淺談電能管理系統在智能軌道交通中的設計與應用

摘要：城市軌道交通可以填補市民出行方式的空缺，它的運行需要有持續的電能提供支持。為了給軌道交通營(yíng)造穩定的運行環(huán)境，迫切需要建立相應的電能管理系統，以此實(shí)現高質(zhì)量的電能供給。在本文中，將對應的電能管理系統作為基礎，對其運行機制做以解析，并提出針對性方案，以此增強電能管理系統的運作效率。

 

關(guān)鍵詞：軌道交通；電能建設；質(zhì)量管理系統；評估機制

 

       盡管各類(lèi)交通方式穿梭于城市的各個(gè)街道，但當屬軌道交通*為理想。在低碳環(huán)保的時(shí)代，它的地位尤為突出，不僅能夠顯著(zhù)降低能耗，還擁有更強大的運輸能力。這也警醒我們應當注重對軌道交通的建設，作為基礎動(dòng)力，電能是的一大因素，相關(guān)人員需要對電能進(jìn)行高質(zhì)管理，這是軌道交通得以運作的前提。

 

       整車(chē)的運行需要從牽引機上獲得動(dòng)力，因此這也是用電比例*大的一個(gè)環(huán)節。此外，不同的氣候要求列車(chē)需要對溫度加以調整，因此空調系統緊隨其次。而后，諸如照明等環(huán)節也需要一定電量，但所占比例較少，具體可參照圖1。

圖1 軌道交通各內部環(huán)節的能耗情況

       總的來(lái)說(shuō)，電能的質(zhì)量不可能時(shí)長(cháng)處于高質(zhì)水平，它受多方面的影響，具體如下：①由于列車(chē)用電存在特殊性，加之內部元器件的影響，使得整體電流與電壓均出現波動(dòng)，而二者又是電能質(zhì)量的因素，所以必將帶來(lái)電能質(zhì)量的下降；②列車(chē)內部含有豐富的PLC，作為一種工業(yè)計算機，當電力系統出現波動(dòng)后，普通質(zhì)量的電能將難以適用。

 

電能監管系統采用C/S架構實(shí)現系統功能，EMS電能數據和BAS電能數據通過(guò)車(chē)站/停車(chē)場(chǎng)的FEP進(jìn)行采集，電能監管系統服務(wù)端程序定時(shí)輪詢(xún)FEP采集電能數據；PSCADA子系統的電能數據通過(guò)ISCS系統采集記錄到本地數據庫。各個(gè)車(chē)站和停車(chē)場(chǎng)的電能數據采集后，存儲在本地實(shí)時(shí)數據庫，實(shí)時(shí)同步到中央歷史數據庫。全線(xiàn)級別的統計、報表生成通過(guò)對中央歷史數據庫中的全線(xiàn)電能數據進(jìn)行分析統計來(lái)實(shí)現。電能監管系統的架構如圖2所示。

圖2

     車(chē)站的FEP從EMS和BAS子系統中采集電能數據。EmsAgent從FEP獲取到能數據后，傳送到MicsRdbAgent。MicsRdbAgent對電能數據進(jìn)行處理，根據業(yè)規則生成報警和事件，并且把報警發(fā)送到MicsAlarmAgent模塊，事件發(fā)送到MicsDataAgent模塊。MicsAlarmAgent模塊負責把報警推送到工作站，把報警數據記錄到車(chē)站數據庫中。MicsDataAgent負責把數據點(diǎn)狀態(tài)事件推送到工作站，把事件和業(yè)務(wù)數據記錄到車(chē)站數據庫中。車(chē)站ISCS負責采集PSCADA的電能數據，記錄到車(chē)站數據庫，實(shí)時(shí)同步到中央歷史數據庫。

 

       在以往的檢測模式中，檢測部門(mén)獲取到的信息需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)長(cháng)后，軌道管理部門(mén)才能接收到對應的內容，這就意味著(zhù)信息的傳輸存在明顯的滯后性。當引入信息技術(shù)后，全新的管理系統可以將當下獲取的數據第一時(shí)間傳送給軌道部門(mén)。此后相關(guān)人員能夠針對實(shí)時(shí)性的信息對整個(gè)運輸系統進(jìn)行調控，可以創(chuàng )造更穩定的軌道交通運行環(huán)境。

3.1電能質(zhì)量統計與分析

       從功能層面探討，可將管理系統劃分為兩個(gè)層面：①監測。此環(huán)節需要依賴(lài)于遠程終端而進(jìn)行，對電能的評估可從兩方面考慮，一個(gè)是電壓，另一個(gè)則是電流，因此終端便要獲取以上兩方面的實(shí)時(shí)信號，為了將其更直觀(guān)地呈現在用戶(hù)面前，還能夠將其轉化，*終形成相應的波形圖。顯然這是一個(gè)多環(huán)節相協(xié)調的過(guò)程，因此設計到的模塊自然不少，除了基本的采集模塊外，還需配有圖形處理、傳輸等模塊。當然，從細節上分析，遠程監控并非只是電壓與電流進(jìn)行監測這么簡(jiǎn)單，它具體涉及到諧波、頻率等各個(gè)具體內容。②分析。在得到上述信息后，系統能夠以此為基準，展開(kāi)具體的分析。綜合衡量各項指標，*終判斷出電能的具體情況，而后將所得結果在第一時(shí)間傳送至用戶(hù)手中。

具體可參見(jiàn)圖3。

圖3 電能質(zhì)量系統運作流程圖

       數字技術(shù)的深度進(jìn)步，為電能質(zhì)量分析工作創(chuàng )造了更多的可能。以此技術(shù)為基礎衍生出的方法多種多樣，具體可分為如下三種：

①頻域分析法，所涉及到的參量有頻率掃描以及混合諧波潮流等內容；②時(shí)域分析方法，這是一種*為普遍的方法，它的環(huán)節簡(jiǎn)單，運作效率高，可直接對波形展開(kāi)分析，為用戶(hù)呈現直觀(guān)的結果；③以傅里葉變換為首的變換法。

3.2電能質(zhì)量評估

       從功能角度看，質(zhì)量管理系統的服務(wù)對象是電能，具體涉及到諧波、偏差等各個(gè)環(huán)節，通過(guò)對接入點(diǎn)進(jìn)行監測，能夠在第一時(shí)間獲得相應信息，并同步傳輸至用戶(hù)手中。綜合各類(lèi)電能質(zhì)量評測案例可知，無(wú)外乎兩種方法：①對具有針對性地對單項指標展開(kāi)分析；②對多項指標進(jìn)行全面分析。

圖4 電能質(zhì)量評估環(huán)節

       以圖4為基礎，由上至下對各環(huán)節展開(kāi)分析。在數據采集方面，需要借助遠程終端而實(shí)現，此時(shí)可獲取各類(lèi)所需的指標，諸如諧波、偏差等，這是后續環(huán)節的基礎，對監測的準確性提出了嚴苛的要求。接著(zhù)將進(jìn)行兩方面的分析，若對各項指標逐一分析，便可稱(chēng)之為單向指標評估環(huán)節；此外，各項指標*終需要構成整體，因此綜合性評估也不必可少，這便是綜合評估環(huán)節。*終，綜合兩個(gè)維度的評估環(huán)節，可以得出更為完善的評估結果，這便是評估結論環(huán)節。*終，以所得結論為基礎，綜合軌道交通系統的實(shí)際情況，制定出相應的策略，為運輸提供保障。

引入層次分析法，可以高效地對電能質(zhì)量展開(kāi)評估。其具體流程為：選定所需測定的各項指標，并逐一加以賦權，在此基礎上再引入模糊數學(xué)法，*終實(shí)現全面評估。同時(shí)，在權重的確定上，采用的是區間數逼近法，此時(shí)需要引入嫡權理論，它能獲得更理想的權重數據，不受人為因素的干擾。在過(guò)去，對各項指標的采集過(guò)程中，市場(chǎng)伴有間斷現象的出現，而引入新方法后，可以獲得更理想的連續性，使得評定結果能夠更加準確。

3.3智能化數據展示及預警

       需要充分肯定的是，電能質(zhì)量管理系統具備優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性，無(wú)論是與電能質(zhì)量有關(guān)的各項參數，還是具體的能耗情況，都可在此系統作用下完好地呈現出來(lái)。它的時(shí)效性更加理想，同時(shí)數據展示更加直觀(guān)，對于軌道系統工作者而言，無(wú)需花費大量的心思，只需根據所呈現的內容便可對具體的電能情況做以深度了解。

系統采集設備狀態(tài)事件信息產(chǎn)生報警事件，報警信息包含通信故障、設備故障、2進(jìn)線(xiàn)失壓段相、2進(jìn)線(xiàn)相序錯誤、過(guò)負荷報警、電流不平衡等信息。報警信息依據等級顯示不同顏色，不同等級的報警播放不同的報警聲。報警產(chǎn)生時(shí)報警欄顯示設備報警信息，報警關(guān)閉時(shí)報警欄刪除相應報警。報警處理流程如圖5。

圖5

 

4.1概述

       用戶(hù)端消耗著(zhù)整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶(hù)端智能化用電管理對用戶(hù)可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務(wù)體系，全面推廣用戶(hù)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(shí)現電網(wǎng)與用戶(hù)的雙向良性互動(dòng)。用戶(hù)端急需解決的研究?jì)热葜饕ǎ合冗M(jìn)的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶(hù)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(guò)對用戶(hù)端用電情況進(jìn)行細分和統計，以直觀(guān)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(diǎn)或不合理的耗能習慣，有效節約電能，為用戶(hù)進(jìn)一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

4.2應用場(chǎng)所

（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè )場(chǎng)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(chǎng)、車(chē)站、碼頭建筑等）。

4.3系統結構

4.4系統功能

4.4.1實(shí)時(shí)監測

       系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示配電線(xiàn)路的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

4.4.2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(shí)抄表匯總統計功能，用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況，即該節點(diǎn)進(jìn)線(xiàn)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(shí)可分析追溯，維護計量體系的正確性。

4.4.3詳細電參量查詢(xún)

       在配電一次圖中，當鼠標移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標指針變?yōu)槭中?，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(wú)功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢曲線(xiàn)及24小時(shí)電壓趨勢曲線(xiàn)。

4.4.4運行報表

       系統具有實(shí)時(shí)電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢(xún)界面中能夠自定義需要查詢(xún)的參數、時(shí)間或選擇查詢(xún)更新的記錄數據等，并通過(guò)報表方式顯示出來(lái)。用戶(hù)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(hù)要求導出PDF格式文件。

4.4.5變壓器運行監視

       系統對配電系統總進(jìn)線(xiàn)、主變壓器、重要負荷出線(xiàn)的運行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監視，用曲線(xiàn)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(shí)掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

4.4.6實(shí)時(shí)報警

       系統具有實(shí)時(shí)報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統報警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報警窗口，并發(fā)出聲音或語(yǔ)音提醒。

4.4.7歷史事件查詢(xún)

       系統能夠對遙信變位，保護動(dòng)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(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

4.4.8電能質(zhì)量監測

       系統可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量進(jìn)行持續性的監測，運行維護人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報表掌握進(jìn)線(xiàn)、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(shí)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。

4.4.9遙控操作

       系統支持對斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀等進(jìn)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(dòng)生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時(shí)間、操作類(lèi)型等。實(shí)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。

4.4.10用戶(hù)權限管理

       系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如配電回路名稱(chēng)修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)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。

4.4.11通訊狀態(tài)圖

       系統支持實(shí)時(shí)監視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構；可在線(xiàn)診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò )異常時(shí)能自動(dòng)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(shí)時(shí)掌握現場(chǎng)各設備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

4.4.12視頻監控

       視頻監控展示了當前實(shí)時(shí)畫(huà)面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

4.4.13用戶(hù)報告

       用戶(hù)報告頁(yè)面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)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(jìn)行統計分析。

4.4.14APP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(xiàn)、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢(xún)，設備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)等。

4.5系統硬件配置清單