張振華

摘 要 城市軌道交通系統(tǒng)中環(huán)控和機電設備、供電系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)等技術的飛速發(fā)展為城市軌道交通的高效運營提供便捷，但同時也為供配電系統(tǒng)引入了各類電能質量問題。本文首先闡述了城市軌道交通電能質量研究現狀，然后詳細介紹了城市軌道交通電能質量管理系統(tǒng)的設計和實現，重點描述了前置采集層、數據庫層和應用層的實現，最后簡單介紹了系統(tǒng)的主要功能。實驗室運行結果表明，該系統(tǒng)能夠提供合理的能效策略，有效提供能源的利用效率，帶來一定的經濟效益。

【關鍵詞】軌道交通 電能質量

當前近年來，國家發(fā)改委和科技部明確提出了“建設我國節(jié)能型綜合交通運輸體系”的設想。城市軌道交通系統(tǒng)中環(huán)控和機電設備、供電系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等技術的飛速發(fā)展為城市軌道交通的高效運營提供便捷，同時為供配電系統(tǒng)引入了非線性、波動性、沖擊性和不平衡特性等電能質量問題。低效的電能質量可能會造成設備退出運行，使保護裝置誤動、拒動，同時還會影響系統(tǒng)工況，嚴重威脅系統(tǒng)安全，從而大幅降低運載效率，對社會經濟造成較大損失。電壓波動和閃變也會降低設備使用壽命，增加設備運維成本。不僅如此，電能質量的污染還會對通信產生干擾，影響車輛及站內信號傳輸。

目前城市軌道交通的運營部門已提高了對電能質量的認識，越來越多的用戶參與到前期建設中，提出了更高質量的用電需求。提高電能質量、滿足生產發(fā)展需求已經成為供用電雙方的共同愿望。深入分析和研究電能質量問題，是適應市場競爭和可持續(xù)發(fā)展所必需的。

本論文將從系統(tǒng)理論出發(fā)，建立系統(tǒng)級平臺，通過采集數據，對系統(tǒng)功能進行設計和實現，為軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能設計、應用改造、管理規(guī)范的制定提供理論基礎。

1 系統(tǒng)設計思想

1.1 系統(tǒng)架構

如圖1所示，本系統(tǒng)采用分層設計，共分三層系統(tǒng)監(jiān)管中心層、車站層和網絡層。

1.1.1 系統(tǒng)監(jiān)管中心層

系統(tǒng)監(jiān)管中心負責采集各車站或車輛段的電能質量數據，并對其進行統(tǒng)計分析。該中心主要包括前置采集系統(tǒng)服務器、數據庫服務器、Web服務器、操作工作站等設備。

1.1.2 車站層

車站層主要包括數據集中器和各種監(jiān)測設備。數據集中器對車站或車輛段內的監(jiān)測設備的數據采集、存儲，及與系統(tǒng)監(jiān)管中心進行數據的交互功能。監(jiān)測設備。監(jiān)測設備負責實時監(jiān)測、采集相應線路的各種電能質量信息。

1.1.3 網絡層

網絡層完成系統(tǒng)監(jiān)管中心與各車站或車輛段的通信。實現大容量實時數據的高速匯集傳輸，確保系統(tǒng)監(jiān)管中心能夠快速、準確得到所有監(jiān)測數據。

1.2 系統(tǒng)軟件方案

依據大數據分析技術，并結合本公司在軌道交通能源監(jiān)測、控制和運營管理方面的研究成果，提出一套城市軌道交通電能質量管理系統(tǒng)的軟件設計方案，如圖2所示。

該方案共分三層前置采集層、數據庫層和Web服務器層。前置采集層從各個車站或車輛段的數據采集終端采集電能質量數據，并進行相應的統(tǒng)計計算，最后把原始電能質量數據和統(tǒng)計分析結構都存儲到入庫文件中。數據庫層一方面實時搜索入庫源文件，然后把源文件中的數據寫入到數據庫中；另一方面為Web服務器層提供數據源。Web服務器層主要是提供各種實際的應用功能，以供用戶對電能質量數據的查看和設置。

3 關鍵技術及系統(tǒng)實現

3.1 前置采集層程序實現

前置采集層分兩個功能模塊：采集服務和計算模塊。該層采用ACE（Adaptive Communication Environment）框架進行設計。

3.1.1 采集服務

采集服務主要建立與數據采集器建立傳輸通道和定時生成采集任務。

（1）建立傳輸通道：采用ACE異步連接類和服務處理類。建立連接的過程：創(chuàng)建異步主動連接，在進行異步連接時，創(chuàng)建新的服務處理類，并將該服務類傳遞給異步連接類，這樣數據的傳輸就交給服務類去執(zhí)行。實現服務處理子類中提供的掛鉤方法，并通過創(chuàng)建ACE_Sock_Stream和異步讀寫流類來進行異步通信。

（2）定時生成采集任務：定時采集任務的生成主要使用ACE_Reactor的定時機制，該機制接受事件處理器，以及以ACE_Time_Value對象形式出現的延遲對味參數。此外，可以指定時間間隔，使定時器在它超時后自動恢復。在事件超時的時候適當的調用事件處理器的handle_timeout（）方法。

3.1.2 計算模塊

計算模塊接收從規(guī)約模塊傳遞過來的源電能質量數據，然后對其進行統(tǒng)計分析。本系統(tǒng)目前只實現了如下對象統(tǒng)計分析功能：

電量、三相電壓/電流的系數換算（CT＼PT）；三相電壓/電流的最值、均值、參考值和偏差；基波電壓/電流的的最值、均值和參考值；諧波電壓/電流含有率的最值、均值和參考值。

其中參考值的取法為：95%概率值，即將各次測量值按從大到小的順序排列，去除總數的5%的較大值，取其剩余95%中最大的那個測量值作為代表值。

3.2 數據庫層設計

數據庫層可分為兩部分：數據庫和入庫模塊。數據軟件采用Oracle 數據庫，用來存儲和管理電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)中各站點監(jiān)測裝置上傳的監(jiān)測數據、經統(tǒng)計分析程序處理后的數據，以及系統(tǒng)的配置信息，并為系統(tǒng)中的Web 服務器模塊提供數據檢索等服務。入庫模塊是前置采集層和數據庫之間的通道，前置采集模塊產生入庫文件，入庫模塊則把入庫文件中的數據存儲到數據庫中。下面將對這兩部分做詳細介紹。

3.2.1 數據庫設計

通過對用戶需求的調研分析，本系統(tǒng)涉及到的數據分為四類：設備信息、電能質量數據信息、事件信息、其它信息。從這四類中信息中共抽象出車站資料表表、監(jiān)測設備資料表、用戶表、設備小時電量原始數據表、設備日統(tǒng)計電量表等實體。

數據檢索是城市軌道交通電能質量監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能，而且電能質量的統(tǒng)計及分析也要以大量數據檢索為基礎。所以數據檢索速度的快慢直接影響系統(tǒng)的性能，并結合本系統(tǒng)的特點，采用索引和分表存儲來改善系統(tǒng)性能。

索引的建立：本系統(tǒng)中對訪問比較頻繁的逐時電能質量數據表，在其表計號，日期列上建立樹索引。

分表管理：對系統(tǒng)中數據量較大的表采用分表存儲，每個表都可以單獨管理。在執(zhí)行針對小范圍的語句時，所有和本次操作無關的表都不會參與運算，能大大減少語句執(zhí)行所需的時間。

3.2.2 入庫模塊的設計及實現

入庫模塊的主要功能是把入庫文件中的數據存儲到數據中。數據入庫的方式包括：批量入庫（插入insert）。批量入庫會設置一個批量提交的變量，當插入的數據達到該變量所設的值時，自動執(zhí)行提交事務，如果提交成功則執(zhí)行下一次批量插入，否則該次插入的所有數據均插入失敗，要一條一條的更新數據。數據更新（更新updata）。只能一條一條的執(zhí)行，所以該時候入庫速度較慢，該方式發(fā)生在批量插入失敗的時候，而且要更新數據的表一定要有主鍵存在。流程圖如圖3。

3.3 Web服務器層

為了更好的實現系統(tǒng)的遠程監(jiān)測和管理，軌道交通電能質量監(jiān)測系統(tǒng)的應用層采用B/S架構。Web服務器選用Apache。

該軟件平臺的主要功能包括電量查詢、電壓分析、報表、告警等功能。

3.3.1 電量查詢

電量查詢主要功能是查詢車站、線路、監(jiān)測點的電量數據，可按統(tǒng)計類別（小時，日，月，年）等類別進行查詢，電量查詢界面如圖4。

3.3.2 電壓分析

電壓分析模塊可以按日、月、年查詢任意計量點的三相電壓最大值及發(fā)生時間、最小值及發(fā)生時間、平均值和參考值。電壓分析界面展示如圖5所示。

3.3.3 報表定制

提供靈活的圖形界面報表工具，可生產任意格式自定義報表；所有系統(tǒng)報表均支持手動生產和定期自動生成功能，支持Excel、PDF等多種格式，用戶可方便進行編輯和打??；提供自定義報表功能，用戶可以定制自己喜歡的各類報表的樣式和內容。報表定制功能展示如圖6所示。

3.3.4 報警管理

系統(tǒng)提供靈活、豐富的告警管理功能，對設備運行狀態(tài)、儀表故障、數據異常等事件進行告警；可靈活設置不同的預報警條件、目標限值等；支持聲音、閃爍條等多種報警方式；報警信息支持通過消息或短信方式提醒管理人員。報警管理展示如圖7所示。

4 結論

本文從系統(tǒng)理論出發(fā)，建立了一套適用于城市軌道交通電能質量管理系統(tǒng)的軟件平臺，為軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能設計、應用改造、管理規(guī)范的制定提供理論基礎，協助運營單位提高電能的管理效果和管理水平。通過對電能質量數據的綜合評估，提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并根據電能的實際使用情況和電能質量的綜合評價，減少供電設備實際損耗、提高供電系統(tǒng)電能質量效率、延長設備的運行使用壽命。

參考文獻

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作者單位

天津凱發(fā)電氣股份有限公司 天津市 300000