RS485通信口，接入變電所電能監(jiān)測屏的子站前置機內(nèi)。前置機經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)傳輸至以太網(wǎng)交換機。通過以太網(wǎng)交換機，最終將所有數(shù)據(jù)打包上傳至控制中心。

圖2 電能質(zhì)量管理所內(nèi)通信方式

3.2 全線通信方式

電能質(zhì)量管理系統(tǒng)單獨組網(wǎng)，由通信系統(tǒng)單獨提供帶寬為10 Mb/s的通信通道，以變電所為單位直接接入通信網(wǎng)絡，如圖3所示。通信系統(tǒng)與變電所的接口，位于變電所內(nèi)電能屏的以太網(wǎng)交換機網(wǎng)口。

圖3 電能質(zhì)量管理系統(tǒng)全線通信方式

所內(nèi)由一臺工控機完成本站所有儀表數(shù)據(jù)的采集，通過通信網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行膶ＴO的電能質(zhì)量系統(tǒng)的交換機。獨立組網(wǎng)避免了在傳輸過程中可能存在的數(shù)據(jù)丟失，以及對變電所自身網(wǎng)絡可能造成的安全隱患，同時可完全實現(xiàn)系統(tǒng)要求的各項電能質(zhì)量指標數(shù)據(jù)的實時采集。

4 地鐵電能質(zhì)量管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢

4.1 應用情況

目前，北京地鐵部分線路(如亦莊線、大興線等)已率先采用了地鐵電能質(zhì)量管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)作為一個綜合信息平臺，在完成電能質(zhì)量管理的基礎上，可以使調(diào)度等部門迅速而準確地獲得變電所內(nèi)各種大型負荷設備運行的電能質(zhì)量實時信息，完整地掌握整個系統(tǒng)的電能質(zhì)量運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)和糾正輸變電運行的薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測分析的綜合自動化管理。

4.2 發(fā)展趨勢

隨著我國電力市場的建立和逐步完善，供用電雙方對電能的質(zhì)量要求日益提高，有關(guān)供電局已開始著手建造電能質(zhì)量監(jiān)控網(wǎng)絡，以保證電力系統(tǒng)優(yōu)化運行和安全運行。對于日益發(fā)展的軌道交通行業(yè)，地鐵運營對供電系統(tǒng)的管理應不斷提高，對供電質(zhì)量和用電監(jiān)察要高度重視;通過設置電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，可以解決地鐵內(nèi)部各用電設備存在的電能質(zhì)量問題，滿足供電部門日趨嚴格的用戶用電要求。

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